|
Komen we nu tot de “echte” elektronica ? Misschien wel: een duidelijke lijn is immers niet te trekken, maar het wordt zeker steeds interessanter naarmate we verder gaan. Sommigen zeggen dat bij elektriciteit de nadruk ligt op “energie”, en bij elektronica op “informatie”. In dit hoofdstuk gaan we de werking bekijken van enkele belangrijke elektronica-componenten. |
|
|
Twee materialen waaruit veel elektronica-componenten zijn opgebouwd zijn germanium en silicium. Historisch was het in het begin vooral germanium dat de eerste jaren werd toegepast. Later stapte men vooral over op silicium dat betere eigenschappen heeft en dat germanium meer en meer ging vervangen. Op dit ogenblik wordt silicium het meest gebruikt. Daarbij zijn het vooral de toevoegingen aan dit materiaal, die de specifieke eigenschappen van het silicium bepalen. Voor onze lessenreeks werken we vooral met silicium. |
|
|
Tot nu toe handelden we enkel over lineaire elementen. De (eenvoudige) weerstand is een lineair element: willen we de stroom verdubbelen dan moet de spanning verdubbeld worden, zo eenvoudig is dat. Negatieve spanning doet de zin van de stroom omdraaien. Met halfgeleiders (silicium of germanium) is dit NIET meer het geval. |
|
|
Opmerking : We moeten ons noodgedwongen beperken bij deze uitleg omdat deze website anders wel z��r groot zou worden. Voor een meer grondige studie raden we dan ook een degelijk boek aan (vb: de RCL Leuven gebruikt het handboek van de VERON (Nederlandse uitgave)). Voor het radio-amateurexamen volstaat hetgeen hier volgt. |
|
|
Diode, symbool : |
|
|
De diode bestaat uit een deel halfgeleider- materiaal met “P” doping (waaraan positief geladen atomen of atomen met ontbrekende elektronen zijn toegevoegd). Dat wordt ‘geplakt’ tegen een laag “N” doping halfgeleidermateriaal (zijnde negatief geladen atomen of atomen met een elektron te veel op de buitenste schil) . Let op de aanduidingen voor de “anode” en de “kathode” die de elektroden van de diode voorstellen. “P” materiaal is silicium-halfgeleidermateriaal dat is “verontreinigd” met “P” stoffen. Voor “N” geldt het omgekeerde. |
|
Hoe testen ? Wat zijn de karakteristieken ? |
|
|
Hiernaast zie je een schakeling.
|
|
|
Voor onze studie laten we de voedingsspanning van 0 tot + Vcc veranderen (een arbitraire waarde). Bij elke waarde van Vcc nemen we ook de waarde van de stroom op. Daarna keren we de polariteit van de bron om en doen hetzelfde. Met andere woorden, we hebben in het eerste geval dedoorlaatcurve opgenomen om nadien de sperrichting op te nemen. Het resultaat onder grafische vorm vinden we hieronder: we noemen dit destroom / spanning karakteristiek van de diode. |
|
|
|
|
De diode in doorlaatrichting: Zolang de spanning onder de 0,7 V blijft vloeit er maar een te verwaarlozen stroom die we als NUL beschouwen. Het is alsof een “open” schakelaar in de kring werd geplaatst. Vanaf die 0,7 V zien we plots een stroom opduiken. Vergroten we deze Vcc nog meer dan merken we over de klemmen van de diode een bijna constante 0,7 V, maar de stroom door de diode zal snel stijgen. De beperking van stroom is te danken aan de weerstand in serie. Als die er niet zou zijn, zou de stroom door de diode snel zo groot worden dat de diode sneuvelt. Deze 0,7 V noemt men de drempelspannig. Deze spanning is afhankelijk van het soort halfgeleider: hier dus voor silicium. Voor germanium is deze lager: ongeveer 0,2 à 0,3 V. Bij germanium verloopt de overgang naar geleiding ook heel wat minder abrupt. De diode in sperrichting :
|
|
|
Nuttig om te onthouden : |
|
|
De siliciumdiode die in doorlaatrichting gepolariseerd staat, vertoont over haar aansluitklemmen een spanning van ongeveer 0,7V. |
De invers gepolariseerde diode gedraagt zich als een OPEN schakelaar zolang de spanning onder de doorslagspanning ( of zenerspanning ) blijft. |
|
Een wat andere voorstelling van de diode : |
|
|
Bekijken we de figuur hier rechts. Het symbool van de diode is de perfecte diode waaraan we, om precies te zijn, nog een bepaalde spanningsbron moeten toevoegen. We kunnen de diode dus voorstellen als een SPANNINGSBRON in serie met de perfecte diode (0,7 V voor Si). Let goed op de polariteit van de bron. De bron is steeds tegengesteld aan de polariteit van de diode in doorlaatzin. We noemen deze spanning de tegenspanning. Eigenlijk moet je weten dat deze lading door diffusie van ladingen opgebouwd wordt. Door de grenslaag heen diffuseren de meerderheidsladingen en bouwen zo een drempelspanning op. Meer hierover in gespecialiseerde literatuur. |
|
|
Bekijken we nu een voorbeeld: Wat is de stroom die we mogen verwachten in deze kring (hou rekening met de diffusiespanning) ?
Toepassen van de wet van Ohm leert ons:
|
|
|
|
Maar : een diode is GEEN lineaire component. Op de karakteristiek hierboven merken we dat bij het verplaatsen volgens de curve, de weerstand op die plaats NIET gelijk blijft. We kunnen de weerstand op een bepaalde plaats van de grafiek bepalen door de wet van Ohm op een kleine zone toe te passen. We kunnen stellen dat de statische weerstand op één bepaald punt een bepaalde waarde geeft. Bij verplaatsing over de curve zal de waarde dynamisch veranderen volgens het punt of het instelpunt. Nogmaals: men kiest op één bepaalde plaats twee dicht bij elkaar liggende punten en bepaalt de lengten voor U en I op deze plaats.
Δ U
|
|
|
Noties over instelpunt en werkingspunt bij een diode : |
|
|
Deze kennis zal ons te pas komen bij de studie van de werking van transistoren. |
|
|
We hernemen hiervoor het reeds bekende schema, maar ditmaal
met andere waarden. Het is niet ingewikkeld om de belastingslijn voor de diode te tekenen.
Verderop wordt dit wel wat duidelijker . |
Vcc = 3 V Vd = spanning van de diode |
|
Met deze formule kunnen we de belastingslijn bepalen en tekenen. Hiervoor gaan we uit van twee veronderstellingen. De eerste is dat Vd eerst aan NUL Volt gelijk is wat ons geeft: 3 – 0 I = _______ = 0.03A of 30 mA. Dit punt is het karakteristieke punt voor U=0 en I= 0.03A 100 Het tweede is dat Vd gelijk is aan de voedingsspanning of 3V, wat ons oplevert: 3 – 3 I = ________ = 0. Het karakteristieke punt voor U=3V et I=0 100 We beschikken nu over twee punten en het volstaat om deze met elkaar te verbinden om de belastingslijn te verkrijgen. Het snijpunt van deze lijn met de curve van de diode zelf, levert ons het instelpunt P van de diode. Dit werkingspunt van de diode leert ons volgende bijzonderheden: U(over diode)=0.75 en I = 22mA (ongeveer). De rest van de voedingsspanning van 3 V staat over de weerstand van 100 Ω (ziet je dat ?) |
|
|
|
|
De belangrijkste karakteristieken : |
|
|
De doorlaatcurve is eigenlijk een samenstelling van alle bijzondere punten die op twee manieren opgenomen kunnen worden. Je kan ofwel bij middel van een instelbare spanning telkens opnieuw het overeenstemmend instelpunt bepalen, ofwel kan je de weerstand R (100 Ω ) veranderlijk maken en voor elke waarde een punt gaan bepalen. We noemen dit het opnemen van de doorlaat kromme. Gelukkig hebben de constructeurs dit al voor de gebruiker gedaan: je kan deze data in zgn. databoeken vinden ( in de bibliotheek van RCL ! ). |
Noot:
Alles wat is aangeduid met “f” (forward)
betekent dat men in doorlaatzin werkt.
|
|
VF : Spanning in doorlaat, continu.
|
IF :continue stroom, in doorlaat
|
|
Wees attent voor voedingen met hogere spanning. De waarden in sperrichting “r” , moeten, zeker bij diodes, in acht genomen worden op straffe van vernieling (zelfs explosie). |
|
|
Je sluit de diode aan op de twee klemmen van de meter en je ziet duidelijk dat in sperrichting de weerstandswaarde zowat oneindig is. ( Let er wel op dat bij de meeste universeelmeters, de rode meetpen bij weerstandmetingen NEGATIEF is, en de zwarte positief ! ) In doorlaatrichting zal je een bepaalde ( lage ) weerstandswaarde meten. Volgens de constructie ( lage stroom of klein-vermogen diodes) kan de gemiddelde weerstand vari�ren naargelang het gaat om een diodes voor kleine vermogens of voor grotere vermogens. Ervaring zal je het onderscheid leren. |
|
|
Andere soorten diodes : |
|
|
Op de markt kan je diodes voor allerlei verschillende toepassingen vinden (kopen !). We gaan hier de meest bekende types of soorten even overlopen |
|
|
Zener iode: |
Waar de klassieke diode in de vernieling gaat bij invers gebruik over de zenerspanning, kan men deze eigenschap door de bijzondere bouw van de zenerdiode nuttig aanwenden. Op dat ogenblik vertoont zo’n diode immers een min of meer constante spanning bij stijgende stroom. Deze constante spanning kan men bijvoorbeeld bij stabilisatieschakelingen gebruiken (zie later). Deze spanning dient dan als een referentie voor de vergelijking met andere spanningen. |
|
Schottky-diode |
Wordt vrij frequent in HF gebruikt als component in bijv. mengschakelingen. De drempelspanning is vrij laag (0,25 V) en door de kleinere minderheidslading schakelt ze zeer snel. De grote-vermogens-Schottky wordt ook bij voedingen gebruikt. |
|
LED of diode met electroluminescentie |
Op zowat alle moderne toestellen vinden we deze dioden terug als signaalindicator. De LED licht in doorlaatrichting op bij een paar tot een enkele tientallen milliamp�res al naargelang gewenste lichtopbrengst of kleur. |
|
Varicapdiode |
De naam laat het al vermoeden. Het gaat hier om een diode die een variabele capiciteit vertoont. Voor de details wordt naar studieboeken verwezen. Het volstaat hier te vermelden dat de sperlaag volgens de sperspanning in dikte verandert ( vergroot bij stijgende inverse spanning ). Hierin kan men gemakkelijk een condensator herkennen. Door de verandering van deze laagdikte is de grootte van de capaciteit omgekeerd evenredig met de aangelegde sperspanning. Anders bekeken: onder invloed van een tegenspanning varieert de condensator in waarde. De spanningsafhankelijke oscillator (VCO of Voltage Controlled Oscillator) is een voorbeeld van een toepassing. |
|
Gunndiodes |
Gebruikt bij hyperfrequenties (extreem hoge frequentie) om mengschakelingen en oscillatoren voor in dit domein te realiseren. |
|
Toepassingen voor diodes |
|
|
Nu volgende enkele concrete toepassingen: |
|
|
Gelijkrichting van spanning |
In een ander hoofdstuk gaan we hier dieper op in. De diode wordt hier gebruikt om wisselstroom in gelijkstroom om te zetten, want onze toestellen werken meestal op gelijkspanning. Anders zijn batterijen of gebruik van een omzetter nodig. |
|
Voeren we aan onze diode een sinusoidale spanning toe:
|
Kijk nu wat er op de uitgang komt:
|
|
Polariteitsbeveiliging |
Mogelijk hebt je al meegemaakt wat er gebeurt als je een toestel verkeerd op een batterij aansluit . Dit kan simpelweg door een verstrooidheid gebeuren… Je kan schade voorkomen door in serie een diode in voorwaartse zin (geleidend) te plaatsen. Het geheel ziet er als volgt uit:
|
|
Gebruik als spanningsbegrenzer |
Vooral bij digitale schakelingen is het soms nodig om een
bepaalde golfvorm in grootte te beperken voor de goede
werking van de rest van de schakeling. Hier volgt een
voorbeeld ( let op: de weerstand dient om het wegwerken van
het verschil mogelijk te maken ).
|
|
De diode als schakelaar |
Stel je hebt een oscillator en je wil op een eenvoudige
manier een condensator bij – of afschakelen ( om
stapsgewijs de frequentie te veranderen).
|
|
De diode als spanningsstabilisator |
Hier moeten we wel een geschikt type van diode gebruiken
namelijk de zenerdiode.
|
|
Noteer dat dit is maar een beperkt overzicht van alle types diodes is. Dit bouwelement wordt immers zeer frequent in de electronica gebruikt en ook nog op andere manieren als hier beschreven. |
|
