2.1. Хагас дамжуулагч 2.1.1. Хагас дамжуулагч

Температураас хамааран цахилгаан дамжуулал нь өөрчлөгддөг элементийг хагас дамжуулагч гэнэ. Хамгийн өргөн ашиглагддаг хагас дамжуулагч элемент бол цахиур. Иймээс хагас дамжуулагчийн шинж чанарыг судлаж үзэхийн тулд цахиурыг сонгон авч үзье. Цахиур нь гадаад давхаргадаа 4 электронтой буюу валентын 4 электронтой. /зураг 2.1/

зураг 2.1.

Цахиурын атом гадаад давхаргадаа 4 электронтой тул цахиурын өөр 4 атомтай ковалент холбоосыг үүсгэн холбогдоно. /зураг 2.2/

зураг 2.2.

Ийм замаар цахиур нь зэргэлдээх атомуудынхаа электронуудыг хамтран ашиглах замаар цахиурын кристаллыг үүсгэдэг. /зураг 2.3/

зураг 2.3.

Цельсийн 25 градуссд буюу тасалгааны температурт цахиурын кристаллаас электронууд сугаран гарснаар цахиурын кристаллд тодорхой тооны чөлөөт электронууд болон нүх үүснэ. Нүх гэдэгт цахиурын кристаллын бүтцэд электроны байрлах ёстой хоосон зайг ойлгоно. Тасалгааны температурт цахиурын кристаллаас электрон сугаран гарснаар чөлөөт электрон ба нүх үүсэх, чөлөөт электронууд цахиурын кристаллд гарсан нүхэнд эргэн байрлах үзэгдлүүд зэрэг явагдах бөгөөд ингэсний үр дүнд цахиурын кристаллд тодорхой тооны чөлөөт электрон ба нүх байнга үүсэж байх болно. /зураг 2.4/ Харин цельсийн –273 градус буюу тэг температурт хагас дамжуулагчид чөлөөт электрон болон нүх үүсэхгүй. Иймээс хагас дамжуулагч элементийн цахилгаан дамжуулал нь температураас шууд хамаардаг байна.

43

зураг 2.4. Хэрэв хагас дамжуулагчийн хоёр талыг хүчдлийн нэмэх хасах туйлтай холбовол энэхүү чөлөөт электрон болон нүхнүүд жигдрэн хөдөлснөөр хагас дамжуулагчаар гүйдэл гүйнэ. Чөлөөт электронууд хүчдлийн нэмэх туйлын зүг хөдлөх ба харин нүхнүүд нь хасах туйлын зүг шилжинэ. /зураг 2.5/

зураг 2.5.

Хагас дамжуулагч дахь нүхнүүд нь хүчдлийн хасах туйлын зүг шилжинэ. Нүх нь цахиурын кристаллд үүссэн электрон байрлах боломжтой хоосон зай. Иймээс нүх өөрөө чөлөөтэй хөдлөх боломжгүй. Нүхэн дамжуулалтыг ерөнхийд нь дараах байдлаар тайлбарладаг. Нүх хүчдлийн нэмэх туйлын ойролцоо гарсан гэж үзье. Тэгвэл тухайн нүхэнд ойр байрлах (хасах туйлтай харьцуулахад ойр байрлах) атомын валентын электрон сугаран гарч энэхүү нүхэнд шилжинэ. Ингэснээр нүх маань шилжиж электроноо алдсан тэр атомд шинээр нүх үүснэ. Дараагийн алхамд энэ нүхэнд түүнтэй ойр байрлах атомын электрон шилжин байрлана. Ингэх замаар нүх шилжсээр хүчдлийн хасах туйлын ойролцоо шилжиж ирнэ. Энэ үед хүчдлийн хасах туйлаас нүхэнд электрон шилжин орж байрлана. Харин нэмэх туйлын ойролцоо байсан атомаас электрон сугаран гарснаар нэмэх туйлын ойролцоо шинээр нүх үүснэ. Энэ нүх дээрх замаар шилжсэнээр хасах туйл уруу шилжинэ. Ийм маягаар нүхэн дамжуулалт явагддаг. Иймээс хагас дамжуулагчийг электрон ба нүхэн гэсэн хоёр төрлийн дамжуулалттай гэж үздэг. Тасалгааны температурт буюу 250C-д хагас дамжуулагчид байх чөлөөт электрон болон нүхний тоо маш цөөхөн байдаг учраас цахилгааныг муу дамжуулдаг. Ийм учраас хагас дамжуулагчийн цахилгаан дамжуулах чадварыг нь сайжруулахын зорилгоор түүнд хольц холино. Жишээлбэл цахиурын кристалд гадаад давхраандаа 3 электронтой элемент (жишээлбэл бор) болон гадаад давхараандаа 5 электронтой (жишээлбэл сурьма) зэрэг элементийг холих замаар илүү сайн цахилгаан дамжуулалтай хагас дамжуулагч элементүүдийг гарган авна. 1. Хагас дамжуулагч элементэд (жишээлбэл цахиур) гадаад давхраандаа 5 электронтой

элементийг (жишээлбэл сурьмаг) холиход хольсон элементийн нэг электрон нь цахиурын кристаллаас сугаран гарснаар хагас дамжуулагчид чөлөөт электронууд олноор үүсэх ба ийм хагас дамжуулагчийг n төрлийн хагас дамжуулагч гэнэ. Харин n төрлийн хагас дамжуулагчуудыг гарган авах зорилгоор хольсон элементийг (сурьмаг) донор гэнэ. n төрлийн хагас дамжуулагчуудын хувьд голлох цахилгаан дамжуулагч нь чөлөөт электронууд байна. /зураг 2.6/

зураг 2.6.

2. Хэрэв хагас дамжуулагч элементэд (жишээлбэл цахиур) гадаад давхраандаа 3 электронтой элементийг (жишээлбэл борын атом) холивол нүхнүүд олноор үүсэх бөгөөд ингэж гаргаж авсан хагас дамжуулагч элементийг p төрлийн хагас дамжуулагч гэнэ. р төрлийн хагас дамжуулагчийг гарган авахын тулд хольсон элементийг (борын атомыг) акцентор гэнэ. /зураг 2.7/

44

зураг 2.7.

2.1.2. Хагас дамжуулагчийн энергийн бүсүүд

Цахиурын хувьд энергийн 4 төвшинтэй. Энергийн 1 ба 2-р төвшин нь электроноор дүүрсэн байна. Валентын төвшинд цахиурын валентын электронууд байрлана. Харин дамжууллын төвшинд чөлөөт электронууд оршино. Тэг градуссд буюу цельсийн –2730-д хагас дамжуулагчид ямар нэгэн электрон болон нүх байхгүй байна. /зураг 2.8/

зураг 2.8.

Харин цельсийн +250-д энергийн валентын төвшнөөс зарим электронууд дамжууллын төвшинд шилждэг. Ингэснээр хагас дамжуулагчийн валентын төвшинд цөөн тооны нүх харин дамжууллын төвшинд мөн тийм тооны чөлөөт электрон үүснэ. /зураг 2.9/ Энэ чөлөөт электрон болон нүхний концентрац адилхан байх бөгөөд хагас дамжуулагч дахь цэнэг зөөгчдийн концентраци n2i=AT3⋅exp(–∆Ego/κT). Энд А – пропорционалийн коэффицент, Т – абсолют температур, κ – Больцманы тогтмол, ∆Ego – абсолют тэг температур дэх валентын ба дамжууллын төвшин хоорондох бүсийн өргөн /энэ бүсийг хориотой бүс ч гэж нэрлэдэг/. Энэ нь цахиурын хувьд 1.21эВ, германы хувьд 0.78эВ байна. Эдгээрийг тооцвол тасалгааны температурт /290К/ байгаа германы хувьд ni≈2⋅1013эл/см3, цахиурын хувьд ni≈1010эл/см3 концентрацтай цэнэг зөөгчид байна.

зураг 2.9.

Хэрэв хагас дамжуулагчийг хүчдэлд холбовол дамжууллын төвшинд байрлах электронууд хүчдлийн нэмэх туйлын зүг хөдлөх ба валентын төвшинд үүссэн нүхнүүд хүчдлийн хасах туйлын зүг шилжинэ. /зураг 2.10/

45

зураг 2.10.

1. Хагас дамжуулагчид гадаад давхраандаа 5 электронтой элемент болох донорыг холиход тэр нь цахиурын атомтай хамтран цахиурын кристаллыг үүсгэхдээ 1 электрон нь илүүдэж чөлөөт электроныг үүсдэг. Ингэснээр хагас дамжуулагчид хольсон донорын хэмжээтэй тэнцүү тооны чөлөөт электрон үүснэ. Ийм төрлийн хагас дамжуулагчийг n төрлийн хагас дамжуулагч гэнэ. n хагас дамжуулагчийн хувьд цельсийн –2730-д нүхгүй байна. /зураг 2.11/

зураг 2.11.

Цельсийн +250-д n хагас дамжуулагчийн валентын төвшинээс тодорхой тооны электронууд сугаран гарснаар валентын төвшинд нүх үүснэ. /зураг 2.12/

зураг 2.12.

Хэрэв хагас дамжуулагчид хольсон донорын концентрац хагас дамжуулагч дахь нүхний концентрацаас олон дахин их гэж үзвэл n хагас дамжуулагч дахь электроны концентрац n

n–ыг

донорын концентрац ND–тай адилхан гэж үзэж болно. nn≈ND.

n хагас дамжуулагч дахь нүхний концентрац pn, электроны концентрац n

n, нийт цэнэг зөөгчдийн

концентрац ni 3 дараах хамааралтай байна. ni2=nn⋅pn pn=ni

2/nn≈ni2/N

D

n хагас дамжуулагч дахь электроны концентрац нүхний концентрацаас олон дахин их /pn<<n

n/

байх тул электроныг үндсэн дамжуулагч, нүхийг үндсэн бус дамжуулагч гэж үзнэ. 2. Хагас дамжуулагчид гадаад давхраандаа 3 электронтой элемент акценторыг холиход нүх үүсдэг.

Ийм төрлийн хагас дамжуулагчийг р төрлийн хагас дамжуулагч гэнэ. р хагас дамжуулагчийн хувьд цельсийн –2730-д чөлөөт электронгүй байна. /зураг 2.13/

зураг 2.13.

46

Цельсийн +250-д р хагас дамжуулагчид тодорхой тооны электронууд атомаас сугаран гарч чөлөөт электрон болдог. /зураг 2.14/ Өөрөөр хэлбэл валентын төвшинд байсан электрон дамжууллын төвшинд шилжиж дамжууллын төвшинд энергитэй чөлөөт электронуудыг үүсгэдэг.

зураг 2.14.

Хэрэв хагас дамжуулагчид хольсон акценторын концентрац хагас дамжуулагч дахь электроны концентрацаас олон дахин их гэж үзвэл p хагас дамжуулагч дахь нүхний концентрац рp–ыг акценторын концентрац NА–тай адилхан гэж үзэж болно. рp≈NА. p хагас дамжуулагч дахь нүхний концентрац p

p, электроны концентрац n

p, нийт цэнэг зөөгчдийн

концентрац ni 3 дараах хамааралтай байна. n

i2=n

p⋅p

p n

p=n

i2/p

p≈n

i2/NA

p хагас дамжуулагч дахь электроны концентрац нүхний концентрацаас олон дахин бага /np<<p

p/

байх тул электроныг үндсэн бус дамжуулагч, нүхийг үндсэн дамжуулагч гэж үзнэ. Хагас дамжуулагчийн энергийн давмжууллын ба валентын төвшинг дамжууулын ба валентын бүс гэж нэрлэдэг бөгөөд тэдгээрийн хоорондох зайг хориотой бүс гэж нэрлэдэг. Өөрөөр хэлбэл хагас дамжуулагчийн дамжууллын бүсд чөлөөт электронууд, валентын бүсд валентын электронууд байрлах ба энэ хоёрын хоорондох хориотой бүсд электрон байхгүй байна. Тэгвэл дээрх 2 төрлийн хагас дамжуулагчуудын хувьд тэдгээрийн дамжууллын болон валентын бүс хэрхэн өөрчлөгдсөнийг 2.15-р зургаас харж болно.

зураг 2.15.

2.2.1. Хагас дамжуулагч диод

n болон р төрлийн хагас дамжуулагчийг хооронд нь нийлүүлэн хийсэн элементийг хагас дамжуулагч диод гэж нэрлэдэг. /зураг 2.16/

зураг 2.16.

Хоёр өөр төрлийн хагас дамжуулагчийн заагийн орчмын электрон болон нүхнүүд хоорондоо нэвчсэний үндсэн дээр эерэг сөрөг ионууд бүхий муж үүснэ. Үүнийг p-n шилжилт буюу электрон нүхний шилжилт гэнэ. /зураг 2.17/

47

зураг 2.17.

Өөрөөр хэлбэл 2 өөр дамжуулалттай хагас дамжуулагчуудыг хооронд нь нийлүүлэхэд р төрлийн хагас дамжуулагчийн зааг орчим байрлах нэг электрон дутуу атомууд n төрлийн хагас дамжуулагчийн зааг орчмын электронуудыг өөртөө шингээсний улмаас сөрөг цэнэгтэй ионууд, n төрлийн хагас дамжуулагчийн зааг орчим байрлах атомууд өөрсдийн валентын электроныг алдаж нэг электрон дутуу эерэг цэнэгтэй ионуудыг үүсгэнэ. Үүний улмаас хоёр өөр төрлийн хагас дамжуулагчийн зааг дээр потенциал барьер буюу саад үүсдэг. Тасалгааны температурт энэ саадны өндөр нь ойролцоогоор 0.7 вольт /хагас дамжуулагч элементээр цахиурыг сонгон авсан бол ойролцоогоор 0.6-0.7 вольт, германыг сонгон авсан бол 0.2-0.4 вольт орчим байна/ байдаг. Энэ саадны нөлөөгөөр n хагас дамжуулагчид байгаа чөлөөт электронууд p хагас дамжуулагч уруу нэвтэрч чаддаггүй.

2.2.2. Диодны энергийн бүсүүд

p ба n хагас дамжуулагчийг хооронд нийлүүлбэл тэдгээрийн зааг орчмын электрон болон нүхнүүд харилцан нэвчилсэний үндсэн эерэг сөрөг цэнэг бүхий ионууд үүснэ. Өөрөөр хэлбэл p хагас дамжуулагчийн гадаад давхараандаа электрон дутуу атомуудад 1 электрон нэмж ирж сууна. Үүнээс шалтгаалан 2 орчны зааг дээр тодорхой потенциалтай саад үүсдэг. Энэ саад нь өргөн нь тасалгааны температурт цахиурын хувьд 0.7v байна. Харин герсаны хувьд 0.23-0.3v байна. Энэ саадын улмаас n хагас дамжуулагчид байрлах дамжууллын төвшиний электронууд р хагас дамжуулагчийн муж уруу нэвтэрч чадахгүй. Мөн n хагас дамжуулагчийн валентын төвшиний электронууд р хагас дамжуулагчийн валентын төвшиний нүхнүүдэд шилжиж чадахгүй. /зураг 2.18/

зураг 2.18.

Хагас дамжуулагч диодны np шилжилтийн концентрацийн түгэлт, цэнэгийн түгэлт, потенциалын түгэлтийг 2.19-р зурагт үзүүлэв.

зураг 2.19.

48

2.2.3. Диодны тэмдэглэгээ

Хагас дамжуулагч диодыг хэлхээнд 2.20 зурагт дүрсэлсний дагуу тэмдэглэнэ.

зураг 2.20.

Хагас дамжуулагч диод нь гүйдлийг зөвхөн нэг чиглэлд л дамжуулдаг. /зураг 2.21/

зураг 2.21.

Өөрөөр хэлбэл хагас дамжуулагч диод нь р-ээс n гэсэн чиглэлд гүйдлийг дамжуулдаг. Тиймээс хагас дамжуулагч диодны р мужийг хүчдлийн нэмэх, n мужийг хүчдлийн хасах туйлтай холбож өгөх хэрэгтэй. Хагас дамжуулагч диодыг хэлхээнд ингэж холбохыг шууд холболт гэнэ. Харин хагас дамжуулагч диод нь n-ээс р уруу гэсэн чиглэлд гүйдлийг дамжуулдаггүй. Тиймээс хагас дамжуулагч диодны р мужийг хүчдлийн хасах, n мужийг хүчдлийн нэмэх туйлтай холбож өгсөн тохиолдолд хагас дамжуулагч диодоор гүйдэл гүйхгүй. Хагас дамжуулагч диодыг хэлхээнд ингэж холбохыг урвуу холболт гэнэ. Иймд хагас дамжуулагч диодыг хэлхээнд шууд холбосон тохиолдолд түүгээр гүйдэл гүйх ба урвуу холбосон тохиолдолд гүйдэл гүйдэггүй байна. /зураг 2.22/

зураг 2.22.

Хагас дамжуулагч диодын шууд холболтын үед n хагас дамжуулагчийн дамжууллын бүсд байрлах электронуудын энерги ихэссэнээр (n хагас дамжуулагчийн электронууд р мужийн нэмэх туйлд татагдсанаар) р хагас дамжуулагчийн дамжууллын бүс уруу нэвтрэх боломжтой болно. Ингэснээр диодыг хэлхээнд шууд холбож өгвөл түүгээр гүйдэл гүйдэг байна. Мөн түүнчлэн n хагас дамжуулагчийн валентын бүсийн электронууд р хагас дамжуулагчийн валентын бүсд байгаа нүхнүүдэд шилжсэнээр р хагас дамжуулагчийн нүхнүүд n хагас дамжуулагчийн зүг шилжих боломжтой болно. /зураг 2.23/ Ингэж хагас дамжуулагчийг хэлхээнд шууд холбовол түүгээр нүхэн ба электронон дамжуулалт явагдах боломжтой болно.

49

зураг 2.23.

Хагас дамжуулагч диодын урвуу холболтын үед n хагас дамжуулагчийн электронууд n мужийн хүчдлийн нэмэх туйлд татагдсанаар 2 орчны потенциал саадны өргөн ихэснэ. Мөн түүнчлэн n хагас дамжуулагчийн валентын бүсд байрлах электронууд мөн хүчдлийн нэмэх туйлд татагдана. Ингэснээр хагас дамжуулагчийн хэлхээнд урвуу холбовол түүгээр гүйдэл гүйдэггүй байна. /зураг 2.24/

зураг 2.24.

2.2.4. Диодны характеристик

1. Хэлхээнд цуваа залгасан нэг резистороос тогтох хэлхээг /зураг 2.25/ сонгон авч резистор дээрх хүчдэл гүйдлийн хамаарлыг судалья.

зураг 2.25.

Дээрх хэлхээний резистороор гүйх гүйдэл, түүн дээр унах хүчдэл 2 хоорондоо шууд хамааралтай байна. /зураг 2.26/

зураг 2.26.

2. Резистор болон диодыг цуваа холбосон хэлхээг авч үзье. Хэрэв хагас дамжуулагч диодны р мужийг нэмэх, n мужийг хүчдлийн хасах туйлтай холбовол n мужийн электронууд хангалттай энергитэй болсноор n-p шилжилтийн потенциал саадыг давж р мужид нэвтрэн орсноор диодоор гүйдэл гүйнэ. Диодыг хэлхээнд ингэж холбосныг шууд холболт гэнэ. Шууд холболтын үед хэрэв диодыг хагас дамжуулагч цахиурыг ашиглан хийсэн бол диод дээр ойролцоогоор 0.7 вольтын хүчдэл унана. Диодны шууд холбтын үеийн вольт

50

амперийн характеристикийг 2.27-р зурагт үзүүлэв. Энд диодон дээр унах хүчдлийн нэмэх муж нь шууд холболтын мужид хамаарах ба энэ үед диод дээр ойролцоогоор 0.7v хүчдэл унана.

зураг 2.27.

Хэрэв диодны р мужийг сөрөг, n мужийг хүчдлийн эерэг туйлтай холбоход n мужийн электронууд нэмэх туйлд, p мужийн нүхнүүд хасах туйлд татагдаж p-n шилжилтийн потенциал саадны хэмжээ ихэснэ. Ингэснээр диодоор гүйдэл гүйхгүй. Диодыг хэлхээнд ингэж холбосныг диодны урвуу холболт гэнэ. Диодны урвуу холболтын вольт амперийн характеристикийг 2.28-р зурагт үзүүлэв. Энд диодон дээр унах хүчдлийн хасах муж нь урвуу холболтын мужид хамаарах ба энэ үед диодоор гүйдэл гүйхгүй.

зураг 2.28.

Гэвч бодит тохиолдолд урвуу холболтын үед диодоор гүйдэл гүйдэг. Гэхдээ энэ нь маш бага хэмжээтэй байна. /зураг 2.29/

1. Урвуу холболтын үед маш цөөн тооны электронууд n-p шилжилтийн мужид байрлах ионуудаас сугаран гарч нэмэх туйлын зүг хөдөлдөг. Энэ электрон сугарч гарснаас үүсэх нүхийг n мужид байрлах электронууд нөхнө. Хүчдлийн хэмжээг ихэсгэхэд мөн энэ гүйдлийн хэмжээ ихэснэ.

2. Захын атомууд элекроны дутагдалтай учраас диодны зах орчимд нүхнүүд үүссэн байдаг. Тэгвэл эдгээр нүхнүүдийг ашиглан нүхэн дамжуулалт явагдана. Гэхдээ энэ нь бас маш бага хэмжээтэй байна.

Урвуу хүчдлийг хангалттай их хэмжээнд өгөхөд тодорхой нэг утгаас диодод чөлөөт электронууд гэнэт ихээр үүсдэг. Энэ нь гаднаас орж ирсэн хангалттай их энергитэй электрон замдаа тааралдсан атомуудыг мөргөж түүнээс сарнихдаа атомаас валентын электроныг нь сугалан гаргадаг. Энэхүү сугарч гарсан электрон нь хангалттай их энергитэй байх учраас мөн өөрийн замд тааралдсан атомтай мөргөлдөж түүнээс электроныг сугална. Ингэх замаар диодод чөлөөт электрон болон нүх хангалттай ихээр үүснэ. Энэ үзэгдлийг нурангын буюу alavanche эффект гэнэ.

зураг 2.29.

Диодны вольт-амперийн характеристикийн муруйнаас дараах дүгнэлтүүдийг хийж болно. Диодны шууд холболтын үед 0.7 вольт орчмоос диод нээгдэж түүгээр гүйдэл гүйнэ. Энэ утгыг диодны босго гэж нэрлэнэ. Хэрэв диодоор гүйх гүйдлийг цаашид ихэсгэвэл диод гүйдлийн тодорхой нэг утганд нэвт цохигдон нээлттэй болно. Энэ үед диодон дахь n-p шилжилтийн муж үгүй болно. Гүйдлийн энэ утгыг burnout гүйдэл гэнэ.

51

Диодны урвуу холболтын үед маш бага хэмжээний гүйдэл гүйх бөгөөд энэ мужийг leakage гэнэ. Хэрэв диодны урвуу холболтын хүчдлийг цаашид нэмвэл хүчдлийн тодорхой нэг утгаас диод нээгдэж диодоор гүйдэл гүйнэ. Үүнийг диодны урвуу хүчдэл буюу breakdown voltage гэнэ. Үүнээс цааш диодоор гүйх гүйдлийг ихэсгэхэд гүйдлийн тодорхой утгаас n-p шилжилт алга болж диод нэвт цохигдон нээгдэнэ. Үүнийг диодоор гүйх гүйдлийн хязгаар буюу burnout гэнэ.

Бодит тохиолдолд диодны вольт-амперийн характеристик нь дараах хэлбэртэй байна. /зураг 2.30/

зураг 2.30.

2.2.5. Диодыг загварчлах

Диодны ажиллах зарчмыг сайн мэдэхийн тулд түүнийг тодорхой хялбар схемүүдээр төлөөлүүлэн үздэг. Ингэх нь диодны ажиллах зарчмыг ойлгоход хялбар дөхөмтэйгээс гадна тооцоог хийхэд амар болно. Энд диодны 3 хялбар схемийг авч үзье.

1. Идеал диод: энэ загварт диодыг шууд холболтын үед хаалттай, урвуу холболтын үед нээлттай байдаг switch-ээр төлөөлүүлэн үзнэ. Иймээс идеал диодны вольт-амперийн характеристик болон төлөөлүүлэх схемийг 2.31-р зурагт үзүүлэв.

зураг 2.31.

2. 2-р ойролцооллоор диодыг загварчлах: энд диод нь шууд холболтын үед хүчдлийн тодорхой утганаас буюу 0.7 вольтоос эхлэн нээгддэг болохыг тооцсон загвар. /зураг 2.32/

зураг 2.32.

3. 3-р ойролцооллоор диодыг загварчлах: энд диодны шууд холболтын үед диодны вольт-амперийн характеристик нь босоо шулуун бус налуу байдгийг тооцсон загвар. /зураг 2.33/

зураг 2.33.

3-р ойролцооллоор диодыг загварчлах үед диодыг тодорхой резистор, баттерей, switch 3-аас тогтсон схемээр төлөөлүүлэн үздэг. Диодны энэ загварт ашиглагдаж байгаа резисторын эсэргүүцлийн хэмжээг диодны вольт-амперийн характеристикээс тодорхойлж болдог бөгөөд энэ эсэргүүцлийн хэмжээ 3 ом-оос хэтэрдэггүй. /зураг 2.34/

52

зураг 2.34.

Жишээ 2.1. 1N4001 диодны хувьд энэ эсэргүүцлийн хэмжээг тооцож гаргая. /зураг 2.35/

зураг 2.35.

Дээрх 3 загварыг ашиглан хэрхэн тооцоо хийхийг үзье. Жишээ 2.2. /зураг 2.36/

зураг 2.36.

1. Хэрэв диодыг идеал гэж үзвэл дээрх хэлхээг дараах загвараар орлуулж болно. /зураг 2.37/ Энэ үед диод шууд холболтоор холбогдсон байх тул switch хаалттай байна.:

IL=10v/1k=10mA VL=10v PL=10v⋅10mA=100mW P =0⋅10mA=0 D

P=PL+PD=100mW

зураг 2.37. 2. Диодыг 2-р ойролцооллоор загварчлах буюу баттерей болон switch-ээс тогтсон систем гэж

үзье. /зураг 2.38/

IL=(10v-0.7v)/1k=9.3mA VL=1k⋅9.3mA=9.3v PL=9.3v⋅9.3mA=86.5mW PD=0.7v⋅9.3mA=6.51mW P=PL+PD=86.5mW+6.51mW=93mW

зураг 2.38. 3. Диодыг 3-р ойролцооллоор загварчлах буюу баттерей, резистор, switch-ээс тогтсон гэж үзвэл:

/зураг 2.39/

IL=(10v-0.7v)/(0.23ohm+1kohm)≈9.3mA VL=1k⋅9.3mA=9.3v

зураг 2.39.

Ачааны эсэргүүцэл нь диодынхтой харьцуулахад харьцангуй их байх үед энэ загварчлал нь 2-р ойролцооллоор загварчлахтай адилхан байна. Харин ачааны эсэргүүцлийг 1kohm-оос 10ohm болгон өөрчилье. /зураг 2.40/

IL=(10v-0.7v)/(0.23ohm+10ohm)≈909mA VL=909mA⋅10ohm=9.09v VD=0.7v+909mA⋅0.23ohm=0.91v

зураг 2.40.

Эндээс үзвэл диодны 2 ба 3-р ойролцоолол нь ачааны эсэргүүцлийн хэмжээ диодны эсэргүүцлээс их байх үед бараг адилхан байна. Харин ачааны эсэргүүцлийн хэмжээ диодны эсэргүүцэлтэй нэг

53

эрэмбийн байхад диодыг 3 загвараар ойролцоолох нь илүү ашигтай байдаг байна. Иймээс диодны 3-р загварыг ачааны эсэргүүцлийн хэмжээ диодны эсэргүүцлийн хэмжээтэй ойролцоо байх үед ашиглана.

зураг 2.41.

Эхний 2 диодыг шулуутгагчид ашиглана. /зураг 2.41/ Учир нь эдгээр диодууд нь 1-6А-т ажиллах чадвартай. 3-р диодыг ихэвчлэн switch-д ашиглана. Учир нь маш хурдан хугацаанд нээгдэж хаагддаг. Гэхдээ хамгийн ихдээ 120mA-д ажиллах чадвартай. 4-р диодын ажлын муж нь 6V, 30mA

2.2.6. Диод ашигласан тайрагч хэлхээ

Дараах хэлхээг диодны clipper буюу тайрагч хэлхээ гэдэг. /зураг 2.42/

зураг 2.42.

Энэ хэлхээ нь оролтын хүчдлийн нэмэх хэсгийг нь V+0.7v-оор тайрна. Харин R резистор нь диодоор гүйх гүйдлийг хязгаарлах зорилготой.

Жишээ 2.3. /зураг 2.43/

зураг 2.43.

2.2.7. Диодны шулуутгагчийн хэлхээ

Ороомгоор хувьсах гүйдлийг дамжуулахад түүний эргэн тойронд үүссэн хувьсах соронзон орны нөлөөгөөр түүнтэй зэрэгцээ байрлах ороомогт хувьсах цахилгаан орон үүсэж гүйдэл гүйдэг. Ороомгийн энэ шинж чанарыг ашиглан трансформаторыг хийдэг. 1. Нэг ба хоёрдугаар ороомгийн ороодсын тоо нь тэнцүү N1=N2 (1:1) трансформаторыг сонгон

авч 1-р ороомогт хувьсах 120v-ийн 60Hz давтамжтай хүчдэл үүсгэгчийг залгая. 2 ороомгийн ороодсын тоо тэнцүү учир 2-р ороомгоор 1-р ороомгийнхтой адилхан далайцтай, 60Hz-ийн (үе нь 1/60Hz=16.7ms) гүйдэл гүйнэ. /зураг 2.44/ Энд 120v нь хувьсах хүчдлийн эффектив буюу rms хүчдэл тул хувьсах хүчдлийн далайц нь 120v⋅1.414=170v байна.

зураг 2.44.

54

2. 5:1 (1-р ороомгийн ороодсын тоо нь 2-р ороомгийн ороодсын тооноос 5 дахин их) трансформаторыг сонгон авья. Энэ тохиолдолд 2-р ороомгоор 1-рийнхээс 5 дахин бага далайцтай, адил давтамжтай гүйдэл гүйнэ. /зураг 2.45/

зураг 2.45.

3. Дээрх трансформаторт диодыг цуваа залгая. Энэ хэлхээг диодны хагас шулуутгагчийн хэлхээ гэнэ. Сигналын нэмэх хэсэгт диод шууд холбогдох тул диодоор гүйдэл гүйх бөгөөд оролтын хүчдэл диод ба эсэргүүцэл дээр хуваагдаж унана. Хэрэв диодыг идеал гэж үзвэл диод дээр унах хүчдэл нь 0 байх тул оролтын бүх хүчдэл эсэргүүцэл дээр унана. Харин диодыг 2 ба 3-р ойролцооллоор загварчилбал нээлттэй байх үед диод дээр ойролцоогоор 0.7v хүчдэл унах тул эсэргүүцэл дээрх хүчдэл 34v-0.7v=33.3v байна. Харин сигналын хасах хэсэгт диод хаалттай байх тул эсэргүүцлээр гүйдэл гүйхгүй учраас эсэргүүцэл дээр унах хүчдэл 0 байна. Иймээс хагас шулуутгагч нь зөвхөн сигналын нэмэх хэсгийг нэвтрүүлдэг байна. /зураг 2.46/

зураг 2.46.

4. Трансформаторын гаралтанд диодыг дараах байдлаар холбое. Үүнийг диодны бүтэн шулуутгагчийн хэлхээ гэнэ. Сигналын нэмэх хэсэгт D1 диод, хасах хэсэгт D2 диод нээгдэнэ. Иймээс ачаа нь дээрх хүчдэл нь дараах хэлбэртэй байна. /зураг 2.47/ Энд трансформаторын эсэргүүцлийн хэмжээ нь ачааны эсэргүүцлээс олон дахин бага тул 2 ба 3-р ойролцооллоор диодыг загварчлах нь адилхан байна.

55

зураг 2.47.

5. Трансформаторын гаралтанд диодыг дараах хэлбэрээр холбоё. /зураг 2.48/ Үүнийг диодны гүүр гэж нэрлэнэ. Оролтын сигналын нэмэх хэсэгт D1, D3 диодууд, хасах хэсэгт D2, D4 диодууд нээлттэй байна. Иймээс ачаан дээрх хүчдэл нь 2.48-р зурагт үзүүлсэн хэлбэртэй байна. Энд диодыг 2 ба 3-р ойролцооллоор загварчлахад 2 диод нээлттэй тул ачаан дээрх хүчдэл нь оролтын хүчдлээс 2 диодон дээр унах хүчдлийн хэмжээгээр багассан байна.

зураг 2.48.

6. Диодны хагас шулуутгагчийн хэлхээний ачааны резисторыг конденсатороор солъё. Сигналын нэмэх хэсэгт диод нээлттэй байх тул түүгээр гүйдэл гүйнэ. Энэ үед конденсатор цэнэглэгдэж эхлэх бөгөөд сигналын эхний пик хүрэх хугацаанд конденсатор цэнэглэгдэнэ. /зураг 2.49/

зураг 2.49.

Сигнал пикээсээ буух үед конденсатор цэнэгээ алдахгүй тул ачаан дээрх хүчдэл хэвээр байна. Сигналын хасах хэсэгт диод хаагдах боловч конденсатор цэнэгээ алдахгүй тул ачааны хүчдэл мөн л хэвээр байна. Иймээс ачаан дээрх хүчдэл дараах хэлбэртэй байна. /зураг 2.50/

56

зураг 2.50.

7. Ачаанд 50 омын эсэргүүцлийг нэмж зэрэгцээ залгая. Сигналын нэмэх хэсэгт диод нээлттэй байна. Иймээс диодоор гүйдэл гүйх бөгөөд конденсатор сигнал пикдээ хүрэх хугацаанд цэнэглэгдэнэ. Сигнал пикээсээ буух үед конденсатор эсэргүүцлээр дамжуулан цэнэгээ алдах тул ачааны хүчдэл багасна. Хэрэв конденсаторын цэнэгээ алдах хурд сигналын пикээсээ буух хурдаас бага бол /өөрөөр хэлбэл конденсатор сигналын үеийн ¼-ээс их хугацаанд цэнэгээ алдаж байвал/ ачаан дээрх хүчдэл конденсаторын цэнэгээ алдах хуулийн дагуу өөрчлөгдөнө. Харин конденсаторын цэнэгээ алдах хурд сигналын пикээсээ буух хурдаас их бол /өөрөөр хэлбэл конденсатор маш хурдан хугацаанд цэнэгээ алддаг бол/ ачааны хүчдэл синусын хуулиар өөрчлөгдөнө. Бидний сонгож авсан жишээ бол эхний тохиолдол буюу конденсатор сигналын үетэй харьцуулахад харьцангуй удаан хугацаанд цэнэгээ алддаг тохиолдлыг авч үзсэн. Сигналын хасах хэсэгт диод хаагдах боловч конденсатор мөн л цэнэгээ алдсаар байна. Сигналын нэмэх хэсэгт диод дахин нээгдэнэ. Ингээд конденсатор сигнал пикдээ хүрэх хугацаанд дахин цэнэглэгдэнэ. Иймээс гаралтын хүчдэл нь дараах хэлбэртэй байна. /зураг 2.51/ Энд хэлхээний хугацааны тогтмол нь RC=470µF⋅50ohm=23.5ms байна. Иймээс 5RC=5ּ470µF⋅50ohm=117.5ms хугацаанд конденсатор цэнэглэгдэх болон цэнэгээ алдана. Тэгвэл сигналын үе нь 16.7ms. Эндээс үзвэл ачааны хүчдэл конденсаторын цэнэгээ алдах процесстой хамааралтайгаар буурна. Иймээс дараагийн сигнал ирэхээс өмнө конденсатор цэнэгийнхээ 30 орчим хувийг л алдах болно. Харин конденсатор цэнэглэгдэхдээ синусын хуулийн дагуу цэнэглэгдэнэ. Учир нь конденсаторын цэнэглэгдэх хурд сигналын үеэс олон дахин их.

зураг 2.51.

8. Ачааны резисторын эсэргүүцлийг 1ком хүртэл нэмэгдүүлье. Энэ үед конденсаторын цэнэгээ алдах хугацаа ихэснэ. Иймээс конденсатор цэнэгээ бараг алдаж амжаагүй байх үед дараагийн нэмэх сигнал ирнэ. Иймд ачаа дээрх хүчдэл нь бараг тогтмол юм шиг байна. /зураг 2.52/ Энд хэлхээний хугацааны тогтмол нь RC=470µF⋅1kohm=470ms байна. Иймээс 5RC=5ּ470µF⋅1kohm=2350ms хугацаанд конденсатор цэнэглэгдэх болон цэнэгээ алдана. Тэгвэл сигналын үе нь 16.7ms. Иймээс дараагийн сигнал ирэхээс өмнө конденсатор цэнэгээ бараг алдахгүй гэж үзэж болно.

57

зураг 2.52.

9. Диодны бүтэн шулуутгагчийн хэлхээний ачааны резисторыг конденсатораар солъё. Энэ үед сигналын нэмэх хэсэгт D1 нээлттэй байх бөгөөд энэ үед сигнал пикдээ хүрэх хугацаанд конденсатор цэнэглэгдэнэ. Сигнал пикээсээ буух үед конденсатор цэнэгээ алдахгүй учир гаралтын сигнал хэвээр байна. сигналын хасах хэсэгт D2 диод нээгдэх боловч конденсатор дахин цэнэглэгдэх болон цэнэгээ алдахгүй учир гаралтын сигнал хэвээр байна. /зураг 2.53/

зураг 2.53.

10. Ачаанд 50 омын эсэргүүцлийг зэрэгцээ залгая. Энэ тохиолдолд сигналын нэмэх хэсэгт D1 диод нээлттэй байна. Сигнал пикдээ хүрэх хугацаанд конденсатор цэнэглэгдэнэ. Сигнал пикээсээ буух үед конденсатор эсэргүүцлээр дамжуулан цэнэгээ алдана. Сигналын хасах хэсэгт D2 диод нээгдэнэ. Ингээд конденсатор сигнал пикдээ хүрэх хугацаанд дахин цэнэглэгдэнэ. Иймээс ачаа дээрх хүчдэл нь дараах хэлбэртэй байна. /2.54/ Энд хэлхээний хугацааны тогтмол нь RC=470µ⋅50ohm=23.5ms байна. Тэгвэл сигналын үе нь 16.7ms. Иймээс дараагийн сигнал ирэхээс өмнө конденсатор цэнэгийнхээ 30 орчим хувийг л л алдах болно. Конденсатор 5⋅23.5ms=117.5ms хугацаанд цэнэгээ бүрэн алдана.

зураг 2.54.

11. Ачааны резисторын эсэргүүцлийг 1ком хүртэл нэмэгдүүлье. Энэ үед конденсаторын цэнэгээ алдах хугацаа ихэснэ. Иймээс конденсатор цэнэгээ бараг алдаж амжаагүй байх үед дараагийн сигнал хүрэлцэн ирнэ. Иймд ачаа дээрх хүчдэл нь бараг өөрчлөгдөхгүй. /зураг 2.55/ Энд хэлхээний хугацааны тогтмол нь RC=470µ⋅1kohm=470ms байна. Тэгвэл сигналын үе нь 16.7ms. Иймээс дараагийн сигнал ирэхээс өмнө конденсатор цэнэгээ бараг алдахгүй гэж үзэж болно.

58

зураг 2.55.

зураг 2.56.

Баруун талаас нь: /зураг 2.56/ Цилиндр хэлбэртэй, 1A-т ажиллах чадвартай. Хавтгай хэлбэртэй 4A-т ажиллах чадвартай.

Өндөр хүчдлийн диодны гүүр. /зураг 2.57/ Энэ диодны ажлын муж нь 15А, 400V

зураг 2.57.

2.3. Хагас дамжуулагч диодны бусад төрлүүд 2.3.1. Light Emitting Diode (LED)

Зарим төрлийн хагас дамжуулагч диодуудын хувьд 3-6 вольтын шууд хүчдэл өгөх үед n хагас дамжуулагчийн электронууд потенциал саадыг давж р хагас дамжуулагчийн мужид орохдоо энэ мужид орших электрон дутуу атомуудад шингээгддэг. Иймээс атомууд нь эдгээр n мужаас ирсэн электронуудыг шингээхдээ илүүдэл энергиэ үзэгдэх гэрлийн мужид энергитэй гамма цацруулах замаар алдана. Ингэснээр диод улаан, ногоон г.м өнгөөр гэрэлтэнэ. /зураг 2.58/ Ямар өнгөөр гэрэлтэх эсэхийг нь сонгон авсан материалын төрлөөс буюу p хагас дамжуулагчийн сонгон авсан элементээс хамаарна.

зураг 2.58.

Иймээс LED-ийг хэлхээнд шууд холбосон үед гэрэлтэнэ. /зураг 2.59/

зураг 2.59.

59

LED-ийг хэлхээнд ихэвчлэн тэжээлийн хүчдлийн нэмэх хасах туйлыг олоход ашиглана. Жишээ 2.4.

2.60-р зурагт үзүүлсэн хэлхээний switch тэжээлийн +5v туйлтай холбоотой үед LED гэрэлтэнэ. Харин –5v-той холбоотой үед асахгүй. LED дээр 2v хүчдэл унана гэвэл хэлхээгээр 3mA гүйдэл гүйнэ. Иймээс үүнийг тэжээлийн хүчдэл зөв залгагдсан эсэхийг мэдэхэд ашигладаг.

зураг 2.60.

Тэжээлийн хүчдлийг 15v болгон ихэсгэвэл LED дээр 2v, резистор дээр 13v хүчдэл унах учраас хэлхээгээр 13mA гүйдэл гүйж гүйдэл ихэснэ. /зураг 2.61/ Иймээс LED-ийн гэрэлтэлт улам тодорно.

зураг 2.61.

Резисторын эсэргүүцлийн хэмжээг 4.7kohm болгон ихэсгэвэл гүйдэл (15v-2v)/4.7kohm=2.77mA болж буурна. /зураг 2.62/ Ингэснээр LED-ийн гэрэлтэлт багасна.

зураг 2.62.

LED-ийн өөр нэг хэрэглээ нь 7 сегменттэй дэлгэц. Энэ хэлхээнд 7 LED орох бөгөөд S switch нээлттэй, хаалттай байхаас дэлгэцэнд гэрэлтэх дүрс өөрчлөгдөнө. /зураг 2.63/

зураг 2.63.

Жишээлбэл S1, S2, S3, S4, S5, S6 switch-үүд хаалттай үед дэлгэцэнд 0-ийн тоо гэрэлтэнэ. /зураг 2.64/

зураг 2.64.

S2, S3-р switch хаалттай үед 1-ийн тоо гэрэлтэнэ. Ийм замаар 0-ээс 9 хүртлэх тоог гарган авч болно. /зураг 2.65/

60

зураг 2.65.

зураг 2.66.

Баруун талаас нь: /зураг 2.66/ Эхнийх нь улаан ногоон LED-үүдийг хослуулан ашигласан хувилбар Үлдсэн 3 нь 2 хөлтэй ногоон, улаан LED-үүд. Энд LED-үүдийн хөлийг анхаарах хэрэгтэй. Шинэ LED-ийн хөлний нэг нь урт, нөгөө нь богино байдаг, урт хөл нь анодыг, богино хөл нь катодыг заана. Мөн улаан LED-ийн босгын хүчдэл 1.7v, инфраулаан LED-ийнх 1.2v, хөх LED-ийнх 3.4v, улаан, ногоон, шар LED-ийнх 2.1v тус тус байдаг.

2.3.2. Фотодиод

Фотодиод нь диодын n-p шилжилтийн мужийг гэрэлтүүлэхэд энэ мужид байрлах атомын электрон гэрлийг шингээн авснаар атомаас сугарч гарах ба энэ электроны байх ёстой байранд n мужаас электрон нөхөн ирж байрлах үзэгдэлд үндэслэгдэнэ. Жишээлбэл фотодиодыг хэлхээнд урвуу холбосон дараах хэлхээг авч үзье. /зураг 2.67/ Фотодиод дээр гэрэл тусгаагүй байх үед түүгээр гүйдэл гүйхгүй. Харин гэрэл тусгавал гүйдэл гүйнэ. Гэрэл тусгасны улмаас фотодиодоор 0.04mA гүйдэл гүйсэн гэж үзвэл фотодиод дээр 10v–100kohm⋅0.04mA=6v хүчдэл унах болно.

зураг 2.67.

Фотодиод дээр тусах гэрлийн эрчмийг багасгавал фотодиодоор гүйх гүйдэл багасна. Хэрэв фотодиодоор гүйх гүйдлийг түүн дээр тусах гэрлийн эрчмийг багасгах замаар 0.02mA болтол багасгавал фотодиод дээр унах хүчдэл 10v–100kohm⋅0.02mA=8v болтол ихэснэ. /зураг 2.68/

зураг 2.68.

Фотодиод болон LED-ийн дараах хэлхээг авч үзье. /зураг 2.69/ LED-ээр (10v–2v)/1kohm=8mA гүйдэл гүйнэ. LED-ээс гарах гэрлийн нөлөөгөөр фотодиодоор 0.04mA орчим гүйдэл гүйнэ. Иймээс фотодиод дээр 10v–0.04mA⋅100kohm=6v хүчдэл уана.

зураг 2.69.

61

Хэрэв эхний хэлхээний тэжээлийн хчдлийг 18v болгон ихэсгэвэл LED-ээр (18v–2v)/1kohm=16mA гүйдэл гүйнэ. Ингэсэнээр LED-ээс гарах гэрлийн эрчим ихэснэ. Иймээс фотодиод дээр тусах гэрлийн эрчим нэмэгдэнэ. Үүний улмаас фотодиодоор гүйх гүйдэл ихэснэ. Фотодиодоор гүйх гүйдэл ихсэх тул фотоддиод дээр унах хүчдэл багасна. /зураг 2.70/

зураг 2.70.

2.3.3. Варискап

Диодны n, p мужийг хоорондоо диэлектрикээр тусгаарлагдсан конденсаторын параллель ялтаснуудтай адилтгаж үздэг диодыг варискап гэнэ. Диодны урвуу хүчдлийг ихэсгэхэд n–p шилжилтийн өргөн ихэснэ. Ингэснээр диодыг конденсатортай адилтгаж үзвэл урвуу хүчдлийг ихэсгэснээр диодны багтаамж багасна. Жишээлбэл 1N5142 диодны хувьд хяналтын хүчдэл V нь 4v байх үед багтаамж нь 15pF байх ба хяналтын хүчдлийг ихэсгэхэд багтаамж буурч 60v болоход 5pF болно. Иймээс варискапыг хэлхээнд урвуу холбосон тохиолдолд урвуу хүчдлийн хэмжээг ихэсгэх, багасгах замаар түүний багтаамжийг өөрчилж болдог конденсатораар төлөөлүүлэн үзэж болно. /зураг 2.71/

зураг 2.71.

2.3.4. Скотын диод

Энгийн шулуутгагч диод ашигласан хагас шулуутгагчийн хэлхээгээр өндөр давтамжийн гүйдлийг дамжуулахад негатив сүүл үүсдэг. Өөрөөр хэлбэл энгийн хагас дамжуулагч диод ашигласан хагас шулуутгагчийг 1MHz-ээс бага давтамжтай сигналыг шулуутгахад ашигладаг. 1MHz давтамжаас их давтамжтай сигналын хувьд негатив сүүл үүснэ. /зураг 2.72/

зураг 2.72.

Скотын диод нь энгийн диодны энэ дутагдлыг арилгах зорилгоор гарч ирсэн бөгөөд 1–300MHz давтамжтай сигналыг шулуутгахад ашиглана. /зураг 2.73/

62

зураг 2.73.

2.3.5. Гүйдэл тогтворжуулагч

1N5305 диод нь 2–100v-ийн тогтмол хүчдэлд 2mA гүйдлийг дамжуулна. Энэ чанарыг нь ашиглан энэ диодыг хүчдэл тогтворжуулагчаар ашиглана. /зураг 2.74/

зураг 2.74.

Оролтын хүчдлийг 2-100v болгон өөрчлөхөд гаралтанд 2mA⋅1kohm=2v байна. Энэ хэлхээний хувьд оролтын хүчдлийн давтамжийг 300MHz хүртэл ихэсгэхэд негатив сүүл үүсэхгүй.

2.3.6. Step recovery diode

Ямар ч давтамжтай сигналыг нэвтрүүлэхэд шүд хэлбэрийн негатив сүүл үүсгэдэг диод. /зураг 2.75/

зураг 2.75.

2.3.7. Туннелийн диод

зураг 2.76.

Энэ диодны вольт–амперийн характеристик нь дараах хэлбэртэй муруй байна. /зураг 2.76/ Эндээс peak point, valley point гэж нэрлэгддэг 2 цэг чухал ач холбогдолтой. Энэ 2 цэгийн хоорондох мужийг негатив эсэргүүцлийн муж гэнэ. Учир нь энэ мужид хүчдлийг ихэсгэхэд гүйдэл багасдаг. Энгийн шулуутгагч диодны хувьд шууд холболтын хүчдлийг ихэсгэхэд диодоор гүйх гүйдэл ихэсдэг. Гэтэл туннелийн диодны хувьд багасдаг муж байдаг байна.

2.3.8. Стабилитрон - zener diodе

Диодны урвуу холболтын үед нурангын эффектээс хамааран хүчдлийн тодорхой утгаас хагас дамжуулагч диодоор гүйх урвуу гүйдлийн хэмжээ огцом өсдөг тухай өмнө үзсэн. Энэ нь электронд хангалттай их энерги өгсөн тохиолдолд уг электрон нэмэх туйлын зүг хөдлөхдөө замдаа тааралдсан атомыг мөргөж түүнээс электроныг сугалан гаргадаг. Энэхүү сугарч гарсан электроны энерги хангалттай их байх үед дахин замдаа тааралдсан атомтай мөргөлдөж электроныг сугалан гаргадаг. Үүний улмаас урвуу холболтын үе дэх урвуу гүйдэл огцом өсөх үзэгдэл юм.

63

Үүнээс гадна маш их донор агуулсан хагас дамжуулагч диодны хувьд урвуу хүчдлийн хэмжээ 5-10 вольт орчим байхад zener эффект гэдэг үзэгдэл явагддаг. Урвуу холболтын үед n-p шилжилтийн өргөн ихэснэ. Үүний улмаас эерэг сөрөг ионууд бүхий муж хүчдлийн нэмэх хасах туйлд ойртоно. Zener-ийн эффект нь n-p шилжилтийн мужид байрлах атомаас электрон сугаран гарч n хагас дамжуулагч уруу орох ба р хагас дамжуулагчид байрлах электронуудаас энэ n-p шилжилтийн мужид байрлах электроноо алдсан эдгээр атомуудад хүрэлцэн ирж нөхөгддөг. Энэ эффект нь урвуу хүчдлийн 4-10 вольтын үед ажиглагдана. Диодны урвуу гүйдлийн энэ эффектэд үндэслэгдсэн хагас дамжуулагч диодыг zener диод гэнэ.

Жишээ 2.5. 1N758 zener диодыг авч үзье. энэ диодны характеристик нь 10v, 500mW. Энэ нь уг диодны урвуу хүчдлийн босго 10v, уг диодоор гүйх урвуу гүйдлийн максимум гүйдэл нь 500mW/10v=50mA гэсэн утгыг агуулна.

2.3.9. Zener диодны характеристик

Zener диодны вольт-амперийн характеристикийг /zener диодоор гүйх гүйдэл болон түүн дээр унах хүчдлийн хамаарлыг/ авч үзье. /зураг 2.77/

зураг 2.77.

Zener диодны вольт-амперийн характеристикаас дараах дүгнэлтийг хийж болно. 1. Zener диодыг хэлхээнд шууд холбосон тохиолдолд түүнийг шулуутгагч диодтой адилхан гэж

үзэж болно. Өөрөөр хэлбэл шууд холболтын 0.7v-оос эхлэн гүйдлийг дамжуулдаг байна. 2. Zener диодыг хэлхээнд урвуу холбосон тохиолдолд босгын хүчдэл гэж нэрлэгддэг хүчдлээс

эхлэн гүйдлийг дамжуулдаг байна. 3. Урвуу хүчдлийн босгын хүчдэл нь урвуу гүйдлийг дамжуулж эхлэх хүчдлийн утга арай биш,

харин урвуу гүйдлийн утга эрс ихсэж ирэх тэр хүчдлийг ойлгоно. 4. Диодоор гүйх урвуу гүйдлийн хэмжээг ихэсгэхэд диод дээр унах хүчдэл ихэсэх ба диодоор гүйх

урвуу гүйдлийн хэмжээг багасгахад диод дээр унах хүчдэл багасна. Жишээ 2.6.

1N758 zener диодыг урвуу холболтоор хэлхээнд зэрэгцээ холбосон доорх хэлхээг сонгон авч zener-ийн диодын вольт-амперийн характеристикийг байгуулья. Урвуу хүчдлийн утга 10v-оос ихсэхэд zener диод дээр тогтмол 10v хүчдэл унах болно. /зураг 2.78/

64

зураг 2.78.

2.3.10. Zener диодыг загварчлах

Zener диодыг хэлхээнд шууд холбосон тохиолдолд түүнийг шулуутгагч диодтой адилхан гэж үзэж болно. Харин zener диодыг хэлхээг урвуу холбосон тохиолдолд диодыг хэрхэн загварчилж үзэж болохыг үзье. Zener диодны вольт-амперийн характеристикаас урвуу холболтын үед диодыг дараах 2 байдлаар загварчилж үзэж болно. 1. Идеал диод. Идеал zener диод нь урвуу холболтын үед босгын хүчдлээс эхлэн гүйдлийг

дамжуулж эхэлдэг гэж үздэг загвар. /зураг 2.78/

зураг 2.78.

2. 2-р ойролцооллоор загварчлах. Энд zener диодны урвуу холболтын үе дэх вольт-амперийн характеристик нь босоо бус налуу байдгийг тооцсон загвар. /зураг 2.79/

зураг 2.79.

Жишээ 2.7. 1. 1N758 zener диодыг урвуу холболтоор хэлхээнд зэрэгцээ холбосон хэлхээг сонгон авч zener-

ийн диодоор гүйх гүйдэл болон zener диод дээр унах хүчдлийг авч үзье. /зураг 2.80/ Хэрэв zener-ийн диодыг идеал гэж үзвэл диод дээр 10v хүчдэл унах ба диодоор (18v-10v)/1kohm=8mA гүйдэл гүйнэ.

зураг 2.80.

2. Урвуу хүчдлийн хэмжээг ихэсгэхэд диодоор гүйх гүйдэл мөн ихсэж (35v-10v)/1kohm=25mA болно. /зураг 2.81/ Диодыг идеал гэж үзвэл гаралтанд мөн 10v байна. Диодоор гүйх урвуу гүйдлийн максимум утга нь 500mW/10v=50mA. Иймээс урвуу хүчдлийн хэмжээг 50mA⋅1kohm+10v=60v-ээс илүү хүчдэл өгвөл диод шатна.

65

зураг 2.81.

3. Урвуу хүчдлийн хэмжээг багасгахад диодоор гүйх гүйдэл багасаж (14v-10v)/1kohm=4mA болно. /зураг 2.82/ Диодыг идеал гэж үзвэл гаралтанд мөн 10v байна. Урвуу хүчдлийг 10v-оос бага болговол диод хаагдаж диодоор гүйдэл гүйхгүй болно.

зураг 2.82.

Жишээ 2.8. 1. 1N758 zener диодыг урвуу холболтоор хэлхээнд зэрэгцээ холбосон хэлхээг сонгон авч zener-

ийн диодоор гүйх гүйдэл болон zener диод дээр унах хүчдлийг авч үзье. /зураг 2.83/ Хэрэв zener-ийн диодыг 2-р ойролцооллоор загварчилаж үзээд zener диодны урвуу хүчдлийн босго Vz=9.89v, zener диодны урвуу холболтын эсэргүүцэл Rz=8.5ohm байдгийг тооцвол диодоор (18v-9.89v)/(1kohm+8.5ohm)=8mA гүйдэл гүйнэ. Иймд диод дээр 9.89v+8mAּ8.5ohm=10v хүчдэл унана.

зураг 2.83.

2. Урвуу хүчдлийн хэмжээг ихэсгэхэд диодоор гүйх гүйдэл мөн ихсэж (35v-9.89v)/(1kohm+8.5ohm)=25mA болно. /зураг 2.84/ Иймд диод дээр 9.89v+25mAּ8.5ohm=10.1v хүчдэл унана.

зураг 2.84.

3. Урвуу хүчдлийн хэмжээг багасгахад диодоор гүйх гүйдэл багасаж (14v-9.89v)/(1kohm+8.5ohm)=4.1mA болно. /зураг 2.85/ Иймд диод дээр 9.89v+4.1mAּ8.5ohm=9.9v хүчдэл унана.

зураг 2.85.

2.3.11. Хүчдэл тогтворжуулагч

Zener диодны дээрх шинж чанарыг ашиглан хүчдэл тогтворжуулагчаар өргөн ашигладаг тул зарим тохиолдолд түүнийг тогтворжуулагч буюу стабилитрон гэж нэрлэдэг. Жишээ болгож хүчдэл тогтворжуулагчийн нэг хэлхээг авч үзье. /зураг 2.86/ Энэ хэлхээнд 10v, 500mW-ийн 1N758 zener диодыг ашигласан болно.

66

зураг 2.86.

Эхлээд zener диодыг идеал гэж үзээд тооцоог хийж үзье. 1. Урвуу хүчдлийн хэмжээг 10v-оос их байхаар өгвөл zener диод дээр 10v хүчдэл, үлдсэн нь Rs

эсэргүүцэл дээр унана. Хэрэв оролтонд 18v-ийн хүчдэл өгвөл zener диод дээр 10v нь, үлдсэн 18v-10v=8v нь оролтын Rs эсэргүүцэл дээр унана. Иймээс оролтын эсэргүүцлээр

mA6.29ohm270

v10v18i0 =

−= гүйдэл гүйнэ. Харин ачааны RL эсэргүүцлээр

mA10kohm1

v10i2 == гүйдэл гүйнэ. Zener диодоор 29.6mA-10mA=19.6mA гүйдэл гүйнэ. /зураг

2.87/ Иймээс ачааны эсэргүүцэл дээр 10v хүчдэл унах ба түүгээр 10mA гүйдэл гүйнэ.

зураг 2.87.

2. Урвуу хүчдлийн хэмжээг 22v болгон ихэсгэвэл юу болохыг үзье. Zener диод дээр 10v хүчдэл хэвээр тогтмол байна. Иймээс оролтын эсэргүүцэл дээрх хүчдэл 22v-10v=12v болж ихэснэ. Ингэснээр оролтын эсэргүүцлээр гүйх гүйдэл 12v/270ohm=44.4mA болж ихэснэ. Ачаан дээр zener диодтой адилхан 10v хүчдэл унах тул үүгээр гүйх гүйдэл 10v/1kohm=10mA өөрчлөгдөхгүй тогтмол хэвээр байна. Оролтын эсэргүүцлээр гүйх гүйдэл нь zener диод болон ачаагаар гүйх гүйдлийн нийлбэртэй тэнцүү учир zener диодоор гүйх гүйдлийн хэмжээ 44.4mA-10mA=34.4mA болж ихэснэ. Иймээс оролтын хүчдлийг ихэсгэхэд зөвхөн zener диодоор гүйх гүйдэл ихэснэ. /зураг 2.88/

зураг 2.88.

3. Урвуу хүчдлийн хэмжээг цааш нь 26v хүртэл ихэсгэвэл zener диодоор гүйх гүйдэл 49.3mA хүртэл өснө. Харин ачааны эсэргүүцэл унах хүчдэл болон түүгээр гүйх гүйдлийн хэмжээ өөрчлөгдөхгүй. /зураг 2.89/

зураг 2.89.

4. Урвуу хүчдлийн хэмжээг цааш нэмвэл zener диод шатна. Учир нь урвуу хүчдлийг 27v болгоход zener диодоор гүйх гүйдлийн хэмжээ түүний дааж чадах максимум гүйдлийн хэмжээ болох 50mA-аас их болох тул диод шатна. Ингээд хүчдэл зөвхөн Rs ба RL резистор дээр унах бөгөөд энэ хоёроор гүйх гүйдэл нь адилхан 27v/(1kohm+270ohm)≈22mA гүйдэл гүйнэ. Иймээс ачааны эсэргүүцлээр 22mA гүйдэл гүйх ба ачааны эсэргүүцэл дээр 1kohm⋅22mA=22v-ийн хүчдэл унах болно. /зураг 2.90/

зураг 2.90.

67

5. Одоо тогтворжуулагчийн хэлхээний ачааны эсэргүүцлийн хэмжээг ихэсгэж 1.5kohm болгоё. Энэ үед ачаан дээр zener диодтой адилхан 10v хүчдэл унах тул ачаагаар гүйх гүйдэл 10v/1.5kohm=6.6mA болж буурна. Ингэснээр zener диодоор гүйх гүйдэл 29.6mA–6.6mA=23mA болж ихэснэ. /зураг 2.91/

зураг 2.91.

6. Ачааны эсэргүүцлийн хэмжээг цааш 2kohm болгон ихэсгэе. Энэ үед ачаагаар гүйх гүйдэл 10v/2kohm=5mA болтол буурсны улмаас zener диодоор гүйх гүйдэл 29.6mA–5mA=24.6mA болж ихэснэ. Тэгэхээр ачааны эсэргүүцлийн хэмжээг ихэсгэхэд zener диодоор гүйх гүйдлийн хэмжээ ихсэж ачааны эсэргүүцлээр гүйх гүйдэл багасдаг байна. /зураг 2.92/

зураг 2.92.

7. Ачааны эсэргүүцлийн хэмжээг багасгаж 560ohm болгоё. Энэ тохиолдолд ачаагаар гүйх гүйдэл 10v/560ohm=17.9mA болж ихэсэх ба zener диодоор гүйх гүйдэл 29.6mA–17.9mA=11.8mA болж буурна. /зураг 2.93/

зураг 2.93.

8. Ачааны эсэргүүцлийн хэмжээг 360ohm болтол бууруулвал ачаагаар гүйх гүйдэл 10v/360ohm=27.8mA болж ихэсэх ба zener диодоор гүйх гүйдэл 29.6mA–27.8mA=1.8mA болтол буурна. /зураг 2.94/

зураг 2.94.

9. Тэгэхээр ачааны эсэргүүцлийн хэмжээг багасгавал zener диодоор гүйх гүйлдлийн хэмжээ багасна. Ачааны эсэргүүцлийг бууруулан 330ohm болговол zener диодоор гүйх гүйдэл тэг болж хүчдэл тогтворжуулагч ажиллахгүй болно. Иймээс ачааны эсэргүүцлийн хэмжээг багасгавал ачааны эсэргүүцлээр гүйх гүйдлийн хэмжээ ихсэжь zener диодоор гүйх гүйдэл багасна. Ингэсээр эсэргүүцлийн тодорхой нэг утгаас эхлэн zener диодоор гүйх гүйдэл 0 болж хүчдэл тогтворжуулагч ажиллахгүй болно. /зураг 2.95/

зураг 2.95.

Эндээс үзвэл хүчдэл тогтворжуулагчийн хувьд zener диодыг идеал гэж үзвэл дараах дүгнэлтийг хийж болно.

Оролтын хүчдлийг ихэсгэвэл zener диодоор гүйх гүйдэл ихсэх бөгөөд zener диодоор гүйх гүйдлийг түүгээр гүйх урвуу гүйдлийн максимумаас нь ихээр өсгөвөл zener диод шатна.

Оролтын хүчдлийн хэмжээг багасгавал zener диодоор гүйх гүйдэл багасах бөгөөд урвуу хүчдлийн хэмжээг zener диодны урвуу хүчдлийн хэмжээнээс багасгавал zener диод хаагдаж түүгээр гүйдэл гүйхгүй болно.

68

Ачааны эсэргүүцлийн хэмжээг ихэсгэвэл zener диодоор гүйх гүйдэл ихсэж, ачаагаар гүйх гүйдэл багасна. Ингээд zener диодоор гүйх гүйдэл хамгийн ихдээ оролтын эсэргүүцлээр гүйх гүйдэлтэй тэнцүү болох ба энэ үед ачаагаар гүйдэл гүйхгүй болно.

Ачааны эсэргүүцлийн хэмжээг багасгавал zener диодоор гүйх гүйдэл багасаж, ачаагаар гүйх гүйдэл ихэснэ. Ингээд ачаагаар гүйх гүйдэл хамгийн ихдээ оролтын эсэргүүцлээр гүйх гүйдэлтэй тэнцүү болох бөгөөд энэ үед zener диодоор гүйдэл гүйхгүй болно.

VR VL or Vz IR Iz IL

↑ ↑ - ↑ ↑ - Vin ↓ ↓ - ↓ ↓ - ↑ - - - ↑ ↓ RL ↓ - - - ↓ ↑

Хэрэв zener-ийн диодыг 2-р ойролцооллоор загварчилаж үзвэл дээрх дүгнэлтэнд дараах өөрчлөлт орно.

VL or Vz IR Iz

↑ ↑ ↑ ↑ Vin ↓ ↓ ↓ ↓ ↑ ↑ ↓ ↑ RL ↓ ↓ ↑ ↓

2.3.12. Zener диод ашигласан тайрагч хэлхээ /зураг 2.96/

зураг 2.96.

69