Diodele de semnal sunt mici, cu două terminale, care conduc curentul atunci când sunt polarizate direct și blochează debitul de curent atunci când sunt polarizate invers.

Dioda de semnal este un dispozitiv semiconductor mic, neliniar, utilizat în general în circuite electronice, unde sunt implicați curenți mici sau frecvențe înalte, cum ar fi circuitele de radio, televiziune și circuite logice digitale.

Diodele de semnal, uneori cunoscute sub denumirea mai veche de diodă cu contact punctiform sau diodă de sticlă pasivată, sunt fizic foarte mici în comparație cu diodele de putere mai mari.

În general, joncțiunea PN a unei diode mici de semnal este încapsulată în sticlă pentru a proteja joncțiunea PN și de obicei are o bandă roșie sau neagră la un capăt al corpului pentru a ajuta la identificarea capului care este terminalul catodic. Cea mai largă utilizare dintre toate diodele de semnal încapsulate în sticlă este foarte comuna 1N4148 și dioda sa de semnal 1N914 echivalentă.

Diodele de comutare și semnale mici au o putere și un curent mult mai reduse, în jur de maxim 150 mA, 500 mW în comparație cu diodele redresoare, dar pot funcționa mai bine în aplicații de înaltă frecvență sau aplicații de limitare și comutare care se ocupă de forme de undă cu durată scurtă.

Caracteristicile unei diode cu contact punctiform de semnal sunt diferite atât pentru tipurile cu germaniu cât și pentru cele cu siliciu și sunt date de:

1. Diodele de semnal cu germaniu - Acestea au o valoare scăzută a rezistenței inverse dând o cădere de tensiune directă mai mică pe joncțiune, în mod obișnuit numai de aproximativ 0,2 până la 0,3 V, dar au o valoare de rezistență directă mai mare din cauza zonei mici de joncțiune.

2. Diodele de semnal cu siliciu - Acestea au o valoare foarte mare a rezistenței inverse și dau o cădere de tensiune directă de aproximativ 0,6 până la 0,7 V pe joncțiune. Ele au valori destul de scăzute ale rezistenței directe, oferindu-le valori de vârf ridicate ale curent direct și tensiunii inverse.

Simbolul electronic dat pentru orice tip de diodă este cel al unei săgeți cu o bară sau o linie la capătul acesteia, iar acest lucru este ilustrat mai jos, împreună cu curba caracteristică V-I de stare staționară.

Curba caracteristicii V-I a diodei cu siliciu

Săgeata indică întotdeauna direcția curentului convențional prin diodă, ceea ce înseamnă că dioda va conduce numai dacă o sursă de alimentare pozitivă este conectată la terminalul anod (a) și o alimentare negativă este conectată la terminalul catod (k), deci permițând curentului să curgă prin ea numai într-o singură direcție, acționând mai mult ca o supapă electrică cu o singură cale, (condiție de polarizare directă).

Dar, știm din tutorialul precedent că, dacă conectăm sursa externă de energie în altă direcție, dioda va bloca orice curent care trece prin ea și în schimb va acționa ca un comutator deschis (condiție de polarizare inversă), după cum se arată mai jos.

Dioda polarizată direct și invers

Atunci, putem spune că o diodă ideală, de semnal mic, conduce curentul într-o direcție (conducție directă) și blochează curentul în cealaltă direcție (blocare inversă). Diodele de semnal sunt utilizate într-o mare varietate de aplicații, cum ar fi un comutator în redresoare, limitatoare de curent, snubbere de tensiune sau în circuite de modelare a undelor.

Parametrii diodei de semnal

Diodele de semnal sunt fabricate într-o gamă de tensiuni și curenți nominali și trebuie să se aibă grijă atunci când se alege o diodă pentru o anumită aplicație. Există o serie de caracteristici statice asociate cu dioda de semnal, dar cele mai importante sunt:

1. Curentul direct maxim

Maximum Forward Current - Curentul direct maxim (IF(max)) este curentul maxim permis să curgă prin dispozitiv. Când dioda conduce în condiții de polarizare directă, are o rezistență "ON" foarte mică pe joncțiunea PN și, prin urmare, puterea este disipată pe această joncțiune (Legea lui Ohm) sub formă de căldură.

Atunci, depășirea valorii lui IF(max) va genera mai multă căldură în joncțiune, iar dioda se va distruge din cauza suprasarcinii termice. Deci, când diodele funcționează în jurul valorii maxime a curentului nominal, este întotdeauna cel mai bine să se asigure răcire suplimentară, pentru a disipa căldura produsă de diodă.

De exemplu, mica noastră diodă de semnal 1N4148 are un curent maxim nominal de aproximativ 150 mA cu o disipare de putere de 500 mW la 25°C. Deci, trebuie să fie utilizat un rezistor în serie cu dioda pentru a limita curentul direct IF(max) prin aceasta, sub această valoare.

2. Tensiunea inversă de vârf

Peak Inverse Voltage (PIV) sau tensiunea maximă inversă (VR(max)) este tensiunea de funcționare inversă maxim admisibilă, care poate fi aplicată pe diodă fără străpungere inversă și avarii survenite la dispozitiv. Prin urmare, această clasificare este, de obicei, mai mică decât nivelul "străpungerii în avalanșă" pe curba caracteristică de polarizare inversă. Valorile tipice ale VR(max) variază de la câțiva volți la mii de volți și trebuie luate în considerare la înlocuirea unei diode.

Tensiunea inversă de vârf este un parametru important și este utilizată în principal pentru diodele redresoare din circuitele de redresare AC cu referire la amplitudinea tensiunii unde formele de undă sinusoidale se schimbă de la o valoare pozitivă la una negativă pentru fiecare ciclu.

3. Disiparea totală a puterii

Diodele de semnal au o putere totală de disipare (PD(max)). Această evaluare este disiparea maximă posibilă a puterii diodei atunci când aceasta este polarizată direct (conduce). Când curentul trece prin dioda de semnal, polarizarea joncțiunii PN nu este perfectă și oferă o anumită rezistență circulației de curent care conduce la disiparea (pierderea) puterii în diodă sub formă de căldură.

Deoarece diodele mici de semnal sunt dispozitive neliniare, rezistența joncțiunii PN nu este constantă, este o proprietate dinamică, deci nu putem folosi Legea lui Ohm pentru a defini puterea în termeni de curent și rezistență sau tensiune și rezistență, așa cum putem pentru rezistențe. Atunci, pentru a găsi puterea care va fi disipată de diodă, trebuie să înmulțim căderea de tensiune pe ea cu curentul ce circulă prin ea: PD = V*I.

4. Temperatura maximă de funcționare

Temperatura maximă de funcționare se referă de fapt la temperatura joncțiunii (TJ) diodei și este legată de disiparea maximă a puterii. Este temperatura maximă admisibilă înainte ca structura diodei să se deterioreze și este exprimată în unități de grade Celsius per Watt (°C/W).

Această valoare este legată strâns de curentul direct maxim al dispozitivului, încât la această valoare temperatura joncțiunii să nu fie depășită. Cu toate acestea, curentul direct maxim va depinde, de asemenea, de temperatura ambiantă în care funcționează dispozitivul, astfel încât curentul direct maxim este, de obicei, indicat pentru două sau mai multe valori ale temperaturii ambiante cum ar fi 25°C sau 70°C.

Deci, există trei parametri principali care trebuie luați în considerare când selectați sau înlocuiți o diodă de semnal și aceștia sunt:

• Evaluarea tensiunii inverse

• Evaluarea curentului direct

• Evaluarea disipării de putere directă

Matrici de diode de semnal

Atunci când spațiul este limitat sau sunt necesare perechi de diode de semnal de comutare, pot fi foarte utile matricele de diode. Ele cuprind, în general, diode de siliciu de mare viteză și mică capacitate, cum ar fi 1N4148 conectate împreună în pachete de diode multiple, numite matrice pentru utilizarea în comutare și limitare în circuite digitale. Acestea sunt încapsulate în pachete single inline (SIP) care conțin 4 sau mai multe diode conectate intern pentru a da fie o matrice izolată individuală, catod comun (CC), fie o configurație anod comună (CA), după cum se arată.

Matricele cu diode de semnal pot fi de asemenea utilizate pentru a conecta împreună diode în combinații de serie sau paralel pentru a forma circuite de tip regulator de tensiune sau de reducere a tensiunii sau chiar pentru a produce o tensiune de referință fixă ​​cunoscută.

Căderea de tensiune directă pe o diodă de siliciu este de aproximativ 0,7 V și prin conectarea împreună a unui număr de diode în serie, căderea totală de tensiune va fi suma căderilor individuale de tensiune pe fiecare diode.

Dar, atunci când diodele de semnal sunt conectate împreună în serie, curentul va fi același pentru fiecare diodă, astfel încât curentul maxim direct să nu fie depășit.

Conectarea diodelor de semnal în serie

O altă aplicație pentru dioda mică de semnal este de a crea o sursă de tensiune reglabilă. Diodele sunt conectate împreună în serie pentru a asigura o tensiune continuă DC pe combinația de diode. Tensiunea de ieșire pe diode rămâne constantă, în ciuda modificărilor în curentul de sarcină extras din combinația serie sau a modificărilor în tensiunea de alimentare DC care le alimentează. Luați în considerare circuitul de mai jos.

Diodele de semnal în serie

Deoarece căderea de tensiune directă pe dioda de siliciu este aproape constantă la circa 0,7 V, în timp ce curentul prin ea variază în cantități relativ mari, o diodă de semnal polarizată direct poate face un circuit simplu de reglare a tensiunii. Căderile individuale de tensiune pe fiecare diodă sunt scăzute din tensiunea de alimentare pentru a lăsa un anumit potențial de tensiune pe rezistența de sarcină, iar în exemplul nostru simplu de mai sus este dat ca 10 V - (3 * 0,7 V) = 7,9 V.

Acest lucru se datorează faptului că fiecare diodă are o rezistență de joncțiune referitoare la curentul mic de semnal care curge prin ea și cele trei diode de semnal în serie vor avea de trei ori valoarea acestei rezistențe, formând împreună cu rezistența de sarcină R un divizor de tensiune pe alimentare.

Prin adăugarea mai multor diode în serie se va produce o reducere mai mare a tensiunii. De asemenea, diodele conectate în serie pot fi plasate în paralel cu rezistorul de sarcină pentru a acționa ca un circuit de reglare a tensiunii. Aici tensiunea aplicată rezistorului de sarcină va fi de 3* 0,7 V = 2,1 V. Putem, desigur, produce aceeași sursă constantă de tensiune utilizând o singură diodă Zener. Rezistorul RD este folosit pentru a preveni curgerea excesivă a curentului prin diode în cazul în care sarcina este îndepărtată.

Diodele Flywheel (supresoare)

Diodele de semnal pot fi, de asemenea, utilizate într-o varietate de circuite de limitare, de protecție și de formare a undelor, cea mai obișnuită formă de circuit de diodă de limitare este cea care utilizează o diodă conectată în paralel cu o bobină sau sarcină inductivă pentru a preveni deteriorarea circuitului delicat de comutare prin suprimarea vârfurilor de tensiune și/sau a fronturilor (tranzițiilor) generate când sarcina este comutată brusc "OFF". Acest tip de diodă este, în general, cunoscut sub numele de "Free Wheelind Diode", "Flywheel Diode" sau pur și simplu diodă Freewheel așa cum se numește mai des.

Dioda Freewheel este folosită pentru a proteja comutatoare solid-state, cum ar fi tranzistoare de putere și MOSFET, de la distrugere prin protecție la alimentare inversă precum și o protecție la sarcini puternic inductive, cum ar fi bobine de releu sau motoare și un exemplu de conexiune a sa este prezentată mai jos.

Utilizarea diodei Freewheel

Dispozitivele semiconductoare moderne de comutare rapidă, de putere, necesită diode de comutare rapidă, cum ar fi diodele supresoare, pentru a le proteja de sarcini inductive cum ar fi bobinele motorului sau înfășurările releului. De fiecare dată când dispozitivul de comutare de mai sus este activat ON, dioda supresoare se schimbă de la o stare de conducție la o stare de blocare, deoarece devine polarizată invers.

Dar, atunci când dispozitivul comută rapid în "OFF", dioda devine polarizată direct și colapsează energia stocată în bobină determinând un curent să curgă prin diodă. Fără protecția diodei freewheel s-ar produce curenți mari di/dt care ar provoca un vârf de tensiune înaltă sau front pentru a curge prin circuitului, eventual deteriorând dispozitivul de comutare.

Anterior, viteza de operare a dispozitivului semiconductor de comutare, fie tranzistor, MOSFET, IGBT sau digital, a fost afectată de adăugarea unei diode freewheel pe sarcina inductivă, cu diode Schottky și Zener folosite în schimb în unele aplicații. Dar, în ultimii câțiva ani, diodele freewheel și-au recăpătat importanța datorită în principal caracteristicilor lor îmbunătățite de recuperare inversă și utilizării materialelor semiconductoare super-rapide capabile să funcționeze la frecvențe mari de comutare.

Alte tipuri de diode specializate care nu sunt incluse aici sunt fotodiode, diode PIN, diode de tunel și diode barieră Schottky. Prin adăugarea mai multor joncțiuni PN la structura de bază a diodelor cu două straturi pot fi realizate alte tipuri de dispozitive semiconductoare.

De exemplu, un dispozitiv semiconductor cu trei straturi devine un tranzistor, un dispozitiv semiconductor cu patru straturi devine un tiristor sau redresor controlat cu siliciu, iar dispozitivele cu cinci straturi cunoscute ca Triac sunt, de asemenea, disponibile.

În următorul tutorial despre diode, ne vom uita la dioda mare de semnal, denumită uneori diodă de putere. Diodele de putere sunt diode de siliciu proiectate pentru a fi utilizate în circuite de redresare de înaltă tensiune, de mare curent.