Diodes

Terug naar de index

Welke diode kan ik het beste gebruiken in mijn kristalontvanger?

Je zou zeggen, een diode met een zo laag mogelijke doorlaatspanning, dan worden ook kleine spanningen op de detectorkring nog gelijkgericht.
Maar aan de andere kant hebben diodes met een lage doorlaatspanning ook een hogere lekstroom in sperrichting, hierdoor zal de detectorkring zwaarder belast worden, de Q factor van de detectorkring zakt in elkaar, en daarmee ook de spanning over de LC kring.
Bij een lagere ingangsspanning zal de diode veel meer verliezen geven, en het kan gebeuren dat je ondanks de lagere doorlaatspanning van de diode toch minder spanning over de belastingsweerstand overhoudt.
Daarnaast zal bij het afnemen van de Q factor de selectiviteit van de ontvanger ook afnemen.

Voor elke 20 mV minder doorlaatspanning van een diode zal de lekstroom in sperrichting ongeveer verdubbelen.

Germanium, silicium, en schottky diodes.
Afhankelijk van het materiaal waaruit ze zijn opgebouwd kunnen we diodes onderscheiden in germaniumdiodes, siliciumdiodes en schottky diodes.
Er zijn nog enkele andere soorten ,welke hier niet behandeld worden.

Siliciumdiodes hebben de hoogste doorlaatspanning (ongeveer 0,5 Volt) en zijn daarom voor kristalontvangers niet erg geschikt.
Tenzij we een klein voorstroompje door de diode laten lopen waardoor de diode al een klein beetje in geleiding komt.

Germaniumdiodes hebben een lage doorlaat spanning (ongeveer 0,1 - 0,2 Volt) en worden vaak toegepast in kristalontvangers.
De eigenschappen zoals doorlaatspanning en lekstroom kunnen tussen twee germaniumdiodes voor het zelfde type nogal variëren.
In de praktijk kunnen we met germanium diodes het beste een aantal soorten proberen in onze ontvanger en dan de beste uitkiezen.
De diode weerstand RD van germaniumdiodes is meestal nogal laag, en alleen geschikt voor gebruik in kristalontvangers met een lage Q factor (lage gevoeligheid en lage selectiviteit).
Voor een ontvanger met een hogere prestatie kan beter een geschikte schottky diode gebruikt worden.

Schottkydiodes hebben een doorlaatspanning van ongeveer 0,25 Volt.
De verschillen in eigenschappen tussen twee diodes van het zelfde type zijn meestal klein.
Schottky diodes met de juiste weerstand RD zijn zeer geschikt voor gebruik in een hoge kwaliteit kristalontvanger.

De opgegeven doorlaatspanning wordt doorgaans gemeten bij een doorlaatstroom van ongeveer 1 mA.
Ook als we de doorlaatspanning van een diode meten met een multimeter zal de teststroom ook ongeveer 1 mA zijn.
Maar ook onder deze doorlaatspanning zal de diode stroom doorlaten, en een hoogfrequent signaal kunnen gelijkrichten.
Alleen is dan de stroom door de diode veel lager.
Bij ontvangst van een zeer zwak station, kan de stroom door de diode b.v. slechts 10 nA zijn.
Bij zo'n lage stroom is de doorlaatspanning van de diode ook veel lager dan bij 1 mA.
 

Gedetecteerde spanning als functie van de ingangsspanning
Als we met een diode een hoogfrequent signaal gelijkrichten kunnen we twee situaties onderscheiden.

Situatie 1: Gelijkrichting in het lineaire gebied
Als de ingangsspanning hoog genoeg is (ruim boven de doorlaatspanning van de diode bij 1 mA), zal de uitgangspanning van de diode ongeveer evenredig zijn aan de ingangspanning.
Dus een dubbele ingangspanning geeft ongeveer een dubbele uitgangspanning.
De uitgangsspanning is bijna gelijk aan de piekwaarde van de ingangsspanning.
De diode geeft in dit gebied zeer weinig vermogensverlies ten opzichte van het gelijkgerichte vermogen.

Situatie 2: Gelijkrichting in het kwadratische gebied
Als de ingangsspanning laag is, lager dan de doorlaatspanning van de diode (bij 1 mA) dan is de situatie volledig anders.
De ingang van de diode gedraagt zich dan voor het hoogfrequent signaal als een weerstand met de waarde RD.
De uitgang van de diode gedraagt zich als een DC spanningsbron in serie met een weerstand, de waarde van die weerstand is ook gelijk aan RD.
De waarde van de DC spanningsbron verloopt kwadratisch met de amplitude van het hoogfrequent ingangssignaal.
Dus het verdubbelen van de ingangspanning geeft 4 maal zoveel gedetecteerde DC spanning aan de uitgang.
In het kwadratische gebied zal de uitgangsspanning van de diode veel lager zijn dan de ingangspanning, de diode geeft veel vermogensverlies tussen ingang en uitgang.
Hoe lager de ingangsspanning hoe groter de verliezen.
Hoe hoger de ingangsspanning hoe kleiner de diode verliezen.
Bij het verder verhogen van de diode ingangsspanning komen we weer geleidelijk in het lineaire gebied terecht.
Bij de ontvangst van zwakke stations vindt de gelijkrichting plaats in het kwadratische gebied.

Tussen het lineaire en kwadratisch gebied, is een gebied niet lineair, en niet kwadratisch, maar ergens er tussenin.
Dit gebied wordt hier niet behandeld.

Vervangings schema voor een diode bij lage ingangs spanningen.

Via deze link vind je een meting aan diverse schottky diodes waarbij te zien is dat detectie in het kwadratische gebied optreedt bij ingangspanningen onder de 200 mVtt.

Diode weerstand RD.
Diodes hebben bij nul volt spanning een bepaalde weerstand.
Deze weerstand bij nul Volt noemen we RD.
Hoe lager de lekstroom van de diode, hoe hoger de weerstand RD.
Bij het detecteren van kleine signalen (in het kwadratische gebied) gedraagt de ingang van een diode zich als een weerstand met de waarde RD.

Maar hoe weet je nu de RD van een diode?
Dat kunnen we uitrekenen met de formule:
formule 1: RD = 0,000086171  x n x TK / Is   

RD = diode weerstand bij nul Volt (eenheid: Ohm)
n = ideality factor, hoe lager deze factor hoe beter, tussen de 1,0 en 1,1 is een zeer goede waarde
TK = temperatuur in Kelvin (= temperatuur in ºC + 273)
Is = saturation current (eenheid: A)
x = vermenigvuldigen

De waarden van n en Is zijn soms te vinden in het datablad van de diodes.

In de volgende tabel enkele soorten schottky diodes met de waarden van n, Is, RD, de maximum sperspanning en de capaciteit van de diode bij nul Volt.

We kunnen meerdere diodes parallel schakelen om de waarde van RD te verlagen, met twee gelijke diodes parallel zal de waarde van RD halveren.
Met drie diodes parallel zal de waarde van RD gedeeld worden door 3 enz.

Diode weerstand bij gebruik van voorstroom (bias stroom).
We kunnen de waarde van diodeweerstand RD verlagen door een klein gelijkstroompje (b.v. 0,1 uA) in doorlaatrichting door de diode te laten lopen.
Hoe groter deze voorstroom of biasstroom, hoe lager de weerstand van de diode.
Met de volgende formule kunnen we de diodeweerstand RD uitrekenen als we gebruik maken van zo'n gelijkstroom:

Formule 2: RD= 0,000086171 x n x TK /(Ib + Is)

RD= diode weerstand bij een bepaalde gelijkstroom Ib (eenheid: Ohm)
n= ideality factor van de diode
TK = Temperatuur in Kelvin (= temperatuur in ºC + 273)
Ib= gelijkstroom door de diode in A
Is =saturation current van de diode in A

Een diode met een bepaalde RD waarde bij een bepaalde voorstroom, geeft de zelfde ontvangst prestatie als een diode zonder voorstroom met de zelfde RD waarde.

Invloed van temperatuur op de "saturation current: Is"
De saturation current (Is-waarde) is sterk afhankelijk van temperatuur.
Een temperatuurverhoging van 1 ºC zal de Is waarde ongeveer 7 % verhogen.
De Is waarde is in datasheets meestal opgegeven bij 25 ºC
Als de diodetemperatuur geen 25 ºC is, maar een andere waarde "T" heeft, dan moeten  we Is vermenigvuldigen met de factor: 1,07^(T-25).
T = diode temperatuur
^ = machtsverheffen

Ideality factor n
De ideality factor n van een diode geeft aan hoe goed de diode presteert ten opzicht van een ideale diode.
Een (niet bestaande) ideale diode heeft een waarde n=1.
Bij lage ingangssignalen is het maximum beschikbare gelijkgerichte uitgangsvermogen evenredig met 1/n.
Dus het verdubbelen van n zal het uitgangsvermogen halveren (dit geldt alleen bij zwakke ingangssignalen).

Diode capaciteit
Tussen de twee aansluitingen van de diode zal zich een bepaalde capaciteit (condensator waarde) bevinden, als deze capaciteit vrij groot is (b.v. 10 pF), zal het frequentiebereik van de ontvanger bij hoge frequenties beperkt worden.

Bij een toenemende sperspanning over de diode zal de capaciteit afnemen, ook de gedetecteerde spanning in een kristalontvanger is zo'n sperspanning.
Hierdoor kan bij het ontvangen van sterke signalen de frequentie van de kring omhoog gaan.
Op de volgende pagina: experimenten met een detector unit vind je in tabel 3 een meting over het verlopen van frequentie.

Het meten van de Is waarde van een diode.

De Is waarde van een diode kunnen we zelf meten, dat gaat als volgt:
Stuur een klein stroompje door de diode, deze stroom noemen we "ID" en heeft een waarde van ongeveer 1μA.
Meet de spanning over de diode (VD).

Schema voor het meten van de Is waarde van een diode. Over de diode staat een spanning van ongeveer 0,2 Volt. Over de weerstand staat ongeveer 10 Volt, dus de stroom is ongeveer 1 μA.  De voltmeter moet een weerstand hebben van tenminste10 MΩ. De 100 nF condensator vermindert de invloed van radiosignalen en brom op de meting.

Bereken Is met de  formule:

formule 3:  Is = ID / (e^ (VD /(0,0257xn))-1)

Is = saturation current van de diode in nA
ID = stroom door de diode in nA, (1 μA = 1000 nA)
e = grondtal van de natuurlijke logaritme, dat is ongeveer 2,718
^ = machtsverheffen
VD = spanning over de diode in Volt
n = ideality factor van de diode, als je de waarde niet weet, neem dan b.v:  n= 1,08
 

Van diverse diodes heb ik de Is waarde gemeten en de diode weerstand RD berekend.
Ook zijn enkele Europese germanium typen gemeten.
Van de typen OA95 en AA119 heb ik meerdere dioden gemeten.
 

De HSMS282K is hetzelfde als de HSMS2820, alleen heeft de HSMS282K twee dezelfde diodes in één behuizing.

De Is waarde van de HSMS282K, de HSMS286K en de 5082-2835 is lager dan de datasheet aangeeft, dat is ook iets dat al door andere personen is vastgesteld.
Ook heeft de temperatuur grote invloed, ik heb gemeten bij een temperatuur van 18 °C, In de datasheets wordt de Is waarde bij 25 °C gegeven.
Bij een stijging van 18 °C naar 25 °C zal de Is waarde met 60 % stijgen.

Terug naar de index