Sinyal Diyotları

Sinyal diyotları, ileriye doğru kutuplandığında akımı ileten ve ters kutuplandığında akım akışını engelleyen iki terminalli yarı iletken bir devre elemanıdır.

Yarı iletken sinyal diyotları, genellikle elektronik devrelerde kullanılan, radyo, televizyon ve dijital mantık devreleri gibi küçük akımların veya yüksek frekansların dahil olduğu küçük, doğrusal olmayan bir yarı iletken cihazlardır.

Nokta Temaslı Diyot ya da cam diyot olarak adlandırılan cam kaplı şeklindeki sinyal diyotları, daha büyük Güç Diyodu kuzenlerine kıyasla fiziksel olarak çok küçüktür.

Genel olarak, küçük bir sinyal diyotunun PN bağlantısı, PN bağlantısını korumak için cam içinde kapsüllenir ve genellikle hangi ucun katot terminali olduğunu belirlemeye yardımcı olmak için gövdelerinin bir ucunda kırmızı veya siyah bir bant bulunur. Yaygın olarak tüm cam kapsüllü sinyal diyotlarından en yaygın olanları 1N4148 ve eşdeğeri 1N914 tür.

Küçük sinyal ve anahtarlama diyotları, doğrultucu diyotlara kıyasla 150mA, maksimum 500mW civarında çok daha düşük güç ve akım değerlerine sahiptir, ancak yüksek frekanslı uygulamalarda veya kısa süreli darbe dalga formlarıyla ilgilenen kırpma ve anahtarlama uygulamalarında daha iyi çalışabilirler.

Bir sinyal diyotunun özellikleri hem germanyum hem de silisyum türleri için farklıdır ve şu şekilde verilir:

• 1. Germanyum Sinyal Diyotları – Bunlar, bağlantı boyunca daha düşük bir ileri voltaj düşüşü, tipik olarak sadece yaklaşık 0,2 ila 0,3v sağlayan düşük bir geri direnç değerine sahiptir, ancak küçük bağlantı alanları nedeniyle daha yüksek bir ileri direnç değerine sahiptir.
• 2. Silisyum Sinyal Diyotları – Bunlar çok yüksek bir ters direnç değerine sahiptir ve bağlantı boyunca yaklaşık 0,6 ila 0,7v’lik bir ileri volt düşüşü sağlar. Oldukça düşük ileri direnç değerlerine sahiptirler ve onlara yüksek ileri akım ve ters voltaj tepe değerleri verir.

Herhangi bir diyot tipi için verilen elektronik sembol, sonunda bir çubuk veya çizgi bulunan bir oktur ve bu, Kararlı Durum VI Karakteristik Eğrisi ile birlikte aşağıda gösterilmektedir.

Ok her zaman diyottan geçen akımın yönünü gösterir, yani diyotun yalnızca Anoda , (  a  ) terminaline pozitif bir besleme ve Katot (  k  ) terminaline negatif bir besleme bağlıysa ileteceği anlamına gelir. akımın içinden yalnızca bir yönde akmasına izin vererek, daha çok tek yönlü bir elektrik valfi gibi davranır.

Bununla birlikte, önceki öğreticiden biliyoruz ki, harici enerji kaynağını diğer yönde bağlarsak diyotun içinden geçen herhangi bir akımı bloke edeceğini ve bunun yerine aşağıda gösterildiği gibi açık bir anahtar (ters polarlı olma) gibi davranacağını biliyoruz.

İleri ve Ters Polarlı Diyot

O zaman ideal bir küçük sinyal diyotunun akımı bir yönde ilettiğini (ileri ileten) ve diğer yönde akımı engellediğini (ters bloklama) söyleyebiliriz. Sinyal Diyotları, doğrultucularda, akım sınırlayıcılarda, gerilim kesicilerde veya dalga şekillendirme devrelerinde bir anahtar gibi çok çeşitli uygulamalarda kullanılır.

Sinyal Diyotları ve Parametreleri

Sinyal Diyotları, çeşitli voltaj ve akım derecelerinde üretilir ve belirli bir uygulama için bir diyot seçerken dikkatli olunmalıdır. Sinyal diyotuyla ilişkili şaşırtıcı bir dizi statik özellik vardır, ancak daha önemli olanları sizlerle paylaşıyoruz:

Maksimum İleri Akım

Maksimum ileri Akımı (I_F(maks)) adından da anlaşılacağı gibi) ‘dir maksimum ileri akım diyotun bağlandığı devreye ya da hatta akmasına izin verdiği maksimum ileri akımdır. Diyot ileri ön gerilim durumunda iletken olduğunda, PN bağlantısı boyunca çok küçük bir “AÇIK” dirence sahiptir ve bu nedenle, güç bu bağlantı boyunca ( Ohm Yasası) ısı şeklinde dağılır.

Daha sonra (I_F(max)) değerinin aşılması, bağlantı boyunca daha fazla ısı üretilmesine neden olacak ve diyot, termal aşırı yüklenme nedeniyle, genellikle yıkıcı sonuçlarla arızalanacaktır. Diyotları maksimum akım değerleri civarında çalıştırırken, diyot tarafından üretilen ısıyı dağıtmak için ek soğutma sağlamak her zaman en iyi yöntemdir.

Örneğin, küçük 1N4148 sinyal diyotumuz, 25^o C’de 500mW güç kaybı ile yaklaşık 150mA maksimum akım derecesine sahiptir. Daha sonra ileri akımı sınırlamak için diyot ile seri olarak bir direnç kullanılmalıdır.

Ters Tepe Voltajı

Ters tepe voltajı (PIV) ya da ters voltaj (V_R(max)), maksimum izin verilebilen diyot boyunca uygulanabilecek çalışma gerilimidir. Bu nedenle, bu derecelendirme genellikle ters öngerilim karakteristik eğrisindeki “çığ kırılması” seviyesinden daha düşüktür. Tipik V _R(max) değerleri birkaç volttan binlerce volta kadar değişir ve bir diyot değiştirilirken dikkate alınmalıdır.

Ters tepe voltajı önemli bir parametredir ve esas olarak, her döngüde sinüsoidal dalga biçiminin pozitiften negatif bir değere değiştiği voltajın genliğine referansla AC doğrultucu devrelerindeki diyotları düzeltmek için kullanılır.

Toplam Güç Tüketimi

Sinyal diyotları Toplam Güç Tüketimi (  P _D(max)  ) derecesine sahiptir. Bu derecelendirme, diyotun ileri yönlü (iletken) olduğu durumdaki olası maksimum güç kaybıdır. Sinyal diyotundan akım geçtiğinde, PN bağlantısının sapması mükemmel değildir ve akımın akışına bir miktar direnç göstererek gücün diyotta ısı şeklinde dağılmasına (kaybolmasına) neden olur.

Küçük sinyal diyotları doğrusal olmayan cihazlar olduğundan, PN bağlantısının direnci sabit değildir, dinamik bir özelliktir, o zaman dirençler için elimizden geldiğince gücü akım ve direnç veya voltaj ve direnç cinsinden tanımlamak için Ohm Yasasını kullanamayız. Daha sonra diyot tarafından harcanacak gücü bulmak için, üzerinden geçen akım ile üzerindeki voltaj düşüşünü çarpmalıyız: P _D  = V*I

Maksimum Çalışma Sıcaklığı

Maksimum Çalışma sıcaklığı aslında birleşme sıcaklığı (  T _J  diyot) ile ilişkilidir ve maksimum güç tüketimi ile ilgilidir. Diyotun yapısı bozulmadan önce izin verilen maksimum sıcaklıktır ve Watt başına santigrat derece birimleriyle ifade edilir, (  ^o C/W  ).

Bu değer, cihazın maksimum ileri akımıyla yakından bağlantılıdır, böylece bu değerde bağlantının sıcaklığı aşılmaz. Bununla birlikte, maksimum ileri akım ayrıca cihazın çalıştığı ortam sıcaklığına da bağlı olacaktır, bu nedenle maksimum ileri akım genellikle 25 ^o C veya 70 ^o C gibi iki veya daha fazla ortam sıcaklığı değeri için alıntılanır.

Ardından, bir sinyal diyotu seçerken veya değiştirirken dikkate alınması gereken üç ana parametre vardır ve bunlar:

• Ters Voltaj Derecesi
• İleri Akım Derecesi
• İleri Güç Tüketimi Derecesi

Sinyal Diyotu Dizileri

Alan sınırlı olduğunda veya eşleşen anahtarlama sinyali diyot çiftleri gerektiğinde, diyot dizileri çok faydalı olabilir. Genellikle, dijital devrelerde anahtarlama ve kenetlemede kullanım için bir dizi adı verilen çoklu diyot paketlerinde birbirine bağlanan 1N4148 gibi düşük kapasitanslı yüksek hızlı silisyum diyotlardan oluşurlar. Bunlar, gösterildiği gibi ayrı bir yalıtılmış dizi, ortak katot (CC) veya ortak bir anot (CA) konfigürasyonu vermek için dahili olarak bağlı 4 veya daha fazla diyot içeren tek sıralı paketler (SIP) içinde muhafaza edilirler.

Sinyal Diyot Dizileri

Sinyal diyot dizileri, yüksek hızlı veri hatlarını veya diğer giriş/çıkış paralel portlarını elektrostatik deşarja, (ESD) ve voltaj geçişlerine karşı korumak için dijital ve bilgisayar devrelerinde de kullanılabilir.

İki diyotu gösterildiği gibi bağlantılarına bağlı veri hattı ile besleme rayları boyunca seri olarak bağlayarak, istenmeyen geçişler hızla dağıtılır ve sinyal diyotları 8 katlı dizilerde mevcut olduğundan tek bir pakette sekiz veri hattını koruyabilirler.

Sinyal diyot dizileri, voltaj regülatörü veya voltaj düşürücü tip devreler oluşturmak veya hatta bilinen bir sabit referans voltajı üretmek için diyotları seri veya paralel kombinasyonlarda birbirine bağlamak için de kullanılabilir.

Bir silisyum diyot boyunca ileri voltaj düşüşünün yaklaşık 0.7v olduğunu ve birkaç diyotu seri olarak birbirine bağlayarak toplam voltaj düşüşünün her bir diyotun ayrı voltaj düşüşlerinin toplamı olacağını biliyoruz.

Ancak sinyal diyotları seri olarak birbirine bağlandığında, akım her diyot için aynı olacağından maksimum ileri akım aşılmamalıdır.

Sinyal Diyotlarını Seri Bağlamak

Küçük sinyal diyotu için başka bir uygulama, düzenlenmiş bir voltaj kaynağı oluşturmaktır. Diyotlar, diyot kombinasyonu boyunca sabit bir DC voltajı sağlamak için seri olarak birbirine bağlanır. Diyotlar üzerindeki çıkış voltajı, seri kombinasyonundan çekilen yük akımındaki değişikliklere veya onları besleyen DC güç kaynağı voltajındaki değişikliklere rağmen sabit kalır.

Seri Sinyal Diyotları

Bir silisyum diyot boyunca ileri voltaj düşüşü yaklaşık 0,7v’de neredeyse sabit olduğundan, içinden geçen akım nispeten büyük miktarlarda değişirken, ileri yönlü bir sinyal diyotu ile basit bir voltaj düzenleyici devre yapabilir. Her diyot üzerindeki ayrı voltaj düşüşleri, yük direnci boyunca belirli bir voltaj potansiyeli bırakmak için besleme voltajından çıkarılır ve yukarıdaki basit örneğimizde bu 10v – (3*0.7V) = 7.9V olarak verilir .

Bunun nedeni, her diyotun, içinden akan küçük sinyal akımıyla ilgili bir bağlantı direncine sahip olması ve serideki üç sinyal diyotunun, yük direnci R ile birlikte bu direncin üç katına sahip olması , besleme boyunca bir voltaj bölücü oluşturmasıdır.

Seri olarak daha fazla diyot ekleyerek daha büyük bir voltaj düşüşü meydana gelecektir. Ayrıca seri bağlı diyotlar, gerilim düzenleyici devre olarak görev yapmak üzere yük direncine paralel olarak yerleştirilebilir. Burada yük direncine uygulanan voltaj 3*0.7v = 2.1V olacaktır . Elbette tek bir Zener Diyot kullanarak aynı sabit voltaj kaynağını üretebiliriz. Direnç, R_D yük kaldırıldığında diyotları üzerinden akan aşırı akım önlemek için kullanılır.

Serbest Döner Diyotlar

Sinyal diyotları ayrıca çeşitli kenetleme, koruma ve dalga şekillendirme devrelerinde kullanılabilir; en yaygın kenetleme diyot devresi, hassas anahtarlama devresine zarar gelmesini önlemek için bir bobin veya endüktif yük ile paralel bağlanan bir diyot kullanandır. yük aniden “KAPALI” hale getirildiğinde oluşan voltaj yükselmelerini ve/veya geçici olayları bastırmak amaçlanır. Bu tip diyot genellikle “Serbest Dönen Diyot”, “Volan Diyot” veya daha yaygın olarak adlandırıldığı gibi Serbest Döner diyot olarak bilinir.

En akla gelen kullanım örneği, rölelerle işlem yaparken ters sıçramaları engellemek için kullanılan diyotlardır.

Modern hızlı anahtarlamalı, yarı iletken güç cihazları, motor bobinleri veya röle sargıları gibi endüktif yüklerden korunmak için serbest döner diyotlar gibi hızlı anahtarlamalı diyotlar gerektirir. Yukarıdaki anahtarlama cihazı her “AÇIK” konuma getirildiğinde, serbest tekerlek diyotu, ters kutuplanmış hale geldiğinden, iletken bir durumdan bir engelleme durumuna geçer.

Ancak, cihaz hızla “KAPALI” konuma geçtiğinde, diyot ileri polarlanır ve bobinde depolanan enerjinin çökmesi, serbest döner diyotundan bir akımın akmasına neden olur. Serbest diyotun koruması olmadan, yüksek di/dt akımları meydana gelir, bu da yüksek voltaj yükselmesine veya devrenin etrafından geçici akımın akmasına neden olur ve muhtemelen anahtarlama cihazına zarar verir.

Daha önce, transistör, MOSFET, IGBT veya dijital yarı iletken anahtarlama cihazının çalışma hızı, bazı uygulamalarda bunun yerine Schottky ve Zener diyotları kullanılarak endüktif yük boyunca serbest döner diyotun eklenmesiyle bozulmuştu. Ancak son birkaç yıl içinde, serbest döner diyotları, esas olarak gelişmiş ters-kurtarma özellikleri ve yüksek anahtarlama frekanslarında çalışabilen süper hızlı yarı iletken malzemelerin kullanımı nedeniyle yeniden önem kazandı.

Burada yer almayan diğer özel diyot türleri Foto-Diyotlar, PIN Diyotları, Tünel Diyotları ve Schottky Bariyer Diyotlarıdır. Temel iki katmanlı diyot yapısına daha fazla PN bağlantısı eklenerek diğer tip yarı iletken cihazlar yapılabilir.

Örneğin, üç katmanlı bir yarı iletken cihaz aslında transistör olur, dört katmanlı bir yarı iletken cihaz bir tristör veya Silikon Kontrollü Doğrultucu olur ve Triyak olarak bilinen beş katmanlı cihazlar da mevcuttur.

Diyotlarla ilgili sonraki öğreticide, Güç Diyotu olarak adlandırılan büyük sinyal diyotuna bakacağız. Güç diyotları, yüksek voltajlı, yüksek akımlı ana doğrultma devrelerinde kullanılmak üzere tasarlanmış silisyum diyotlardır.