Inhoudsopgave Inhoudsopgave................................................................................................................2 Inleiding...........................................................................................................................4 De diode..........................................................................................................................4 Principiële werking.......................................................................................................4 Voorwaartse polarisatie.........................................................................................4 Inverse polarisatie.................................................................................................5 Dissipatievermogen .....................................................................................................5 Karakteristieken...........................................................................................................5 Statische en dynamische weerstand ...........................................................................6 Statische of gelijkstroomweerstand.......................................................................6 Dynamische of wisselstroomweerstand ................................................................6 Eigenschappen............................................................................................................7 Belastingslijn en werkpunt ...........................................................................................7 Specificaties ................................................................................................................8 Maximumwaarden (ratings)...................................................................................8 Karakteristieke waarden (characteristics) .............................................................8 Codering voor dioden............................................................................................8 Europese codering................................................................................................8 Amerikaanse codering ..........................................................................................8 Bouwvormen en herkenning ........................................................................................9 Toepassingen ..............................................................................................................9 Beveiliging van een galvanometer ........................................................................9 Ontstoring telefoonluidspreker ..............................................................................9 De zenerdiode...............................................................................................................10 Symbool en principiële werking .................................................................................10 De ideale zenerdiode ..........................................................................................10 De praktische zenerdiode ...................................................................................10 Dissipatievermogen ...................................................................................................11 Temperatuurscoëfficiënt ............................................................................................11 Karakteristieken.........................................................................................................11 Eigenschappen..........................................................................................................12 Belastingslijn en werkpunt .........................................................................................12 Specificaties ..............................................................................................................13 Bouwvormen en herkenning ......................................................................................13 Spanningsstabilisatie .................................................................................................14 Praktisch voorbeeld ...................................................................................................15 Tunneldiode ..................................................................................................................15 Opbouw .....................................................................................................................15 Negatieve weerstand .................................................................................................15 Toepassingen ............................................................................................................16 Fotodiode ......................................................................................................................17 werking ......................................................................................................................17 Toepassingen ............................................................................................................17 Schottkydiode................................................................................................................17 Voor- en nadelen .......................................................................................................17 Toepassingen ............................................................................................................18 Voorbeeld werking .....................................................................................................18
www.diy-elektro.nl
-2-
De diode
LED diode .....................................................................................................................18 Symbool, opbouw en werking....................................................................................18 Symbool ..............................................................................................................18 Opbouw en werking ............................................................................................18 Kleurafhankelijkheid ............................................................................................19 De I/U karakteristiek ..................................................................................................19 Berekenen van de voorschakelweerstand van een LED ...........................................20 LED’s opzoeken in de catalogus ...............................................................................20 Soorten LED’s.....................................................................................................20 Volgens de vorm .................................................................................................20 Volgens de kleur van het uitgestraalde licht........................................................21 Volgens de lichtdoorlatende eigenschappen van de behuizing...........................21 Parameters .........................................................................................................21 Toepassingen ............................................................................................................22 Algemeen............................................................................................................22 Een testapparaatje..............................................................................................23 Eenvoudig achterlicht voor fiets of auto ..............................................................23
www.diy-elektro.nl
-3-
De diode
Inleiding Deze cursus is er gekomen om uitleg te geven over een diode en de verschillende types en soorten daar rond. • De gewone diode; • De zenerdiode; • De tunneldiode; • De fotodiode; • De shottky diode; • De LED diode. De gebruikte informatie is afkomstig van enkele oud-leerkrachten en natuurlijk ook van het internet. De cursus werd samengesteld door Nick Electronics Team.
De diode Principiële werking Een diode bestaat uit een P- en een N-kristal. Beide kristallen worden samen gevoegd. Hierdoor ontstaat een PN junctie. In figuur 1 is zo een PN-junctie weergegeven met ernaast het symbool van een diode. Het symbool vertegenwoordigt in de schakelingen de PN-junctie die eigenlijk een diode vormt. Het P-kristal vormt de anode van de diode en het N-kristal de kathode. Er bestaat een gemakkelijk ezelsbruggetje om te onthouden wat in het symbool de kathode is; langs de kant van de kathode kunnn we een gespiegelde K zien staan. (het rode gedeelte in figuur 1.
Voorwaartse polarisatie Indiende diode voorwaarts wordt aangesloten, is geleiding mogelijk. Aan de anode (Pkristal) van de diode wordt dan een positieve spanning aangesloten, aan de kathode (N-kristal) een negatieve spanning. Indien de spanning UF over de diode stijgt boven de diffusiespanning, zal er geleiding ontstaan. De voorwaartse stroom IF wordt dan zeer groot en enkel nog beperkt door de weerstand die in serie geplaatst is met de diode. Je kan de diode nu vergelijken met een gesloten schakelaar.
Indien je deze schakeling van naderbij bekijkt, merk je op dat de vergelijking met de gesloten schakelaar niet volledig opgaat. Een schakelaar laat onafhankelijk van de spanning na het sluiten, stroom door. Een diode geleidt pas als de voedingsspanning hoger is dan de diffusiespanning. Deze diffusiespanning bedraagt + 0,7V voor siliciumdioden en + 0;3V voor germaniumdioden. Ten slotte bezit de diode in geleiding toch nog een kleine weerstand. Let op! De polariteit van de diffusiespanning heeft dezelfde zin als de spanningsval over beide weerstanden.
www.diy-elektro.nl
-4-
De diode
Indien de voorwaartse stroomsterkte door de diode stijgt boven de maximum toegelaten waarde, zal de diode zodanig verwarmen dat de levensduur van de diode wordt ingekort of dat er beschadiging optreedt. Daarom moet de stroomsterkte door de diode steeds beperkt worden tot door de fabrikant opgegeven stroomsterkte. Een diode is voorwaarts aangesloten indien de conventionele stroomzin samenvalt met de pijlpunt van de diode.
Inverse polarisatie Indien de diode invers wordt aangesloten, is geleiding onmogelijk, aan de anode (Pkristal) van de diode wordt dan een negatieve spanning aangesloten, aan de kathode (N-kristal) een positieve spanning. In dit geval zal er geen geleiding ontstaan; de didoe gedraagt zich nu als een open schakelaar.
Ook hier kunnen we de schakeling van naderbij bekijken en gaat de vergelijking met een open schakelaar niet volledig op. Je kan immers opmerken dat indien je ene diode invers aansluit, er toch een zeer kleine lekstroom IR door de diode stroom. De lekstroom wordt bepaald door de weerstand RI die parallel staat met de schakelaar. Indien de inverse spanning UR over de diode stijgt boven de toegelaten waarde, zal er een spanningsdoorslag ontstaan. Er zal dan toch een grote inverse stroom vloeien en de diode zal onherstelbaar beschadigd worden. Daarom moet de inverse spanning over de diode steeds beperkt worden tot de door de fabrikant opgegeven waarde. Een diode is invers gepolariseerd indien de conventionele stroom tegengesteld is aan de diodepijl.
Dissipatievermogen Als een diode voorwaartse gepolariseerd wordt en ze is in geleiding, zal er door de diode een stroom vloeien en zal over de diode de diffusiespanning staan. In de diode wordt dan een vermogen omgezet in warmte. Dit vermogen noemt men het gedissipeerd vermogen PD. Uit de gelijkstroomtheorie weten we dat P = U * I; voor de diode wordt dit dan: PD = UF * IF.
Karakteristieken We nemen twee karakteristieken op, maar we tekenen ze in één assenkruis, elk in een ander kwadrant. De eerste wordt opgenomen in het doorlaatgebied en noem je de doorlaatkarakteristiek IF = f(UF). Je tekent hem in het eerste kwadrant van het assenkruis. De tweede wordt opgenomen in het spergebied en noem je de inverse of sperkarakteristiek IR = f(UR). Je tekent hem in het derde kwadrant van het assenkruis. Indien we het eerste kwadrant (I) van de karakteristiek of de doorlaatkarakteristiek bekijken merken we dat bij het stijgen van de spanning over diode er twee gebieden te onderscheiden zijn. Namelijk het gebied waarin de spanning over de diode kleiner is dan de diffusiespanning, hier zal slechts een zeer kleine voorwaartse stroom vloeien. De diode is nu nog niet in geleiding. Naarmate men de waarde van de diffusiespanning www.diy-elektro.nl
-5-
De diode
bereikt is ze slechts gedeeltelijk in geleiding. Indien de spanning over de diode gelijk is aan de diffusiespanning of groter dan de diffusiespanning, zal de stroom door de diode plots sterk stijgen. De diode is nu volledig in geleiding. De helling van de karakteristiek in dit gebied is te wijten aan de weerstand van de diode. In het derde kwadrant (III) zien we de sperkarakteristiek. Hier merken we dat er een zeer kleine inverse stroom IR vloeit tot de spanning UR zodanig wordt opgedreven dat er doorslag ontstaat. De stroom neemt nu plots sterk toe en de diode wordt beschadigd.
Statische en dynamische weerstand Statische of gelijkstroomweerstand Als je een diode aansluit in doorlaatzin op gelijkspanning, staat er een spanning UF over en vloeit er een stroom IF door. Bijgevolg heeft de diode een gelijkstroomweerstand RF. RF = UF / IF b.v.: RF = UF / IF = 0,75 / 1 = 0,75Ω
Dynamische of wisselstroomweerstand Als de voedingsspanning van de diode bestaat uit gelijkspanning UF met een gesuperponeerde wisselspanning Uf, heeft de diode naast de statische ook een dynamische weerstand. b.v.: rF = ∆uF / ∆iF = 0,1 / 1 = 0,1Ω rF = ∆uF / ∆iF
www.diy-elektro.nl
-6-
De diode
Eigenschappen In doorlaatzin: • Een goede geleiding ontstaat indien de diode voorwaarts is gepolariseerd; • In geleiding is er een nagenoeg constante spanningsval over de diode; • In geleiding is de dynamische en statische weerstand zeer klein; • Voor toepassingen met spanningen kleiner dan de diffusiespanning kan je geen dioden gebruiken; • De maximale voorwaartse stroom is begrensd door de specificatie van de fabrikant. In sperzin: • Als de diode spert, is de stroom door de diode zeer klein; • De statische en dynamische weerstand zijn zeer groot als de diode spert; • De inverse spanning is begrensd door de specificatie van de fabrikant.
Belastingslijn en werkpunt De belastingslijn is een hulpmiddel om de exacte spanning UF over en de stroom IF door de diode te vinden in een bepaalde schakeling. Het snijpunt van de belastingslijn met diodekarakteristiek noem je het werkpunt P. De belastingslijn tekenen we op de doorlaatkarakteristiek met behulp van de formule. IF = URS / RS = (UV – UF) / RS Nullast: Je zoekt eerst het snijpunt a. De diode spert volledig. De stroom IF door de weerstand RS is 0A. UV is dan gelijk aan UF. Kortsluiting: Daarna zoek je het snijpunt b. De stroom door de weerstand is maximaal als de diode kort gesloten is. De spanning over de diode UF is dan 0V. We nemen een voorbeeld: • De voedingsspanning UV = 4V • De weerstand in serie met de diode RS = 200Ω Punt a: Als de voorwaartse stroom IF = 0A Is UV = UF = 4V We zetten 4V uit op de x-as. Punt b: Als UF = 0V is dan is IF = UV / RS = 4/200 = 20mA We zetten 20mA uit op de y-as.
www.diy-elektro.nl
-7-
De diode
Specificaties Maximumwaarden (ratings) VRRM VR VR(RMS) IF(AV) IF(RMS) Ptot
= = = =
de max. herhalende inverse piekspanning de max. continu toegelaten inverse spanning de max. effectieve waarde van de inverse spanning de max. continu toegelaten gemiddelde waarde van de voorwaartse stroomsterkte = de max. continu effectieve gemiddelde waarde van de voorwaartse stroomsterkte = het totale dissipatievermogen
Karakteristieke waarden (characteristics) VF
= de spanningsval over een diode aangesloten op een wisselspanning bij een opgegeven stroomsterkte iF en een opgegeven junctietemperatuur
T j. B.v. bij iF = 1A is VF = 1V als Tj = 75°C is. = de maximumwaarde van de inverse gelijkstroom = de maximale gemiddelde waarde van de sperstroom
IR IR(AV)
Codering voor dioden Europese codering Eerste letter
Geeft het gebruikt materiaal aan.
Tweede letter
Geeft het soort component aan.
Derde letter
Geeft het typenummer
b.v.: BY 127 →
A: germanium B: silicium A: normale diode B: capaciteitsdiode E: tunneldiode Q: LED X: vermenigvuldigingsdiode Y: vermogensdiode Z: zenerdiode b.v.: 127
B = silicium, Y = vermogensdiode, 127 is het typenummer
Amerikaanse codering Eerste deel Derde deel
Steeds een cijfer met de letter N. Het cijfer geeft het aantal sperlagen aan Geeft het typenummer.
b.v.: 1N4004 →
www.diy-elektro.nl
Voor dioden steeds 1N b.v.: 4001
1N = 1 sperlaag dus diode, 4004 = typenummer
-8-
De diode
Bouwvormen en herkenning In de handel zijn verschillende bouwvormen voorradig, onderstaande figuur toont er enkele. De anode en kathode zijn herkenbaar aan: • Ofwel een gekleurde ring die de kathode aangeeft; • Ofwel het symbool van de diode, dat op de diode wordt gedrukt; • Ofwel de bouwvorm van de diode
Toepassingen Beveiliging van een galvanometer Parallel over een galvanometer plaatst men twee dioden anti-parallel (tegengesteld aan elkaar). De galvanometer is een zeer gevoelige ampèremeter. Indien de stroom door het toestel stijgt boven enkele µA, zal de galvanometer stukgaan. Deze relatief grote stroom wordt bekomen bij ene spanning groter dan 0,7V. Om het meetsysteem te beveiligen, moet de spanning over het meetsysteem beperkt worden tot 0,7V. Daarom plaatst men in serie met de galvanometer een weerstand RV en parallel over het meetsysteem twee dioden. Indien de spanning tussen de punten a en b oploopt boven de 0,7V, dan zal een van de dioden geleiden en zal het meettoestel beveiligd worden. Indien de spanning kleiner dan 0,7V is, hebben de dioden een zeer grote weerstand en zal de volledige stroomsterkte door de galvanometer worden gevoerd.
Ontstoring telefoonluidspreker Soms kan er gekraak aan een telefoonluidspreker ontstaan. Dit is zeer hinderlijk voor het menselijk oor. Deze storingen kunnen van diverse aard zijn. Het hieronder staande schema geeft hiervoor ene oplossing. Parallel over de luidspreker van de telefoon worden twee anti-parallel geschakelde dioden geplaatst. Elke spanningspiek boven de 0,7V wordt afgekapt; zo worden alle storende elementen begrensd.
www.diy-elektro.nl
-9-
De diode
De zenerdiode Symbool en principiële werking De ideale zenerdiode Een gewone diode ga je nooit in het inverse gebied gebruiken. Hier bekom je immers geen geleiding. Wanneer de inverse spanning te groot wordt, wordt de diode onomkeerbaar beschadigd. Een zenerdiode daarentegen gebruik je enkel in het inverse gebied. De diode is immers zo vervaardigd dat bij het aanleggen van een inverse spanning er vanaf een bepaald aangelegde spanning geleiding ontstaat. De spanning waarbij de invers gepolariseerde zenerdiode geleidt, noemt men zenerspanning UZ. Deze zenerspanning is nagenoeg constant en onafhankelijk van de stroom door de zenerdiode. Deze specifieke werking wordt bekomen door een zorgvuldige en gecontroleerde grote verontreiniging van het P-kristal en het N-kristal waaruit de zenerdiode is opgebouwd. Afhankelijk van de zenerspanning voorziet men voor zenerspanningen kleiner dan 5 volt een aangepaste kleine sperlaag of voor zenerspanningen groter dan 5 volt een gecontroleerde doorslag. Geïdealiseerd kan je een zenerdiode vergelijken met een constante spanningsbron zonder inwendige weerstand. Bij een zenerdiode blijft, in ideale vorm, de spanning over de klemmen net als bij een constante spanningsbron constant.
De praktische zenerdiode Praktisch kan niet voldaan worden aan de eigenschappen van de ideale zenerdiode, zodat bij verandering van de belasting toch een kleine spanningsvariatie optreedt. Deze spanningsverandering schrijven we toe aan een kleine inwendige zenerweerstand RZ. Bij het toenemen van de zenerstroom IZ neemt de spanningsval over de zenerdiode toe. De spanning over de zenerdiode is nu gelijk aan de som van de zenerspanning en de spanning over de zenerweerstand. Als IZ toeneemt, neemt de spanningsval over de zenerweerstand toe en dus ook de totale spanning over de zenerdiode. De zenerweerstand is afhankelijk van het werkpunt en de spanningsverandering. Een zenerdiode kan je gelijkstellen met een ideale spanningsbron in serie met een dynamische weerstand. Deze voorstelling noem je praktisch equivalent. De zenerweerstand bereken je met de formule: RZ = ∆UZ / ∆IZ Hierin is ∆UZ de spanningsverandering van de aangelegde spanning (rimpel) en ∆IZ de veroorzaakte stroomschommeling. De fabrikanten geven een weerstandswaarde RZ (slope res.) op die je kan gebruiken in je berekeningen. Deze weerstandswaarde werd proefondervindelijk vastgesteld en geldt enkel voor de omstandigheden waarin de proef werd uitgevoerd. De omstandigheden waarin de proef werd uitgevoerd, kan je terugvinden in de databladen.
www.diy-elektro.nl
- 10 -
De diode
Dissipatievermogen Net als bij een diode wordt bij een zenerdiode een bepaald vermogen omgezet in warmte. Dit vermogen noem je ook hier het gedissipeerd vermogen PD. PD = UZ * IZ Het vermogen dat door een zenerdiode kan gedissipeerd worden, is beperkt. Wordt dit vermogen overschreden, dan zal de diode defect raken. Meestal worden zenerdioden in verschillende vermogenscategorieën vervaardigd. B.v. Voor de 500 mW BZX79 reeks van Philips is het dissipatievermogen gelijk aan 500mW. Je vindt in deze reeks zenerdioden met zenerspanningen van 2,4V tot 75V. De maximale inverse stroom of zenerstroom is dan gelijk aan: IZMAX = PD / UZ
Temperatuurscoëfficiënt Naast de invloed van de zenerweerstand op de zenerspanning beïnvloedt ook de temperatuurde zenerspanning. De invloed van de temperatuur op de zenerspanning wordt weergegeven door de temperatuurscoëfficiënt. De temperatuurscoëfficiënt geeft aan hoeveel volt per graad Celsius de zenerspanning afwijkt van de referentiewaarde. Onder de ca. 5V krijg je een negatieve coëfficiënt, boven de ca. 5V een positieve coëfficiënt. De opgegeven zenerspanning in de databladen is de zenerspanning bij 20°C. de afwijking onder invloed van de temperatuur is van geringe aard, maar niet steeds onbeduidend. B.v. Voor de 500mW BZX792V4 is temperatuurscoëfficiënt -1,6mV/°C. Bij 20°C is de zenerspanning 2,4V maar bij b.v. 30°C is de zeners panning: 2,4V + (-1,6 * 10^(-3) * 10) = 2,384V. De afwijking bedraagt hier dus 16mV.
Karakteristieken Bij de zenerdiode is enkel de sperkarakteristiek van betekenis omdat je de didoe enkel invers gebruikt. In doorlaat gedraagt de zenerdiode zich als een gewone diode. De sperkarakteristiek noemen we hier de zenerkarakteristiek IZ = f(UZ). Op deze karakteristiek bemerl je drie gebieden: • Het eerste, kniegebied, is het gebied waarin de zenerspanning niet constant is. De stroom is kleiner dan de kniestroom IZK, de spanning kleiner dan UZK. In dit gebied varieert de spanning over de zenerdiode met de aangelegde spanning. • Het tweede gebied is het werkgebied. De zenerspanning in dit gebied is constant. De stroom door de zenerdiode bevindt zich tussen IZK en IZM. De spanning over de zenerdiode bevindt zich tussen UZK en UZM. In dit gebied bevindt zich ook de waarde IZT, de teststroom waarbij de fabrikant zijn zenerspanning UZ op geeft. UZ @ IZT. • Het derde gebied is het gebied waarin de zenerdiode beschadigd wordt. De stroom wordt zo groot dat het dissipatievermogen overschreden wordt. IZ > IZM Het spreekt voor zich dat je de schakeling rond de zenerdiode zo opbouwt dat de zenerdiode steeds werkzaam is in het tweede gebied. Daarom zal je in serie met de zenerdiode steeds een serieweerstand RS plaatsen waardoor de stroom door de zenerdiode beperkt wordt.
www.diy-elektro.nl
- 11 -
De diode
Eigenschappen In doorlaatzin: • De zenerdiode gedraagt zich als een gewone diode In sperzin: • Indien de zenerstroom kleiner is dan de kniestroom, is de spanning over de zenerdiode afhankelijk van de bronspanning; • Indien de zenerstroom groter is dan de kniestroom, is de spanning over de zenerdiode nagenoeg constant; • De dynamische of zenerweerstand is klein omdat ∆U klein is; • De invloed van de omgevingstemperatuur op de zenerspanning is klein maar niet onbeduidend; • De maximale inverse stroom is beperkt door het dissipatievermogen; • De tolerantie, het dissipatievermogen en de zenerspanning zijn afhankelijk van de productie.
Belastingslijn en werkpunt De belastingslijn is een hulpmiddel om de exacte zenerspanning UZ en de zenerstroom IZ te vinden als de zenerdiode in serie geschakeld is met een serieweerstand RS. Het snijpunt van de belastingslijn met de diodekarakteristiek noem je het werkpunt P. de belastingslijn tekenen we op de sper- of zenerkarakteristiek met behulp van de formule: I = (UV – UZ) / RS
Voor de schakeling van voorgaande figuur met een serieweerstand RS = 145Ω, een voedingsspanning UV gelijk aan 30V en de zenerkarakteristiek bepaal je de belastingslijn en het werkpunt als volgt. Je zoekt eerst het snijpunt a. de zenerdiode geleidt niet. De stroom I door de weerstand RS is 0A. UZ is dan gelijk aan UV. Daarna zoek je het snijpunt b. De stroom door de weerstand is maximaal als de zenerdiode kort gesloten is. De spanning over de diode UZ is dan 0V. In dit voorbeeld is: • De voedingsspanning UV = 30V • De weerstand in serie met de diode RS = 145Ω
www.diy-elektro.nl
- 12 -
De diode
•
De zenerspanning UZ = 8,2V @ IZT = 150mA
Punt a: Als de inverse stroom IZ = 0A is UV = UZ = 30V Punt b: Als UZ = 0V, dan is I = UV / RS = 30 / 145 = 0,207A = 207mA Je kan uit voorgaande figuur afleiden dat in deze schakeling de spanning over de zenerdiode UZ = 8,2V en de spanning over de serieweerstand URS = 21,8V. De stroom door de zenerdiode IZ en de weerstand bedraagt 150mA
Specificaties De fabrikanten van zenerdioden geven meerdere specificaties op. Wij geven beperkte opsomming van de meest noodzakelijke parameters overeenkomstig de NBN- en de IEC-norm. VZ IZT PD IZM IZK IR
= de nominale zenerspanning van de diode bij ene gegeven zenerstroom IZT; = de zenerstroom waarbij de karakteristiek waarden van de zenerdiode worden opgegeven; = het maximale dissipatievermogen; = de maximale inverse stroom of zenerstroom; = de kniestroom of de minimale inverse zenerstroom; = de inverse stroom als de zenerdiode niet in het doorslaggebied werkzaam is.
Eerste letter
Geeft het gebruikte materiaal aan.
Tweede letter Derde gedeelte Vierde gedeelte
Geeft het soort component aan. Geeft het serienummer Geeft de tolerantie weer.
Vijfde gedeelte
Geeft de zenerspanning aan.
A: germanium B: silicium Z: zenerdiode b.v. X85 A: + 1%, B: + 2% C: + 5%, D: + 10%, E: + 20% Van + 3V3 tot 200V
Bouwvormen en herkenning In de handel zijn verschillende bouwvormen verkrijgbaar onderstaande figuur toont er enkele. De anode en kathode zijn herkenbaar aan: • Ofwel een gekleurde ring die de kathode aangeeft; • Ofwel het symbool van de diode, dat op de diode wordt gedrukt; • Ofwel de bouwvorm van de diode.
www.diy-elektro.nl
- 13 -
De diode
Spanningsstabilisatie Indien we een zenerdiode gebruiken om gelijkspanning te stabiliseren, zal de uitgangsspanning toch nog variëren. Deze variatie is afhankelijk van de dynamische zenerweerstand RZ en de serieweerstand RS. In onderstaande figuur is opnieuw de zener- of inverse karakteristiek IZ = f(UZ) getekend. De figuur is, om ∆UZ zichtbaar te maken, niet op schaal getekend. In het voorbeeld varieert de voedingsspanning van UV tot UV’. We bepalen de twee bijhorende werkpunten P, P’ en de stromen IZ en IZ’. Uit de grafiek leiden we af hoeveel de spanning over de zenerdiode UZ en dus de uitgangsspanning URL over de belasting wijzigt.
Indien de voedingsspanning varieert met 3V, dan zal de zenerspanning variëren met 0,03V. We stellen dat UV = 30V en UV’ = 33V en vinden door de twee belastingslijnen te tekenen dat IZ = 150mA en IZ’ = 172mA. Uit de grafiek leiden we af dat UZ = 8,2V en UZ’ = 8,23V. De zenerspanning is dus met 0,03V toegenomen. De stabilisatiefactor F geeft aan hoeveel UZ wijzigt bij verandering van de voedingsspanning UV. De stabilisatiefactor F is hier gelijk aan: F = ∆UV / ∆UZ = 3 / 0,03 = 100 Als we onderstaande figuur bekijken, kunnen we volgende spanningsvergelijkingen opstellen. UZ = URZ + UZIN UV = URS + UZ = URS + (URZ + UZIN) Elke verandering van de voedingsspanning heeft invloed op de zenerspanning. Nu is UZIN constant en de spanningsvariatie over de serieweerstand ∆URS gelijk aan: ∆URS = ∆IZ * RS Waardoor we de spanningsvariatie van de voedingsspanning ∆UV gelijk kunnen stellen aan: ∆UV = ∆URS + ∆URZ of ∆UV = ∆IZ * RS + ∆IZ * RZ = ∆IZ * (RS + RZ) Dan is de stabilisatiefactor F:
www.diy-elektro.nl
- 14 -
De diode
F = ∆UV / ∆UZ = ∆IZ * (RS + RZ) / ∆IZ * RZ = (RS + RZ) / RZ Meestal wordt de stabilisatiefactor berekend met de formule: F = (RS + RZ) / RZ Hieruit kan je afleiden dat de spanningsstabilisatie F afhankelijk is van de dynamische zenerweerstand RZ en de serieweerstand RS.
Praktisch voorbeeld De lichtsterkte van een traditionele fietsverlichting met gloeilampen is sterk afhankelijk van de snelheid waarmee je fietst. Het ontwerp van onderstaande figuur is veel minder gevoelig aan dit probleem. Je fietsdynamo wekt een spanning op waarvan de amplitude en frequentie in grote mate afhankelijk zijn van de snelheid. De gegenereerde spanning wordt enkelzijdig gelijkgericht door diode D1. Met serieweerstand RS stel de zenerdiode Z in. De zenerdiode op haar beurt zorgt voor een constante spanning over de LED en zijn voorschakelweerstand. Hierdoor zal de LED continu oplichten. De voorschakelweerstand RV beperkt de stroom door de LED. Als fietser, fiets je zo snel of zo traag je wil met deze schakeling, maar blijf je steeds goed zichtbaar.
Tunneldiode Opbouw Tunneldiodes zijn halfgeleiders die worden vervaardigd uit Gallium arsenide (GaAs). Bij tunneldiodes worden het p- en n-gebied zwaarder verzadigd dan bij klassieke gelijkrichters. Dit leidt tot een zeer klein verarmingsgebied. Hierdoor treedt er geen doorslageffect (breakdown) op, wat bij de klassieke gelijkrichters wel gebeurt.
Negatieve weerstand Omdat het verarmingsgebied zo klein is, is het voor de elektronen mogelijk om bij een zeer lage biasstroom in de doorlaatrichting door de pn-junctie te glippen. Er is dus sprake van een tunneleffect. De diode gedraagt zich dan als een geleider. Dit wordt weergegeven in de figuur tussen de punten A en B. In punt B begint de spanning in de doorlaatrichting een barrière te vormen. Dit zal, voor een stijging in doorlaatspanning, resulteren in een daling van de stroom. In het gebied tussen B en C geldt dan volgende relatie:
Deze relatie is het tegenovergestelde van de Wet van Ohm, waar een spanningsstijging zorgt voor een stijging van de stroom. Dit is de reden waarom we spreken van
www.diy-elektro.nl
- 15 -
De diode
negatieve weerstand. Vanaf het punt C in de afbeelding, gedraagt de diode zich als een normale diode met bias in de doorlaatrichting.
Toepassingen Tunneldiodes zijn geschikt om zeer snel te werken. Daarom kunnen ze o.a. worden gebruikt bij toepassingen met microgolven. Een andere toepassing vinden we terug bij oscillatoren en tank circuits. Neem bijvoorbeeld een parallelle resonantiekring die bestaat uit een condensator, spoel en weerstand in parallel.
www.diy-elektro.nl
- 16 -
De diode
Wanneer er een plotse spanning wordt aangelegd (bijvoorbeeld door het sluiten van een schakelaar), bekomen we een sinusoïdale uitgang die langzaam uitsterft. Dit is te wijten aan de weerstand die ontstaat in de tank. Wanneer er stroom door de tank vloeit, zorgt die weerstand er immers voor dat er energie wordt gedissipeerd, waardoor de sinsusgolf zal uitsterven. Als we echter een tunneldiode in serie plaatsen met het tankcircuit en hieraan een bias leggen zodat de tunneldiode werkzaam wordt in of rond het centrum van het gebied met negatieve weerstand, dan verschijnt er aan de uitgang een constante sinusgolf die niet uitsterft. De verklaring ligt in het feit dat de weerstand van het tankcircuit wordt opgeheven door de negatieve weerstand van de tunneldiode.
Fotodiode werking Een fotodiode is een elektronisch onderdeel en een type fotodetector. Een fotodiode werkt op basis van een P-N halfgeleiderovergang (PN-junctie) die zo is gemaakt dat er licht op kan vallen. Daartoe hebben ze of een lichtvenster of een glasvezelverbinding om licht op de junctie te kunnen laten vallen. Fotodiodes kunnen op twee manieren worden gebruikt: in normale of omgekeerde positie. In normale toestand wordt er door opvallend licht een elektrische spanning over de diode opgewekt, waardoor er een stroom in de doorlaatrichting gaat lopen. Dit heet het fotovoltaïsch effect, en is ook de basis van de zonnecel. In omgekeerde positie heeft de fotodiode, net als andere dioden een zeer hoge weerstand. Deze wordt echter kleiner als er licht van een geschikte frequentie op de junctie valt. Schakelingen gebaseerd op dit effect zijn gevoeliger voor licht dan schakelingen die op het fotovoltaïsch effect reageren.
Toepassingen P-N fotodiodes worden in dezelfde soort toepassingen gebruikt als lichtgevoelige weerstanden. Belichtingsmeters van camera's en wekkerradios waarvan de lichtsterkte van het display varieert met het omgevingslicht gebruiken meestal lichtgevoelige weerstanden, hoewel er geen principiele reden is waarom een fotodiode niet zou kunnen. Ontvangers voor infrarood-afstandsbedieningen (tv, video)gebruiken vaak fotodiodes. Fotodiodes worden vaak gebruikt voor nauwkeurige lichtmeting in wetenschap en industrie. Ze hebben vaak een meer lineaire karakteristiek dan lichtgevoelige weerstanden, en reageren veel sneller op lichtvariaties. Een silicium fotodiode is al gevoelig voor infrarood licht. Deze worden ook gebruikt in afstandsbedieningen. Een germanium fotodiode reageert op zonlicht. Deze zijn echter veel minder in de handel.
Schottkydiode Een schottkydiode is een diode die bestaat uit een metaal met N-halfgeleider-junctie in plaats van de N-halfgeleider met P-halfgeleider-junctie van een gewone diode.
Voor- en nadelen Voordelen: • lagere voorwaartse spanningsval www.diy-elektro.nl
- 17 -
De diode
• sneller schakelgedrag. Nadelen: • doorgaans hogere kostprijs • de toegelaten inverse spanning van schottkydioden is veel beperkter. Het is daardoor moeilijk schottkydioden te vinden met een toegelaten inverse spanning van meer dan 100V.
Toepassingen Ze worden veel gebruikt als gelijkrichter in de vermogenelektronica zoals in een elektronische voeding.
Voorbeeld werking Schottkydioden zijn geschikt voor grote stromen. In een elektronische voeding geeft de geringere voorwaartse spanningsval een beter rendement, dus minder warmteverlies. Als de inverse spanning in de toepassing groter kan worden dan 80V tot 100V, dan worden gewone vermogensdioden gebruikt. Schottkydioden voor kleine stromen worden ook gebruikt maar minder vaak. Vroeger werden bij sommige digitale bouwstenen uitgevoerd in TTL-technologie schottkydioden ingebouwd in de geïntegreerde schakeling om de schakelsnelheid van de bipolaire transistoren op te voeren.
LED diode Symbool, opbouw en werking Symbool Onderstaande figuur stelt het internationaal symbool van de LED voor. Je herkent er het symbool van een diode in. Een LED is een diode die licht uitzendt als je ze in doorlaatzin aansluit. De pijltjes wijzen van de diode weg waardoor duidelijk wordt dat de diode licht uitzendt. Het woord LED is een samenstelling van de eerste letters van de Engelstalige benaming: Light Emitting Diode. In het Nederlands betekent dit: diode die licht uitzendt.
Opbouw en werking Aangezien een LED een diode is, bestaat ze uit een PN-overgang. De compositie met het halfgeleidermateriaal noem je de LED-chip. Als je de LED in doorlaatzin aansluit, verplaatsen er zich veel elektronen. Vrije elektronen vullen gaten op. Indien zo een elektron in een lagere energieband komt, geeft dat elektron energie af. Het halfgeleidermateriaal van een LED is zo gekozen dat de energie in de vorm van al of niet zichtbare lichtstralen vrijgegeven wordt. Zoals je in onderstaande figuur kan zien, heeft een LED een andere vorm dan een gewone diode. De behuizing (b) is gemaakt uit een doorschijnend materiaal en vaak heeft de kop een lensvorm (c). De chip (d) met de PN-overgang is gelijmd op een metalen reflector (e). De anode (a) is met een dun gouden draadje (f) verbonden met de P-laag (P). De kathode is verbonden met de Nlaag (N). Let op het kortere aansluitdraadje van de kathode.
www.diy-elektro.nl
- 18 -
De diode
Kleurafhankelijkheid licht is een elektromagnetische straling. Elke kleur komt overeen met een bepaalde golflengte. De golflengte van het uitgestraalde licht en de lichtintensiteit van een LED, uitgedrukt in mcd (millicandela), worden in belangrijke mate bepaald door het gebruikte halfgeleidermateriaal. Onderstaande tabel geeft een overzicht van de veel gebruikte halfgeleidermaterialen bij LED’s. de productiemethode heeft ook ee grote invloed op de kleur en de intensiteit, vandaar dat de waarden in de tabel typisch zijn voor één bepaalde fabrikant.
Kleur uitgezonden licht Rood (en Infrarood) Oranje Geel (Amber) Groen Blauw
Ultraviolet Wit
Halfgeleidermateriaal GaAsP GaAlAs GaP GaAsP gaAsP GaP GaN SiC ZnSe InGaN C InGaN GaN
Golflengte in nm 660 660 650 610 585 560 555 480 460 430
De I/U karakteristiek Je weet dat een LED een diode is. De I/U-karakteristiek heeft dezelfde vorm als die van een gewone diode. Onderstaande figuur toont de karakteristieken van enkele LED’s zoals die in databladen voorkomen. Enkel het belangrijkste deel van de karakteristiek, het deel waarin de LED zal werken, is getekend. Zoals bij de diode is IF de voorwaartse stroom en UF de voorwaartse spanning. Je merkt dat voor dezelfde spanning de stroomwaarden verschillen naar gelang de kleur van het uitgezonden licht van de LED. De nominale stroom van een LED is meestal 20mA. Opdat een LED licht uitstraalt, moet de voorwaartse spanning hoger zijn dan de drempelspanning. De
www.diy-elektro.nl
- 19 -
De diode
drempelspanning is afhankelijk van het gebruikte halfgeleidermateriaal, ze varieert van 1,2V voor rode LED’s tot 3V voor blauwe LED’s. I/U-karakteristiek stroom (mA) 20 15
super rood geel amber groen
10 5 0 1,3
1,5
1,7 1,9 2,1 spanning (V)
Berekenen van de voorschakelweerstand van een LED De I/U-karakteristiek van een LED verloopt vrij stijl. Als de LED licht begint uit te stralen, neemt de stroomsterkte geleidelijk aan toe. Om te voorkomen dat de stroomsterkte van de LED groter wordt dan de maximale toelaatbare waarde (IF(MAX)), plaats je een voorschakelweerstand (RV) in serie met de LED. Afhankelijk van het type mag de voorwaarste stroom IF een waarde tussen 10 en 50 mA aannemen. De voorwaartse spanning UF over de LED is dan meestal begrepen tussen 1,5 en 3,5V. Als je de voedingsspanning UV (b.v. 9V) kent, kan je de voorschakelweerstand RV berekenen met de formule die je gemakkelijk kan afleiden uit voorgaande figuur. RV = (UV – UF) / IF = (9V – 3,1V) / 20mA = 295Ω (=> E12 reeks => 330Ω)
LED’s opzoeken in de catalogus Soorten LED’s In catalogi kun je LED’s onderscheiden volgens: • de vorm en de afmetingen; • de kleur, de intensiteit en de hoek van het uitgestraalde licht; • de lichtdoorlatende eigenschappen van de behuizing of de lens; • de wijze van de montage, enz.
Volgens de vorm De meest gebruikte LED’s zijn ronde LED’s en rechthoekige LED’s. De ronde LED’s hebben meestal een diameter van 3 mm of 5 mm. Andere maten zoals 2, 8 en 10mm komen ook voor. Ronde LED’s hebben meetsal een lensvormige kop, soms is de LED-kop vlak (flat top). Rechthoekige LED’s hebben vrijwel altijd
www.diy-elektro.nl
- 20 -
De diode
een vlakke kop. Voor speciale toepassing kunnen LED’s andere vormen hebben.
Volgens de kleur van het uitgestraalde licht LED’s met zichtbaar licht zijn tegenwoordig verkrijgbaar in verschillende kleuren. De verschillende fabrikanten hanteren verschillende termen waardoor het vaak moeilijk is het juiste onderscheid te achterhalel. Voor rode LED’s vind je termen zoals superred, HE Red (High Efficiency Red), hyperred, deep red, ultra red e.d. Er bestaan tweekleuren-LED’s (bicolour LED) waarbij de kleur van het uitgezonden licht verandert als je de polariteit omkeert, driekleuren-LED’s (tricolour LED) hebben drie aansluitdraden. Twee anoden en één gemeenschappelijke kathode. Door de keuze van de anode krijg je bijvoorbeeld rood of groen licht. Sluit je beiden anoden aan, dan mengen deze kleuren zich tot geeloranje. De kathode is de pen in het centrum, de buitenste pennen zijn de anoden, ze hebben een verschillende lengte om de kleur te determineren.
Met multikleuren-LED’s (full colour LED) kunnen alle kleuren uitgezonden worden. In de doorzichtige behuizing bevinden zich twee blauwe LED’s, één rode LED en een groene LED-chip. Ze hebben zes aansluitpennen, tenslotte bestaan er ook nog infraroodLED’s, laser-LED’s, knipper-LED’s e.d.
Volgens de lichtdoorlatende eigenschappen van de behuizing Je onderscheidt vier soorten: de gekleurde diffuse, de niet-gekleurde diffuse, de gekleurde heldere of de niet-gekleurde heldere behuizing. Bij het gekleurde materiaal heeft de behuizing de kleur van het uitgezonden licht. Helder en diffuus kan je het best vergelijken met gloeilampen. Een gloeilamp met heldere doorzichtige ballon vergelijk je met een heldere LED, je ziet de gloeidraad duidelijk, het licht is verblindend. Een diffuse LED vergelijk je met een gloeilamp met een melkglasballon. Je ziet de gloeidraad niet, het licht is verstrooid of diffuus.
Parameters De belangrijkste elektrische parameters van LED’s zijn: • IF = de voorwaartse stroom, je kan deze beperken met een voorschakelweerstand RV; • Ptot of PD = het totale vermogen dat opgenomen wordt uit het net, slechts een klein deel wordt omgezet in lichtenergie; • VR of UR = de sperspanning, overschrijding van deze spanning heeft zeker vernietiging tot gevolg;
www.diy-elektro.nl
- 21 -
De diode
•
VF of UF = de voorwaartse spanning; ze wordt meestal weergegeven voor een typische stroomsterkte, soms is ook de maximale voorwaartse spanning vermeld, ze is afhankelijk van de kleur.
Toepassingen Algemeen De ronde LED vervult meestal de functie van controle- of signalisatielampje bij huishoudelijke en industriële toestellen. De rechthoekige LED gebruik je in geluidstoepassing, bij de digitale volumemeter. Een LED wordt meestal op gelijkspanning aangesloten, je kunt ze ook op wisselspanning aansluiten. Anti-parallel over de LED plaats je een diode om te voorkomen dat de LED stuk gaat door de te hoge inverse spanning op het ogenblik dat de LED spert. Bij gebruik op wisselspanning zal de LED immers elk negatief deel van de periode van de spanning sperren. Door de hoge frequentie van de wisselspanning (50Hz) zullen je ogen het knipperen van de LED niet zien. LED’s komen voor in speelgoed, in het moderne fietsachterlicht. Bij auto’s komen ze voor in het controlebord en in het derde remlicht. Er worden dan meestal LED’s gebruikt met ingebouwde weerstand die je rechtstreeks op 12V kunt aansluiten. Bij verkeerssignalisatie worden meer en meer LED’s gebruikt. Bij grote videowanden worden blauwe, rode en groene LED’s gebruikt om de kleurbeelden te vormen. Voor reclamedoeleinden worden lichtkranten gebruikt waar verschillende boodschappen getoond kunnen worden. Bij scanner en fotokopietoestellen worden rode, blauwe en groene LED’s gebruikt om de documenten achtereenvolgens met verschillende kleuren te belichten. De infrarood-LED vindt zijn toepassing in onder andere afstandsbedieningen en optosensoren. Laser-LED’s zenden een coherent licht uit, ze vinden hun toepassing in cd, cd-rom en dvd-afleesapparaten, toestellen voor herschrijfbare cd-rom’s, meettoestellen, medische toestellen, analyse toestellen e.d. Voor een aantal toepassingen worden verschillende LED’s in één geheel geplaatst. In dot matrix-LED’s en in displays worden een aantal LED’s gecombineerd om cijfers, letters of andere symbolen zichtbaar te maken. 7-Segmenten display’s bevatten zeven diodes, je kunt er al de cijfers mee vormen. Vaak is er ook een decimaal punt voorzien, dan zijn er acht diodes. Display’s kunnen een gemeenschappelijke anode of een gemeenschappelijke kathode hebben.
www.diy-elektro.nl
- 22 -
De diode
Een testapparaatje Met dit testapparaatje kun je detecteren indien een laagspanning van maximum 12V een gelijkspanning of een wisselspanning is, bovendien kun je de polariteit bij gelijkspanning bepalen. Als beide LED’s branden, heb je een wisselspanning. Als slechts 1 LED brandt, heb je de schakeling aangesloten op een gelijkspanningsbron. Brandt de groene LED, dan is testpen A aan de plusklem aangesloten, brandt de rode LED dan is testpen B verbonden met de plusklem van de bron.
Eenvoudig achterlicht voor fiets of auto Deze schakeling kan je gebruiken voor het achterlicht van je fiets of als derde achterlicht van de auto. Het aantal LED’s kan je uitbreiden. Voor de fiets gebruik je een 9V batterij. Hoe meer LED’s je gebruikt, des te vlugger zal de batterij ontladen zijn. Een oplaadbare batterij is ook geschikt, de spanning is dan ongeveer 8V, de componenten blijven dezelfde. Bij de auto wordt de schakeling gevoed door de 12Vaccu. De plusdraad van je schakeling verbind je met de draad die naar het achterlicht gaat, de mindraad sluit je aan op de massa van de auto. De voorschakelweerstanden moeten een iets grotere waarde hebben dan bij de 9V-batterij. Dit achterlicht knippert niet. Om een knipperend achterlicht te maken heb je meer componenten nodig (zoals een transistor en condensator) of je maakt gebruik van knipperLED’s.
www.diy-elektro.nl
- 23 -
De diode
