InfoNu.nl > Electronica > Geschiedenis > De diode, stroomkarakteristiek

De diode, stroomkarakteristiek

De diode, stroomkarakteristiek In een weerstand zijn de spanning en de stroom recht evenredig, beter bekend als de wet van Ohm. In een halfgeleider -zoals een diode- is het verband tussen spanning en stroom niet-lineair. Hoe meer spanning we aanbieden, des te groter de geleiding. De grafiek die dit gedrag weergeeft heet diodekarakteristiek. Als gevolg van het niet-lineaire verband, zullen periodieke signalen hinderlijke signaalcomponenten opleveren, de harmonischen.

wet van Ohm

- fig 1 - / Bron: Tronic- fig 1 - / Bron: Tronic
De wet van Ohm (voor een geleider met weerstand constant) luidt:

  • U = i R, of R= U / i
  • geleiding g = 1 / R = i / U

De grootheid U staat voor spanning (eenheid Volt), I voor stroomsterkte (Ampère), en R voor de weerstand (Ohm).Geleiders voldoen aan de wet van Ohm; gemakshalve gaat men ervan uit dat de weerstand constant is binnen een geleider (de ohmse weerstand neemt toe bij toenemende temperatuur).

Bij geleiders kan men denken aan metalen, vloeistoffen en zoutoplossingen. Materialen met hele hoge weerstand worden gebruikt om bijvoorbeeld elektrische kabels af te schermen; men gebruikt hier de niet-geleiding om de kabels elektrisch te 'isoleren' van de buitenwereld.

  • Voor halfgeleiders zoals dioden en transistoren geldt dat de elektrische weerstand afhankelijk is van de grootte van de aangeboden spanning U; des te hoger de aangeboden spanning U, des te beter de geleiding.
  • De eenvoudigste halfgeleider is de diode, die zich gedraagt als een elektronische eenrichtingsweg.

De diode

Halfgeleidend materiaal zoals silicium wordt gebruikt om diodes en transistoren te maken. Men kan de atomen in een plakje (slice) silicium doteren met een overschot of tekort aan elektronen, waardoor het p-type en n-type ontstaat.

- fig 2-  / Bron: Tronic- fig 2- / Bron: Tronic
Door een p-type en een n-type naast elkaar te fabriceren ontstaat de diode, de eenvoudigste component van de halfgeleiderfamilie. De diode kenmerkt zich door een doorlaat- en een sper-richting: de elektrische stroom in één richting wordt tegengehouden, en in de andere richting wordt doorgelaten als de spanning boven een drempelwaarde uitkomt.

Zie figuur 2, in de grenslaag tussen p-type en n-type is een elektrisch veld ontstaan waardoor in de sperrichting een barrière opgeworpen wordt die de elektrische stroom tegenhoudt. Deze barrière wordt groter als de ingangspanning negatiever wordt. In de doorlaatrichting -forward current- wordt de barrière overwonnen als de spanning de drempelwaarde overschrijdt.
Er zijn verschillende soorten diodes; het hierboven beschreven type noemt men de gelijkrichtdiode. Een wisselspanning zal de diode in doorlaat- en sper-richting zetten, waardoor slechts een helft van de spanning overblijft, dit noemt men gelijkrichten.

Een silicium diode heeft een doorlaat-spanning ongeveer 0,6 a 0,7 volt. als de spanning negatief is staat de diode in sper, en is de stroom gelijk aan nul. Zodra de spanning positiever wordt, en boven de 0,6 volt uitkomt, gaat de diode in geleiding. In doorlaat-richting is het verband tussen stroom en spanning:

  • I = Is ( exp ( U / nUt ) - 1)

met:
  • I = diode stroom
  • Is = reverse bias verzadigingsstroom
  • U = diode spanning
  • Ut = thermal spanning (=25.85 mV bij 300 K)
  • n = emissie coëfficiënt

- fig 3-  / Bron: Tronic- fig 3- / Bron: Tronic
Het verband tussen spanning en stroom is niet-lineair; de stroom zal exponentieel toenemen bij toename van de spanning. Wordt een diode opgenomen in een stroomkring dan zal de spanning zich instellen op een bepaald niveau, waarmee de stroom volgens bovenstaande formule wordt vastgelegd.

In figuur 3 (bovenste plaatje) is afgebeeld: een wisselspanning wordt aangeboden via een (serieel geschakelde) diode aan een belasting (weerstand R). De stroom door beide componenten is aan elkaar gelijk,dus daar waar de stroomkarakteristiek van de diode id en die van de weerstand ir elkaar snijden, stelt het systeem zich in. De amplitude van een wisselspanning varieert echter continu, daarom stelt de stroom zich telkens in op een zeker niveau.

Wanneer de spanning over de diode lager is dan 0,6 Volt zal de diode zal in de spertoestand staan. De spanning zal voor een halve periodetijd de ingangsspanning volgen en voor de andere halve periode gelijk aan nul zijn.

Gelijkrichters

Zie figuur 3 (onderste plaatje), er staat een wisselspanning op de output (secundaire zijde) van de transformator. De spanning op de middenaftakking levert continu stroom aan weerstand R. De stroomrichting door R is altijd dezelfde, zo wordt wisselspanning omgevormd tot een rimpelende spanning, met alleen positieve helften.

Niet-lineaire vervorming

- fig 4 - / Bron: Tronic- fig 4 - / Bron: Tronic
Als de informatie-inhoud van een signaal ongewenst groter wordt, dan is er sprake van niet-lineaire vervorming. Vaak wordt dit soort vervorming harmonische vervorming genoemd.

Wanneer een wisselspanning wordt aangeboden aan een gelijkrichter zal vanwege het niet-lineaire verband tussen diode-spanning en -stroom, de stroom niet-lineair reageren op de spanning. Dit veroorzaakt harmonische vervorming. De diodestroom wordt geschreven als een reeks termen met de diodespanning Ud.

  • I d = a * Ud + b * Ud ²+ c * Ud ³ + ....

Id = de diodestroom in [mA];
Ud = de diodespanning in [V];
a, b, c = constanten.

De grootte van de constanten a, b en c zijn afhankelijk van de ingestelde gelijkstroom en nemen met toenemende macht van de spanning sterk af. Is de ingangsspanning zuiver sinusvormig dan kunnen we hiervoor schrijven: Ui = Û * sinωT, substitueren in de vergelijking van Id levert de uitgangsspanning:

  • Uu = a Ûi * sinωt + b Ûi ² * sinω ² t

De eerste term is een zuiver sinusvormige spanning met amplitude aÛi. De tweede term is kwadratisch, dus niet-lineair, en is dus geen zuiver sinusvormige spanning. Goniometrie toepassen levert dat b Ûi ² * sinω ² t twee nieuwe signalen aan het oorspronkelijke toevoegt:

  • een gelijkspanning : 1/2 b Ûi ²
  • een wisselspanning : 1/2 b Ûi ² cos 2ωt

Wat betreft dit laatste, zeggen we dat er als gevolg van de vervorming een tweede harmonische is ontstaan. Er is een component met dubbele frequentie (2ωt) toegevoegd aan de oorspronkelijke sinusvormige ingangsspanning sinωt. Deze niet-lineaire vervorming is bij gelijkrichten niet gewenst.
© 2009 - 2017 Tronic, het auteursrecht van dit artikel ligt bij de infoteur. Zonder toestemming van de infoteur is vermenigvuldiging verboden.
Gerelateerde artikelen
Een halfgeleider, wat is het?Wat is een halfgeleider? De term word heel vaak in de kranten gehoord en ook bij producten komt hij ter sprake. Hieronde…
Halfgeleider theorieHalfgeleider theorieChips worden ook wel halfgeleiders of semiconductors genoemd, hiermee wordt bedoeld dat chips van halfgeleidermateriaal…
VermogenselektronicaElektronica werkt doorgaans met lage spanningen en zeer lage stromen. Dit is voordelig vanwege lage stroomverbruik. Het…
Gelijkrichter (diodes)Gelijkrichter (diodes)Vermogenselektronica wordt vaak gebruikt om wisselspanning van het spanningsnet (AC) om te zetten naar een bepaalde gewe…
Led verlichtingLed verlichtingAls iedereen wereldwijd zou overstappen op LED verlichting, zouden we gigantisch veel minder CO2 produceren. Waarom is d…
Bronnen en referenties
  • Inleidingsfoto: Tronic
  • Afbeelding bron 1: Tronic
  • Afbeelding bron 2: Tronic
  • Afbeelding bron 3: Tronic
  • Afbeelding bron 4: Tronic

Reageer op het artikel "De diode, stroomkarakteristiek"

Plaats als eerste een reactie, vraag of opmerking bij dit artikel. Reacties moeten voldoen aan de huisregels van InfoNu.
Meld mij aan voor de tweewekelijkse InfoNu nieuwsbrief
Infoteur: Tronic
Rubriek: Electronica
Subrubriek: Geschiedenis
Bronnen en referenties: 5
Schrijf mee!