Dit hoofdstuk behandelt halfgeleiders en dioden. Dioden zijn componenten die stroom maar in een richting doorlaten, waarmee je van wisselstroom gelijkstroom kunt maken. Dit is essentieel voor voedingsschakelingen van zenders en ontvangers.
Sommige materialen zijn geen echte geleiders en geen echte isolatoren: halfgeleiders. In hun pure vorm geleiden deze kristallen nauwelijks stroom, maar met een kleine chemische aanpassing krijgen ze bijzondere eigenschappen. De belangrijkste halfgeleiders zijn:
Pure halfgeleiderkristallen geleiden nauwelijks. Door kleine hoeveelheden "verontreiniging" (andere elementen) toe te voegen - een proces dat doteren heet - krijgen ze bijzondere geleidingseigenschappen. Het bijgemengde element heeft net iets meer of minder elektronen dan nodig om in het kristalrooster te passen, waardoor er mobiele ladingsdragers ontstaan.
"Gaten" zijn plaatsen waar een elektron ontbreekt - ze gedragen zich als positieve ladingsdragers omdat omliggende elektronen naar het gat kunnen springen, waardoor het gat lijkt te bewegen.
Het interessante gebeurt waar P- en N-materiaal aan elkaar grenzen: de PN-overgang of junctie. Dit is het hart van elke halfgeleiderdiode.
Op de grens tussen P en N:
Afhankelijk van hoe je een spanningsbron aansluit, kun je de uitputtingszone breder of smaller maken:
| Aansluiting | Effect | Resultaat |
|---|---|---|
| + aan N, - aan P | Ladingsdragers worden van de junctie weggetrokken, uitputtingszone wordt breder | Sperrichting - geen stroom |
| + aan P, - aan N | Ladingsdragers worden naar de junctie geduwd, uitputtingszone wordt smaller en verdwijnt | Doorlaatrichting - stroom loopt |
Een diode is een component met een PN-overgang. Het woord betekent letterlijk "tweeweg" (twee aansluitingen). Door de eigenschappen van de PN-overgang laat een diode stroom maar in een richting door.
Ezelsbruggetje KNAP: Kathode Negatief, Anode Positief (voor geleiding)
De doorlaatrichting (technische stroomrichting) is van anode naar kathode. In schema's wijst de "pijl" van het diodesymbool in de doorlaatrichting - de technische stroom volgt de pijl.
Een diode gaat niet meteen geleiden. Er moet eerst een kleine spanning in doorlaatrichting overheen staan om de uitputtingszone te overbruggen. Deze spanning is nodig om de elektronen en gaten voldoende energie te geven om de barriere te overwinnen.
Het verschil komt doordat de atomen van Si en Ge verschillende eigenschappen hebben. Si heeft een sterkere binding, waardoor meer energie (hogere spanning) nodig is.
Een ideale diode zou in sperrichting helemaal geen stroom doorlaten. In werkelijkheid loopt er een zeer kleine lekstroom. Dit komt doordat er altijd een paar elektronen genoeg energie hebben om toch over de barriere te komen:
De lekstroom neemt toe bij hogere temperatuur, omdat warmte de elektronen meer energie geeft. Dit is een van de redenen waarom germaniumdioden grotendeels zijn vervangen door siliciumdioden - Si is stabieler bij temperatuurwisselingen.
Bij stroom in doorlaatrichting veroorzaakt de drempelspanning (en enige interne weerstand) een klein vermogensverlies. De diode wordt daardoor een beetje warm:
Waarbij IF de voorwaartse stroom is (F van "Forward") en UD de spanning over de diode.
Bij verwaarlozing van de interne weerstand geldt voor een Si-diode: P ≈ IF × 0,6V
De uitputtingszone in een gesperde diode gedraagt zich als een dielektricum (isolerend materiaal). Aan weerszijden van deze zone bevinden zich de geleidende P- en N-gebieden. Dit lijkt op een condensator: twee geleidende platen met een isolator ertussen!
Dioden die speciaal hiervoor zijn ontworpen heten capaciteitsdioden of varicaps (variabele capaciteit). Ze worden gebruikt om frequenties elektronisch af te stemmen, bijvoorbeeld in radio-ontvangers. Door de spanning te varieren, verander je de capaciteit en daarmee de afgestemde frequentie.
Gelijkrichting is het omzetten van wisselspanning naar gelijkspanning. Dit is nodig omdat elektronische apparatuur (zenders, ontvangers) op gelijkspanning werkt, terwijl het lichtnet wisselspanning levert (230V, 50 Hz). Zonder gelijkrichter zou je geen netvoeding kunnen bouwen voor je zendapparatuur.
De eenvoudigste gelijkrichter gebruikt een diode:
Nadeel: er zijn "gaten" in de uitgangsspanning, wat een bromtoon veroorzaakt (50 Hz). Als je een radio hiermee zou voeden, zou je constant een zware brom horen.
Een bruggelijkrichter gebruikt vier dioden om beide halve perioden te benutten. Het slimme van deze schakeling is dat de negatieve halve perioden worden "omgeklapt" naar positief:
In de ene halve periode geleiden twee dioden (bijv. D1 en D3), in de andere halve periode de andere twee (D2 en D4). De stroom door de belasting loopt altijd dezelfde kant op, ongeacht welke twee dioden geleiden.
Om van de pulserende spanning een vlakke gelijkspanning te maken, wordt een condensator parallel aan de uitgang geplaatst:
Hoe groter de capaciteit en hoe kleiner de belastingsstroom, des te vlakker de spanning. De condensator fungeert als een "buffer" die energie opslaat tijdens de pieken en afgeeft tijdens de dalen.
Voor een echt vlakke gelijkspanning is een condensator vaak niet genoeg. Een klassiek afvlakfilter bestaat uit:
Dit filter is eigenlijk een laagdoorlaatfilter dat de wisselspanningsrimpel blokkeert en alleen de gelijkspanning (f = 0) doorlaat. De eerste condensator vlakt de pulsen af, de smoorspoel blokkeert de resterende rimpel, en de tweede condensator filtert de laatste restjes weg.
Een zenerdiode is een speciale diode die wordt gebruikt om een vaste spanning te maken. Het bijzondere: hij wordt in sperrichting aangesloten - precies andersom dan een normale diode!
Als de spanning over een diode in sperrichting groot genoeg wordt, gaat hij toch geleiden. Bij een normale diode is dit ongewenst (kan de diode kapotmaken door oververhitting), maar een zenerdiode is hiervoor speciaal ontworpen en kan dit zonder schade aan.
Een eenvoudige spanningsstabilisator met zenerdiode:
Deze eenvoudige schakeling is alleen geschikt voor kleine stromen (tientallen milliamperes). Voor grotere vermogens worden complexere stabilisatorschakelingen met transistors gebruikt, die de zenerdiode alleen als referentiespanning gebruiken.
| Type | Functie | Toepassing |
|---|---|---|
| Gelijkrichtdiode | Stroom in een richting doorlaten | Voedingen, gelijkrichters |
| Zenerdiode | Vaste spanning leveren (in sperrichting) | Spanningsstabilisatie |
| Capaciteitsdiode (varicap) | Spanningsafhankelijke capaciteit | Elektronische afstemming |