1. Dioda - principiul de funcţionare

Acasă » Electronică analogică » 03 - Dioda şi redresorul

Definiţia diodei

Dioda este un dispozitiv electronic ce permite trecerea curentului doar într-o singură direcţie. Cea mai folosită diodă în circuitele electronice este cea semiconductoare, deşi există şi alte tehnologii.

Simbolul diodei

Simbolul diodelor semiconductoare este prezentat în următoarea figură; săgeţile indică deplasarea reală a electronilor prin diodă.

Conectarea în circuit

La conectarea într-un circuit simplu, format dintr-o baterie şi o lampă, dioda fie va permite trecerea curentului spre lampă, fie o va bloca, în funcţie de polaritatea tensiunii aplicate.

Polarizarea directă

Atunci când polaritatea bateriei este astfel încât este permisă trecerea electronilor prin diodă, spunem că dioda este polarizată direct.

Polarizarea inversă

Invers, când trecerea electronilor este blocată datorită inversării bateriei, spunem că dioda este polarizată invers.

Putem să ne gândim la diodă ca la un întrerupător: „închisă”, când este polarizată şi „deschisă” când este polarizată invers.

Dioda precum o supapă de închidere (analogie)

Comportamentul diodei este analog comportamentului dispozitivului hidraulic denumit supapă de închidere. O supapă de închidere permite trecerea fluidului doar într-o singură direcţie.

Supapele de închidere sunt de fapt dispozitive controlate cu ajutorul presiunii: acestea se deschid şi permit trecerea fluidului dacă „polaritatea” presiunii pe suprafaţă lor este corectă. Dacă „polaritatea” presiunii este de sens contrar, diferenţa de presiune pe suprafaţa valvei va duce la închiderea acesteia, iar curgerea fluidului nu mai este posibilă. Acelaşi lucru este valabil şi în cazul diodelor, doar ca în acest caz presiunea este reprezentată de tensiune.

Explicaţie

Să reluăm circuitul de mai sus, dar folosind de această dată un aparat de măsură pentru determinarea căderilor de tensiune pe diferite componente ale circuitului.

O diodă polarizată direct conduce curent şi prezintă o cădere mică de tensiune la bornele sale, astfel încât majoritatea tensiunii disponibile la bornele sursei de alimentare se regăseşte pe lampă (sarcină). Dacă polaritatea bateriei este inversată, dioda devine polarizată invers, şi toată tensiunea disponibilă la bornele sursei de alimentare se regăseşte pe diodă, iar căderea de tensiune pe sarcină va fi egală cu zero. Putem considera dioda ca fiind un întrerupător „automat” (se închide când este polarizat direct şi se deschide când este polarizat invers). Singura diferenţă notabilă este căderea de tensiune mult mai mare la bornele diodei (0,7 V), faţa de căderea de tensiune pe un întrerupător mecanic (câţiva mV).

Această cădere de tensiune de polarizare directă se datorează acţiunii zonei de golire formată de joncţiunea P-N sub influenţa tensiunii aplicate. Dacă nu există nicio tensiune aplicată la bornele diodei semiconductoare, existenţa zonei de golire înguste în jurul joncţiunii P-N previne apariţia curentului (figura alăturată (a)). Purtătorii de sarcină aproape că lipsesc în zona de golire, şi prin urmare aceasta se comportă precum un izolator.

Dacă dioda este polarizată invers, zona de golire se extinde şi blochează şi mai bine trecerea curentului prin dispozitiv.

Tensiunea de polarizare directă

Dacă dioda este polarizată direct însă, zona de golire devine mult mai subţire (figura alăturată (a), polarizare parţială), iar rezistenţa faţă de curent scade. Pentru funcţionarea corectă a diodei însă, zona de golire trebuie să dispară complet. Acest lucru se poate realiza prin aplicarea unei anumite tensiuni minime, denumită tensiune de polarizare directă (figura alăturată (b)), care pentru diodele de siliciu este în mod normal 0,7 V, iar pentru cele de germaniu de doar 0,3 V.

Căderea de tensiune la bornele diodei rămâne aproximativ constantă pentru o gamă largă de curenţi prin diodă. Pentru analiza circuitelor electronice simplificate, putem considera căderea de tensiune pe diodă ca fiind constantă (nu depinde de valoarea curentului prin diodă).

Ecuaţia diodei

unde,
I_D = curentul diodei (A)
I_S = curentul de saturaţie (aproximativ 10^-12 A)
e = constanta lui Euler (2,718)
q = sarcina electronului (1,6 ∙10^-19 C)
V_D = tensiunea aplicată la bornele diodei (V)
N = factor de idealitate sau coeficient de emisie (între 1 şi 2)
k = constanta lui Boltzmann (1,38∙10^-23)
T = temperatura joncţiunii (K)

Ecuaţia exactă ce descrie curentul printr-o diodă poartă numele de ecuaţia diodei.

Termenul q/KT descrie tensiunea produsă în joncţiunea P-N datorită acţiunii temperaturii, şi poartă numele de tensiune termică, sau V_t. La temperatura camerei, această temperatură este de aproximativ 26 mV.

Ecuaţia simplificată a diodei

unde,
I_D = curentul diodei (A)
I_S = curentul de saturaţie (aproximativ 10^-12 A)
e = constanta lui euler (2,718)
V_D = tensiunea aplicată la bornele diodei (V)

Cunoscând acest fapt, şi considerând factorul de idealitate ca fiind 1, putem simplifica ecuaţia de mai sus şi să ajungem la următoarea relaţie.

Aceste ecuaţii nu trebuie neapărat luată în considerare la analiza circuitelor simple cu diode, ci este menţionată aici doar pentru a înţelege faptul că există o variaţie a căderii de tensiune la bornele diodei pentru diferite valori ale curenţilor prin diodă. Această variaţie este foarte mică, aceasta fiind şi motivul pentru care se consideră că, la bornele diodei, căderea de tensiune rămâne constantă la 0,7 (siliciu) sau 0,3 V (germaniu). Totuşi, unele circuite folosesc în mod intenţionat relaţia curent/tensiune a joncţiunii P-N, şi ele pot fi înţelese doar în contextul acestei ecuaţii. De asemenea, din moment ce temperatura este un factor în ecuaţia diodei, o joncţiune P-N polarizată direct poate fi folosită ca un dispozitiv de determinare a temperaturii, iar această utilizarea poate fi înţeleasă doar dacă înţelegem în primul rând ecuaţia diodei de mai sus.

Curentul invers

Deşi o diodă polarizată invers, nu permite curentului să treacă prin ea datorită extinderii zonei de golire, în realitate există un mic curent de scurgere ce trece prin diodă chiar şi la polarizarea inversă, iar acest curent poartă numele de curent invers. Curentul invers poate fi însă ignorat pentru majoritatea aplicaţiilor.

Tensiunea de străpungere

Dioda nu poate suporta o tensiune de polarizare inversă infinit de mare. Dacă această tensiune devine prea mare, dioda va fi distrusă datorită unei condiţii denumită străpungere. Această tensiune inversă maximă poartă numele de tensiune de străpungere (inversă), notată cu V_s. Tensiunea de străpungerea creşte odată cu creşterea temperaturii şi scade cu scăderea temperaturii - exact invers faţă de tensiunea de polarizare directă.

Variaţia curent-tensiune a diodei

Alăturat este prezentat graficul curent-tensiune al diodei.