Die Diode. Roland Küng, 2009

Transkript

1 Die Diode Roland Küng, 2009

2 Halbleiter Siliziumgitter

3 Halbleiter Eine aufgebrochene kovalente Bindung (Elektronenpaar) produziert ein Elektron und ein Loch

4 Halbleiter Typ n z.b. Phosphor Siliziumgitter gedopt mit 5-wertigem Atom ein Elektron ist frei verfügbar Kann mit Loch aus kovalenter Bindung kombinieren, dessen Elektron frei ist

5 Halbleiter Typ p + z.b. Bor Siliziumgitter gedopt mit 3-wertigem Atom ein Loch ist frei verfügbar Kann mit Elektron aus kovalenter Bindung kombinieren, dessen Loch frei ist

6 Bring it together Halbleiter pn E r erhalten am pn-übergang: Die freien Ladungen in der Grenzzone pn (Raumladungszone) rekombinieren Zone verarmt (Depletion) an freier Ladung, d.h. Elektronen im n und Löcher im p Material verschwinden. Die gebundene Ladungen - + der Atome der Gegenseite stossen die hinteren freien Ladungen + - von der Grenze weg. Das pn- Device sperrt den Strom, über der Zone liegt ein elektrisches Feld.

7 Halbleiter sperrend E r z. Erinnerung: Elektronen fliessen von - nach + Stromrichtung von + nach Bounded charges increase Bei Anregen mit einem Strom I in Sperrrichtung fliesst nur ein geringer Strom I S, der den winzigen Strom I D von diffundierenden Ladungsträgern aufwiegt. Mehr freie Elektronen bzw. Löcher in p- bzw. n- Zone vergössern die Rekombination. Die Sperrschicht verbreitert sich, eine Spannung R baut sich auf. Die Diode sperrt.

8 Halbleiter leitend E r Bounded charges decrease Bei Anregen mit einem Strom I in Flussrichtung fliesst ein Strom I D, der Diffusion an Ladungsträgern verstärkt, d.h. viele freie Elektronen bzw. Löcher in n- bzw. p- Zone überschwemmen die Sperrschicht. Die Sperrschicht baut sich ab, eine kleine Flussspannung entsteht. Die Diode leitet.

9 Halbleiter Begriffe Löcher in der p-region und Elektronen in der n-region heissen Majoritätsträger Elektronen in der p-region und Löcher in der n-region heissen Minoritätsträger Durch den Abbau der Sperrspannung werden Minoritätsträger leichter über die ladungsfreie Zone diffundieren und dort mit den Majoritätsträgern rekombinieren. Ein dauerhafter Strom I D fliesst um das Ladungsgleichgewicht zu erhalten.

10 Die ideale Diode Wrap-up for Electrical Engineers

11 Ideale Diode: Analyse Analyse Methode: 1. Feststellen ob positive Spannung über der pn-strecke liegt 2. Falls ja, Flussstrom I berechnen, falls nein I = 0 Tipp: manchmal muss man eine Hypothese machen und verifizieren

12 Die ideale Diode

13 Beispiele: Die ideale Diode

14 Die ideale Diode Ihre Beispiele: L: D1 on, D2 on, I = 0.5 ma, = 0 L: D1 off, D2 on, I = 0 ma, = -1.67

15 Die reale Diode 3 Regionen: - Flussbetrieb (Forward) - Sperrbetrieb (Reverse) - Zenerbetrieb (Breakdown)

16 Die reale Diode = v D i 1 D IS exp m T kt T = q Gleichung: I S = Sättigungssperrstrom der Diode T = Temperaturspannung m = Korrekturfaktor 1 m 2 q = Ladung Elektron 1.6*10-19 As k = Boltzmann Konstante 1.38*10-23 Ws/K Typische Werte: I S = A T = 25 m bei 20 0 C Folge von T : Flussspannung nimmt um 2m/ 0 C ab bei wachsender Temperatur und konstantem Strom

17 Die reale Diode ereinfachtes Model Nr. 1 Ersatzbild im Schema ereinfachte Kennlinie (blau)

18 Die reale Diode ereinfachtes Model Nr. 2 Ersatzbild im Schema ereinfachte Kennlinie (blau)

19 Diodentypen Gleichrichterdiode z.b. 1N4004 Sperrspannung 400 Flussspannung 1A Flussstrom (Peak) 30 A Schaltzeit 1 µs Schaltdiode z.b. 1N4448 Sperrspannung 100 Flussspannung 0.1A Flussstrom (Peak) 0.5 A Schaltzeit 10 ns Schottky Diode z.b. 1N5819 Sperrspannung 30 Flussspannung 1A Flussstrom (Peak) 1A Schaltzeit 0 ns

20 Gleichrichterschaltungen Thema

21 Einweg Gleichrichter

22 Energiespeicher

23 Einweggleichrichter komplett Welligkeit der Ausgangsspannung (Ripple r ): r = f p R C = p T R C

24 Einweggleichrichter komplett

25 Einweggleichrichter: i D + π = r p L av D 2 1 i i π + = r p L max D i i Mittlerer Strom i Dav und Spitzenstrom i Dmax durch Diode während t:

26 Einweggleichrichter komplett Beispiel r = f p R C = p T R C i Dav = i L 1+ π 2 p r Geg: p = 100, f = 60 Hz R = 10 k r = 2 i Dmax = i L 1+ 2π 2 p r Ges: C =? i L =? i Dav =? I Dmax =? 83 uf 10 ma 324 ma 638 ma

27 Gleichrichter Mittelpunktschaltung orteil: Nutzt beide Halbwellen Nachteil: Trafo mit Mittelabgriff notwendig

28 Brückengleichrichter

29 Brückengleichrichter C R f 2 Ripple p r = + π = r p L av D 2 1 i i π + = r p L max D i i

30 Symmetrische Betriebsspannungen

31 Zusammenfassung Dioden sperren bei negativer Spannung Diode leitet bei positiver Spannung Analyse: Annahme v D sei in Flussrichtung. Bestimmen von i D. Ist i D in Flussrichtung stimmt Annahme. Sonst mit v D in Sperrrichtung weiterfahren Jede Anwendung braucht die dafür optimierte Diode: Netzteil, Schnelle Logik, Signaldetektion Gleichrichterschaltungen erzeugen Gleichstrom und geeignet dimensionierte Kapazitäten sorgen für eine konstante Spannung

32 Diode Lab Messen sie die Spannung out mit dem oltmeter in DC-Stellung (Mittelwert) Messen sie den Ripple r in m mit dem Oszilloskop für R L = 47k, 4k7, 470 Ω. Für R L = 470 Ω erhöhe man f auf 2 khz und C auf 100 µf. ergleichen sie mit der Berechnung. (Je nach Generator 47 Ω Widerstand einfügen) Werte: D1 = D2 = 1N4148 C1 = C2 = 10 µf Rx = 47 Ω, RL = 10 kω Generator: f = 1 khz, 5 ~ Messen sie die Spannung über C1 und C2 mit dem oltmeter. Messen sie die Spannungsverläufe am Generator, über D1 und RL mit dem Oszilloskop DC-Einstellung verwenden. Was macht diese Schaltung?