Diood

Allikas: Traadita Wiki by Jan & Co.
Diood

Diood on nn. pooljuhtseadeldis (ta on valmistatud materjalist, mis nagu juhib voolu aga samas ei juhi ka, näiteks räni või germaanium). Diood on kokku seatud sellisel kavalal viisil, et ta juhib elektrivoolu ainult ühes suunas. Samuti on ta kasulik, kuna tema abil on võimalik raadiolaines sisalduvat informatsiooni kätte saada. Seda nimetatakse detekteerimiseks. Elektrivoolu kasutamisel on dioodid ka tähtsad, kuna võimaldavad teha vahelduvvoolust alalisvoolu. Skeemidel tähistatakse dioodi kolmnurgana, milles vool liigub aluselt tipu suunas (positiivselt pooluselt negatiivsele).


Pooljuhtdioodide liigid

Pooljuhtdioodid on pooljuhtseadised, mille põhiosaks on pooljuhtkristalli tekitatud P-N-siire, mis on varustatud eri osadega ühendatud viikudega ja paigutatud standardsesse hermeetilisse kesta. Kest võib olla kas klaasist, plastist või metallist. Metallkesti kasutatakse reeglina suurevoolulistel dioodidel ja tavaliselt on see parema jahutuse võimaldamiseks ühendatud dioodi katoodiga.

Kasutusel on olnud erinevaid dioodide liigitusi, praegu on enamlevinud dioodide liigitus lähtudes nende kasutusalast. Kui dioodis leiab kasutust P-N-siirde põhiomadus s.o. ühesuunaline elektrijuhtivus ehk ventiili toime, nimetatakse neid dioode põhidioodideks ehk lihtsalt dioodideks. Kui aga leiab kasutust mõni P-N-siirde eriomadus, nagu näiteks P-N-siirde mahtuvus, siis on tegemist eriotstarbeliste dioodidega. Põhidioodideks on alaldusdioodid ja lülitidioodid (ka universaal ja impulssdioodid). Eriotstarbelistest dioodidest on enamlevinud stabilitronid (zenerdioodid), mahtuvusdioodid, valgusdioodid, fotodioodid.

Dioodide põhiparameetrid on järgmised:

1. suurim lubatav pärivool Ifmax, mis antakse dioodi tüübist sõltuvalt kas keskväärtusena, maksimaalväärtusena või impulssvooluna, viimasel juhul antakse ka impulsi kestus;

2. suurim lubatav vastupinge Urmax, niis antakse tavaliselt maksimaalväärtusena;

3. pingelang pärirežiimis Uf,- antakse suurimal pärivoolul,

4. suurim alalisvastuvool IRmax, mis on suurim lubatav vastuvool antud vastupingel;

5. vastutakistuse taastumiskestus trr, niis on ajavahemik päripingelt vastupingele lülitamise hetkest kuni hetkeni, mil ümberlülitumisel kujunev vooluimpulss kahaneb etteantud väärtuseni Sõltuvalt konkreetsest dioodi kasutusotstarbest võidakse kasutada veel teisi parameetreid.

Alaldusdioodid (Rectifier Diode)

Alaldusdioodid on ette nähtud vahelduvvolu muundamiseks alalisvooluks toite otstarbel. Seega on nad suurevoolulised dioodid , mille lubatav pärivool on mõnesajast milliamprist sadade ampriteni. Dioode, mille lubatav pärivool on suurem kui 10A, nimetatakse ka jõudioodideks. Sageli valmistatakse alaldusdioode dioodsildadena, kus sildülitusse ühendatud dioodid on paigutatud ühisesse kesta. Samuti kõrgepingeliste sammastena, kus on lubatava vastupinge suurendamiseks on ühendatud järjestiku hulk siirdeid (dioode).

Lubatav vastupinge ulatub alaldusdioodidel sadadest tuhandete voltideni. Töösagedused, sõltuvalt konkreetsest kasutusalast võivad ulatuda sadade kilohertsideni. Sellest tulenevalt liigitavad mõned firmad alaldusdioode vastusuunatakistuse taastumiskestusest sõltuvalt tavalisteks, kiireteks ja ülikiireteks alaldusdioodideks. Nendest tavalistel taastumiskestust trr ei normeerita, kiiretel on see >100 ns ja ülikiiretel <100 ns.

Eri liigina vaadeldakse tavaliselt nn. Schottky alaldusdioode, mis tänu väikesele päripingelangule (UF<0,75V) on eriti sobivad madalapingelistes alaldites kasutamiseks. Schottky dioodide taastumiskestus võib olla eriti väike, isegi <1,5 ns.

Lülitidioodid (Switching Diode)

Lülitidioodid on ette nähtud vooluahelate katkestamiseks ja sulgemiseks, mistõttu on oluline kiire avanemine ja sulgumine. Samuti sobivad nad kasutamiseks kõrg-sagedusahelates. Lubatavad pärivoolu ja vastupinge väärtused on neil tunduvalt väiksemad kui alaldusdioodidel.

Stabilitronid ja stabistorid (Zener Diode)

Stabilitron (ka Zeneri diood) on ränidiood, mis töötab läbilöögirežiimil ja mis hoiab temaga paralleelselt ühendatud koormusel pinge peaaegu muutumatuna, kuigi toitepinge või koormusvool muutuvad. Stabilitroni töö põhineb P-N-siirde teatud kindla vastupinge väärtust Uz ületaval toimel, mil järsult väheneb dioodi takistus ja tugevneb teda läbiv vool. Kui siirdes hajuv võimsus seejuures ei ületa lubatavat väärtust, on selline režiim lubatav (vt. joonis 2.2).


Stabilitrone iseloomustavad parameetrid on järgmised:

1. stabiliseerimispinge Uz on stabilitronil tekkiv pinge, kui ta on stabiliseerimis-režiimis ja kui teda läbib stabiliseerimisvoolu nimiväärtus Iz;

2. vähim lubatav stabiliseerimisvool Izmin on stabiliseerimisvoolu vähim väärtus, millel läbilöögirežiim on stabiilne;

3. suurim lubatav stabiliseerimisvool Izmax on stabiliseerimisvoolu suurim väärtus, mil stabilitron ei kuumene üle lubatu;

4. diferentsiaaltakistus rz on stabilitroni takistus voolu muutustele stabiliseerimis-piirkonnas: rz = ΔUz / ΔIZ ;

5. stabiliseerimispinge temperatuuritegur αUZ näitab stabiliseerimispinge muutust protsentides temperatuuri muutumisel 1 C° võrra (tegur võidakse anda ka pingemuutusena millivoltides). Sõltuvalt läbilöögil esinevatest nähtustest võib see tegur olla kas positiivne või negatiivne.

Peale tavaliste stabilitronide valmistatakse veel täppisstabilitrone ja kahe-anoodilisi stabilitrone.

Täppisstabilitronide stabiliseerimispinge sõltub väga vähe temperatuurist. Selle saavutamiseks on neis stabiliseeriva siirdega järjestikku kaks päripingestatud siiret, mille pingelang muutub temperatuurist vastupidiselt stabiliseeriva siirdega ja kompenseerib seega esineva stabiliseerimispinge muutuse.

Kaheanoodilises stabilitronis on kaks stabilitroni ühendatud nii, et üks on alati pärisuunas ja teine vastusuunas. Sel juhul ei ole vaja pöörata tähelepanu stabilitroni ühendamise polaarsusele ja pärisuunas töötav siire toimib ka temperatuuritoimet kompenseeriva elemendina.

Ränidioodi pärisuuna tunnusjoon on samuti väga järsu tõusuga. See võimaldab kasutada ka pärisuuna režiimi 0,6... 1 V püsiva pinge saamiseks. Tööpunkt valitakse siis pärisuuna tunnusjoone järsult tõusval osal.. Kõrgema stabiliseerimispinge saamiseks ühendatakse neid kaks või kolm ühte korpusesse järjestikku. Selliseid seadiseid nimetatakse stabistorideks. Nende stabiliseerimispinge on väiksem kui stabilitronidel ja ka stabiliseeriv toime on väiksem.

Mahtuvusdioodid (Capacitance Diode)

Mahtuvusdiood ehk varikap on ränidiood, mille puhul kasutatakse P-N-siirde mahtuvuse sõltuvust vastupingest. Diood toimib sel juhul elektriliselt tüüritava muutkondensaatorina, mille elektroodidevahelise dielektriku - siirde tõkkekihi paksus suureneb vastupinge suurenemisel. Põhiliselt kasutatakse mahtuvusdioodi raadiotehnikas võnkeringide häälestamiseks soovitud sagedusele, kus nad on välja tõrjunud varem laialdaselt kasutatud pöördkondensaatorid.


Fotodiood (Photodiode)

Fotodiood on pooljuhtdiood, mis on konstrueeritud nii, et on võimalik valguse pääs P-N-siirde tsooni ehk täpsemalt tõkkekihti. Tõkkekihti sattunud valguskvandid tekitavad oma energia toimel seal voolukandjate - elektronide ja aukude paare. Tekkinud laengukandjate paarid sattuvad tõkkekihis seal mõjuva elektrivälja toime alla ja selle mõjul liiguvad augud pooljuhi P-ossa ja elektronid N-ossa.

Nimetatud laengukandjate liikumise tulemusena tekkib fotodioodi klemmidel valgustustugevusest sõltuv elektromotoorjõud. See on fotodioodi generaatori ehk fotoelemendi režiim, mida kasutatakse fotoelementides ja päikesepatareides. Automaatikas kasutatakse fotodioodi generaatorirežiimi harva, kuna tal on suur inerts.

Kui pingestada fotodiood vastupingega, tekib fotodioodi režiim, kus dioodi vastuvool hakkab sõltuma valgustusest. Selles režiimis on inerts väga väike ja fotodioodi saab kasutada väga kiirete (isegi nanosekundiliste) valgusmuutuste registreerimiseks. Seejuures on voolu muutused praktiliselt lineaarses sõltuvuses valgustustugevusest.


Valgusdiood (Light Emitting Diode) e. LED

Valgusdiood ehk LED on pooljuhtseadis, mis kiirgab teda läbiva pärivoolu toimel kas nähtavat või infrapunast valgust. Valgusnähtused tekivad erinimeliste laengukandjate rekombineerumise (ühinemise) tulemusena pärivoolu režiimis (tavalistes dioodides püütakse rekombineerumist vältida). Rekombineerumine tekib P-N-siirdes või selle lähemas ümbruses. Rekombineerumisel, s.o elektroni ja augu liitumisel tekivad valguskvandid, s.o valgusnähtused, kuna augu ja elektroni liitumisel tekib energia ülejääk Selleks, et tekkinud valguskvandid saaksid pooljuhist lahkuda, tehakse P-tsoon võimalikult õhuke.

Valguskvantide võnkesagedus, s.o. kiirguse värvus sõltub kasutatud pooljuht-materjalist. See on seotud materjali potentsiaalibarjääriga ja seepärast on ka eri värvusega valgudioodide avanemispinged ja päripingelangud erinevad Eri materjalidest valgusdioodide põhiparameetrid on toodud all tabelis, kus I on arendatav valgustugevus ja P valgusvõimsus 10 mA pärivoolu korral.

Kiirguse värvus  nm 	Materjal 	U 	I 	P
--------------------------------------------------------------------------
Infrapunane 	  900 	GaAs 	   1,3...1,5 	  	 50...200
Punane 	  655 	GaAs,GaP   1,6...1,8 	1...5 	  2...10
Oranž 	          635 	GaAs,GaP   2,0...2,2 	5....25  12...60
Kollane 	  583 	GaAs,GaP   2,0...2,2 	5....25  13...65
Roheline 	  563 	GaP 	   2,2... 2,4 	5....25  14...70,
Sinine 	  490 	GaN 	   3...5 	L..4 	  3...12

Valgusdioodi tööks vajalikud nähtused esinevad ka tavalistes pooljuht-materjalides nagu räni ja germaanium, kuid nende kiirguse lainepikkus jääb infrapunase pikema laine ossa ja seepärast tavaliselt neid ei kasutata. Nagu nähtub toodud tabelist, on põhiliseks valgusdioodide materjaliks galliumi ühendid.

Kõikide valgusdioodide eripäraks on väike, (3...5V) lubatav vastupinge, mis võib olla päripingest isegi väiksem. Kasutades valgusdioode lülitustes, kus on võimalikud vastupinged, tuleb kasutada vastuparalleelseid kaitsedioode, mis sildavad valgusdioodi vastupingerežiimis.

Valgusdioodi poolt kiiratav valgusvoog on võrdeline teda läbiva vooluga. Nende lineaarset sõltuvust kasutatakse optronites.

Eritüüpi valgusdioodid võivad olla konstruktiivselt erinevalt kujundatud Minimaalne töövool on tavaliselt 2...5 mA, suurim lubatav vool ei ületa tavaliselt 30 mA. Valmistatakse ka mitmevärvilise kiirgusega valgusdioode, kus ühisesse kesta on paigutatud kaks või enam erineva kiirgusvärviga dioodi. Sellise dioodi kiirguse värvus sõltub sellest, millise anoodiga vooluallikas ühendatakse. Lähitulevikus hakatakse valgusdioode laialdaselt kasutama valgustuseks ,kuna nende valgusandlikkus (kasutegur) on hõõglampidest kuus korda suurem.

Valgusdioodindikaatorid (LED-display)

Valgusdioodindikaatorid on valgusdioodide baasil valmistatavad maatriks- või segmentelemendid, mis võimaldavad nähtavaks teha sümboleid (tähti, numbreid või muid märke), mida nimetatakse tärkideks. Nähtavaks tehtavate tärkide kujundamiseks kasutatakse helenduvaid triip- või punktelemente, millest igaüks kujutab endast üht valgusdioodi. Sõltuvalt indikaatori tüübist kasutatakse 7 kuni 35 elementi ehk segmenti.


Indikaatorite juhtimiseks kasutatakse selleks ettenähtud integraalskeemidena valmistatavaid juhtskeeme ehk desifraatoreid. Indikaatorid ise on kujundatud kas ühise katoodi või ühise anoodiga (kasutatavad juhtskeemid on vastavalt erinevad).