PLN | EUR | USD

Podstawy stosowania diod Zenera, PIN, Schottky’ego oraz waraktorów

Przez: Art Pini

Przekazane przez: Północnoamerykańscy redaktorzy Digi-Key

Podczas gdy konwencjonalne diody krzemowe lub germanowe doskonale sprawdzają się jako prostowniki i przełączniki w większości zastosowań elektronicznych, funkcje takie jak elektroniczne strojenie, tłumienie, prostowanie z niskimi stratami i wytwarzanie napięcia referencyjnego są w większości przypadków poza ich możliwościami. Początkowo do tych zadań stosowano bardziej prymitywne, kosztowne i „brutalne”, masowe metody. Metody te ustąpiły teraz miejsca bardziej wyrafinowanym diodom specjalnego przeznaczenia, takim jak waraktory (lub diody pojemnościowe), diody PIN, Schottky’ego i Zenera.

Każdy z tych typów diod został zaprojektowany poprzez uwydatnienie niektórych unikalnych właściwości diod w celu zaspokojenia potrzeb niszowych zastosowań z użyciem diod o tanich strukturach. Zastosowanie takich diod zmniejsza rozmiary, koszty i nieefektywność bardziej konwencjonalnych rozwiązań. Typowe zastosowania obejmują zasilacze impulsowe, tłumiki mikrofalowe i radiowe, źródła sygnału radiowego i nadajniko-odbiorniki.

W niniejszym artykule omówiono rolę i działanie diod specjalnego przeznaczenia. Następnie przedstawiono typową charakterystykę na przykładach z Skyworks Solutions i ON Semiconductor, po czym zaproponowano przykłady układów, aby pokazać jak można efektywnie wykorzystać takie diody.

Dioda Zenera jako źródło napięcia referencyjnego

Diody Zenera są przeznaczone do utrzymywania stałego napięcia na diodzie w polaryzacji zaporowej. Funkcja ta jest wykorzystywana do uzyskania źródła napięcia referencyjnego, co jest ważną cechą zasilacza. Diody Zenera są wykorzystywane również w przycinaniu lub ograniczaniu sygnałów, zapobiegając przekroczeniu przez nie wartości granicznych napięcia.

Dioda Zenera jest produkowana przy użyciu wysoce domieszkowanych złączy p-n, co skutkuje powstaniem bardzo cienkiej warstwy zubożonej. Powstające w tym rejonie pole elektryczne jest bardzo silne nawet przy przyłożeniu niskiego napięcia. W poniższych warunkach jeden z dwóch mechanizmów powoduje przebicie w diodzie, co skutkuje wystąpieniem wysokiego prądu wstecznego:

  • Pierwszy warunek - przebicie Zenera pojawia się przy napięciu mniejszym niż 5V i jest wynikiem wystąpienia zjawiska tunelowego
  • Drugi warunek powodujący przebicie występuje wtedy, gdy napięcia są wyższe niż 5V - przebicie jest wtedy wynikiem przebicia lawinowego lub jonizacji zderzeniowej

W obu przypadkach działanie diody jest podobne (ilustracja 1).

Symbol graficzny diody ZeneraIlustracja 1: symbol graficzny diody Zenera oraz jej charakterystyka prądowo-napięciowa. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody Zenera posiada normalny zakres przewodzenia, ale przy polaryzacji zaporowej, występuje przebicie, utrzymujące stałe napięcie. (Źródło ilustracji: Digi-Key Electronics)

Dioda Zenera w kierunku przewodzenia zachowuje się jak normalna dioda. Przy polaryzacji zaporowej występuje przebicie, gdy poziom napięcia zaporowego przekroczy wartość napięcia Zenera, VZ. W tym momencie dioda utrzymuje niemalże stałe napięcie pomiędzy katodą a anodą. Minimalny prąd do utrzymania diody w obszarze przebicia Zenera wynosi IZmin, a maksymalny prąd określony przez moc rozproszoną w diodzie wynosi IZmax. Prąd musi być ograniczony oporem zewnętrznym, aby zapobiec przegrzaniu i awarii. Pokazano to na schemacie podstawowego regulatora napięcia wykorzystującego diodę Zenera, zbudowanego na diodzie Zenera 1N5229B firmy ON Semiconductor (ilustracja 2).

Ilustracja schematu podstawowego regulatora napięcia wykorzystującego diodę Zenera (kliknij, aby powiększyć)Ilustracja 2: schemat podstawowego regulatora napięcia wykorzystującego diodę Zenera wraz z odpowiedzią na stabilizację napięcia. (Źródło ilustracji: Digi-Key Electronics)

Dioda Zenera 1N5229B ma maksymalne straty mocy 500 miliwatów (mW) przy nominalnym napięciu Zenera wynoszącym 4,3V. Rezystor szeregowy (R1) 75Ohm (Ω) ogranicza straty mocy do 455 mW bez obciążenia. Straty mocy spadają wraz ze wzrostem prądu obciążenia. Krzywa regulacji obciążenia obejmuje wartości rezystancji obciążenia wynoszące od 200 do 2000Ω.

Oprócz regulacji napięcia, diody Zenera mogą być ze sobą połączone w celu kontroli ograniczania napięcia w punkcie napięcia Zenera plus wartość spadku napięcia w kierunku przewodzenia. Ogranicznik Zenera 4,3 woltów ograniczałby napięcie na poziomie ±5 woltów. Zastosowania ograniczające można wykorzystać na bardziej ogólnych obwodach zabezpieczeń przepięciowych.

Dioda Schottky’ego

Dioda Schottky’ego to dioda, w której zastosowano złącze metal-półprzewodnik (Ilustracja 3). Metalowa strona złącza tworzy elektrodę anodową, a strona półprzewodnikowa jest katodą. Maksymalny spadek napięcia diody Schottky'ego w kierunku przewodzenia wynosi od 0,2 do 0,5V, w zależności od prądu przewodzenia i typu diody. Tak niski spadek napięcia przewodzenia jest niezwykle przydatny przy zastosowaniu diody Schottky'ego w układach ze źródłem zasilania, np. w obwodach zabezpieczających przed napięciem o odwrotnej polaryzacji, ponieważ zmniejsza straty mocy.

Schemat fizycznej struktury diody Schottky’egoIlustracja 3: fizyczna struktura diody Schottky’ego opiera się na złączu metal-półprzewodnik typu n, co skutkuje niskim spadkiem napięcia w kierunku przewodzenia i bardzo krótkim czasem przełączania. (Źródło ilustracji: Digi-Key Electronics)

Inną istotną cechą tych diod jest bardzo krótki czas przełączania. W przeciwieństwie do standardowych diod, które przy wyłączaniu się potrzebują czasu na usunięcie ładunku z warstwy zubożonej, dioda Schottky'ego nie posiada warstwy zubożonej, dzięki złączu metal-półprzewodnik.

Diody Schottky'ego mają ograniczoną znamionową wartość szczytowego napięcia w polaryzacji zaporowej w porównaniu z diodami ze złączem krzemowym. Ogranicza to na ogół ich zastosowanie do niskonapięciowych zasilaczy impulsowych. Dioda 1N5822RLG firmy ON Semiconductor ma wartość znamionową szczytowego napięcia w polaryzacji zaporowej (PRV) wynoszącą 40 woltów i maksymalny prąd przewodzenia wynoszący 3A. Może być stosowana w kilku obszarach zasilacza impulsowego (ilustracja 4).

Diagram typowych zastosowań diod Schottky'egoIlustracja 4: przykładami typowych zastosowań diod Schottky'ego w zasilaczach impulsowych jest ochrona przed odwrotną polaryzacją (D1) i niwelowanie przepięć (D2). (Źródło ilustracji: Digi-Key Electronics)

Diody Schottky'ego mogą być używane do ochrony obwodów regulatora przed przypadkowym zastosowaniem odwróconej polaryzacji na wejściu. W przykładzie do tego celu służy dioda D1. Podstawową zaletą diody w tym zastosowaniu jest jej niski spadek napięcia w kierunku przewodzenia. Ważniejszą funkcją dla diody Schottky'ego - w tym przypadku D2 - jest zapewnienie ścieżki powrotnej dla prądu przez cewkę indukcyjną, L1, gdy przełącznik się wyłącza. D2 musi być zatem szybką diodą podłączoną krótkim oprzewodowaniem o niskiej indukcyjności. Diody Schottky'ego zapewniają najlepszą wydajność w zastosowaniach zasilaczy niskiego napięcia.

Diody Schottky'ego znajdują również zastosowanie w konstrukcjach radiowych, gdzie ich szybkie przełączanie, niskie spadki napięcia w kierunku przewodzenia i niska pojemność sprawiają, że są idealne dla przełączników detektorów i układów próbujących z pamięcią.

Waraktory

Dioda pojemnościowa, inaczej waraktor lub warikap, jest diodą złączową zaprojektowaną w celu uzyskania różnej pojemności. Złącze P-N jest spolaryzowane zaporowo, a pojemność diody można zmieniać, kontrolując wartość przyłożonego prądu stałego (ilustracja 5).

Schemat waraktora, zapewniającego zmienną pojemnośćIlustracja 5: waraktor, zapewniający zmienną pojemność w zależności od napięcia przyłożonego w kierunku zaporowym. Im wyższa wartość polaryzacji zaporowej, tym niższa pojemność. (Źródło ilustracji: Digi-Key Electronics)

Pojemność waraktora zmienia się w sposób odwrotnie proporcjonalny do wartości przyłożonego napięcia prądu stałego w kierunku zaporowym. Im wyższa wartość polaryzacji zaporowej, tym szerszy obszar zubożony diody, a co za tym idzie - mniejsza pojemność. Zmienność pojemności została pokazana na wykresie pojemności względem napięcia zaporowego dla urządzenia SMV1801-079LF Hyperabrupt Junction Varactor Diode firmy Skyworks Solutions (ilustracja 6).

Wykres pojemności waraktora SMV1801-079LF firmy Skyworks SolutionsIlustracja 6: pojemność waraktora SMV1801-079LF firmy Skyworks Solutions w funkcji napięcia przy polaryzacji zaporowej. (Źródło ilustracji: Skyworks Solutions)

Diody te charakteryzują się wysokim napięciem przebicia, napięciami zaporowymi nawet do 28 woltów i mogą być stosowane w szerokim zakresie strojenia. Napięcie sterujące musi być przyłożone do waraktora, w sposób nie zakłócający polaryzacji następnego stopnia. Zwykle występuje sprzężenie pojemnościowe, jak na ilustracji 7.

Schemat oscylatora strojonego waraktorem sprzęgniętym prądem zmiennymIlustracja 7: oscylator strojony waraktorem sprzęga waraktor D1 prądem zmiennym z oscylatorem poprzez kondensator C1. Napięcie sterujące podawane jest przez rezystor R1. (Źródło ilustracji: Digi-Key Electronics)

Waraktor jest sprzęgnięty prądem zmiennym z obwodem zbiornika oscylatora poprzez duży kondensator C1. To izoluje waraktor D1 od napięć polaryzacji tranzystora i odwrotnie. Napięcie sterujące podawane jest przez rezystor izolujący R1.

Waraktory mogą zastąpić zmienne kondensatory w innych zastosowaniach, np. w strojeniu filtrów częstotliwości radiowych lub mikrofalowych, w modulatorach częstotliwości lub fazy, w przesuwnikach fazowych lub w powielaczach częstotliwości.

Diody PIN

Dioda PIN jest używana jako przełącznik lub tłumik przy częstotliwościach radiowych i mikrofalowych. Tworzy się ją poprzez połączenie warstwy półprzewodnikowej o przewodnictwie samoistnym pomiędzy warstwami typu P i N konwencjonalnej diody - stąd nazwa PIN, która odzwierciedla strukturę diody (ilustracja 8).

Dioda nie przechowuje ładunku w warstwie wewnętrznej, niezależnie od polaryzacji. Uniemożliwia to wykorzystanie jej w zastosowaniach przełączania. Włożenie warstwy wewnętrznej zwiększa efektywną szerokość warstwy zubożonej diody, co skutkuje bardzo niską pojemnością i wyższymi wartościami przepięcia.

Schemat struktury diody PINIlustracja 8: dioda PIN zawiera warstwę samoistnego materiału półprzewodnikowego pomiędzy warstwami typu P i N - odpowiednio elektrody anody i katody. (Źródło ilustracji: Digi-Key Electronics)

Polaryzacja w kierunku przewodzenia skutkuje powstaniem dziur, a elektrony mogą przedostać się do warstwy samoistnej. Rekombinacja tych nośników ze sobą wymaga nieco czasu. Nazywa się to czasem życia nośników, t. Istnieje uśredniony magazynowany ładunek, który obniża efektywny opór warstwy samoistnej do minimalnego oporu, RS. Przy polaryzacji w kierunku przewodzenia, diodę wykorzystuje się jako tłumik RF.

Układ diod PIN SMP1307-027LF firmy Skyworks Solutions zawiera cztery diody PIN w jednej obudowie, które można stosować jako tłumik częstotliwości radiowych i mikrofalowych w zakresie częstotliwości od 5 megaherców (MHz) do 2 gigaherców (GHz) (ilustracja 9).

Schemat układu diod PIN SMP1307-027LF firmy Skyworks SolutionsIlustracja 9: układ tłumika z diodami PIN SMP1307-027LF firmy Skyworks Solutions. Wykres przedstawia tłumienie w zależności od częstotliwości z napięciem sterującym w charakterze parametru. (Źródło ilustracji: Skyworks Solutions)

Układ diod PIN został zaprojektowany tak, by można go było stosować z tłumikami o niskich zniekształceniach i konfiguracji PI oraz T. Rezystancja efektywna, RS, wynosi maksymalnie 100Ω przy 1mA i 10Ω przy 10mA, przy założeniu, że czas życia nośników wynosi 1,5 mikrosekundy (µs). Jest ona przeznaczona do zastosowań związanych z dystrybucją sygnału telewizyjnego.

Podsumowanie

Diody specjalnego przeznaczenia stały się podstawą projektów układów elektronicznych, zapewniając skuteczne rozwiązania dla kluczowych funkcji, które wcześniej realizowano przy użyciu obecnie przestarzałej technologii. Diody Zenera umożliwiają wytwarzanie niskiego napięcia referencyjnego, diody Schottky'ego zmniejszają straty mocy i zapewniają szybkie przełączanie, waraktory umożliwiają strojenie elektroniczne i zastępują nieporęczne mechaniczne kondensatory zmienne, a diody PIN zastępują elektromechaniczne elementy przełączników RF i umożliwiają szybkie przełączanie RF.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Informacje o autorze

Art Pini

Arthur (Art) Pini jest autorem często pisującym dla Digi-Key Electronics. Posiada on stopień licencjata w dziedzinie elektrotechniki, który uzyskał w City College of New York oraz magistra inżyniera elektryka, nadany przez City University of New York. Ma na swoim koncie ponad 50 lat doświadczenia w elektrotechnice i pracował na kluczowych stanowiskach inżynieryjnych i marketingowych w firmach Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek oraz Nicolet Scientific. Interesuje się technikami pomiarowymi i ma szerokie doświadczenia z oscyloskopami, analizatorami widma, generatorami przebiegów dowolnych (AWG), digitizerami oraz miernikami mocy.

Informacje o wydawcy

Północnoamerykańscy redaktorzy Digi-Key