Site Loader

Содержание

Что такое диод? И его главная функция.

А я и сам не знаю, но порассуждаю как дебил.
Диод это фигня (хуйня дерьмо запчасть) применяемая в электронике.
Функция у него одна единственная как у вахтера= пускать всех туда и не пускать никого оттуда.
Т.е. направлять/закрывать поток внутрь и извне.
Ниппель. Туда дуй-оттуда—.
========================
Как ОМОН при зачистке здания: запускаем-никого не выпускаем.
========================
Так он ведёт при постоянном токе.
При переменном токе добавляется еще функция/опция. Он плющит/нагибает/выравнивает/выпрямляет в линию переменный ток. Переменный он же капризный -хочу бегу туда, а хочу сюда. А тут амбал (диод) вынуждает его идти только в одну сторону. И ток уже не переменный, а постоянный, но еще пульсирует немного, но и его до/отфильтровывают от помех и он уже чистенький как стеклышко постоянный ток гладенький и мягкий как котенок.
А постоянным током питается вся микроэлектроника.
Например перепутал полярность+-, а диодик-то защитит весь прибор от поломки. Стабилитрон-это диод стабилизирующий броски питающего напряжения (стабилизатор).
===
Итого две базовых функции: пускать/не пускать ток. И переводить переменный ток в постоянный.
======
Остальные функции это производные от этих двух.
Все разновидности диодов от этих двух функций. Может иногда даже быть конденсатором когда заперт.
Фото/свето/лампо/полупроводниковые диоды — это разновидности исполнения и применения.

Например фотодиод-это свет падая на диод вызывает в нём ток(открывает заслонку). Надо сэкономить расходы на освещение. Берем здание/территорию от комнаты до государства. Убираем всех людей включающих включатели освещения. Ставим вместо них фотодиоды. Замыкаем их на автовключение/выключение света в зависимости от степени освещенности (день/ночь).
Всё-пиздец! всем лишним расходам на горящее днем электричество. Забыл/не забыл кто-то похуй. Автоматика сама будет вьябывать 24/7/30/365 без зарплаты.
Также покупаем видеокамеры с фотодиодом «день/ночь» и диод сам включает доп.питание инфракрасного прожектора и ночью все зоны слежения видятся как днём. Воришка отрицающий всё в суде посмотрит видео на себя как на пьедестале.

Также в оружейных прицелах/биноклях/и пр.оптике диод может включать тепловизор/инфравизор в туман/ночью/в дыму. Взвод с такими прицелами вмиг ночью перебьёт взвод у которого обычные прицелы (при равных условиях). Лазерный прицел/дальномер это тоже лазерный диод (целеуказывающая указка). Есть даже лазерные пушки. Указатели целей на мониторе истребителя/штурмовика/бомбардировщика вещь ускоряющая поражение цели (экономия бюджета на войну).
В строительстве в геодезических приборах при разбивке осей применяется тоже лазерные дальномеры/указатели (диоды).
В последнее время в продаже появляется всё больше гаджетов с солнечной батарейкой (тоже диоды). Вся солнцеэнергетика применяет фотодиоды.
В мото/автотронике т.е. в новых автомобилях тоже много микросхем где есть диоды. Датчики многие основаны на диодах.

Ну светодиоды LED все видят в сотовых, ТВ, компах, гаджетах. Показывают включенное питание и т.п. Кстати светодиодные бытовые лампы в квартирах уже не редкость. Светофоры светодиодные яркие в солнечный свет. Фонари задние на новых иномарках тоже светодиодные.

Вот такая маленькая железячка делает немало функций.
Усложняя- 2 полупроводниковых диода условно = 1 транзистор (биполярный). Оба применяют принцип pn переходов.
Вообщем, разновидностей диодов много. Ди(=два) од(=пути/электрода). Вот и всё.

Диод. Светодиод. Стабилитрон / Хабр

Не влезай. Убьет! (с)

Постараюсь объяснить работу с диодами, светодиодами, а также стабилитронами на пальцах. Опытные электронщики могут пропустить статью, поскольку ничего нового для себя не обнаружат. Не буду вдаваться в теорию электронно-дырочной проводимости pn-перехода. Я считаю, что такой подход обучения только запутает начинающих. Это голая теория, почти не имеющая отношения к практике. Впрочем, интересующимся теорией предлагаю эту статью. Всем желающим добро пожаловать под кат.

Это вторая статья из цикла электроники. Рекомендую к прочтению также первую, которая повествует о том, что такое электрический ток и напряжение.

Диод – полупроводниковый прибор, имеющий 2 вывода для подключения. Изготавливается, упрощенно говоря, путем соединения 2х полупроводников с разным типом примеси, их называют донорной и акцепторной, n и p соответственно, поэтому диод содержит внутри pn-переход. Выводы, обычно состоящие из луженой меди, называют анод (А) и катод (К). Эти термины пошли еще со времен электронных ламп и используются в письменном виде, для обозначения направленности диода. Гораздо проще графическое обозначение. Названия выводов диода запомнятся сами собой при применении на практике.


Как я уже писал, мы не будем использовать теорию электронно-дырочной проводимости диода. Просто инкапсулируем эту теорию до черного ящика с двумя зажимами для подключения. Примерно так же программисты инкапсулируют работу со сторонними библиотеками, не вдаваясь в е… подробности их работы. Или, например, когда, пользуясь пылесосом, мы не вдаёмся в подробности, как он устроен внутри, он просто работает и нам важно одно из свойств пылесоса – сосать пыль.

Рассмотрим свойства диода, самые очевидные:

  • От анода к катоду, такое направление называется прямым, диод пропускает ток.
  • От катода к аноду, в обратном направлении, диод ток не пропускает. (Вообще-то нет. Но об этом позже.)
  • При протекании тока, в прямом направлении, на диоде падает некоторое напряжение.


Возможно эти свойства вам и так хорошо известны. Но есть некоторые дополнения. Что же считать прямым, а что обратным направлением? Прямым называют такое включение, когда на аноде напряжение больше, чем на катоде. Обратное, наоборот. Прямое и обратное включение – это условность. В реальных схемах напряжение на одном и том же диоде может меняться с прямого на обратное и наоборот.

Кремниевый диод начинает пропускать хоть какой-либо значимый ток только тогда, когда на аноде напряжение будет больше примерно на 0,65 В, чем на катоде. Нет, не так. При протекании хоть какого-либо тока, на диоде образуется падение напряжения, примерно равное 0,65 В и выше.

Напряжение 0,65 В – называют прямым падением напряжения на pn-переходе. Это лишь примерная средняя величина, она зависит от тока, температуры кристалла и технологии изготовления диода. При изменении протекающего тока, она изменяется нелинейно. Чтобы как-то обозначить эту нелинейность графически, производители снимают вольтамперные характеристики диода. В мощных высоковольтных диодах падение напряжения может быть больше в 2, 3 и т.д. раза. Это означает, что внутри диода включено несколько pn-переходов последовательно.

Для определения падения напряжения можно использовать вольтамперную характеристику (ВАХ) диода в виде графика. Иногда эти графики приводятся в дата-листах (datasheets) на реальные модели диода, но чаще их нет. На первом мне попавшемся графике ниже приведены ВАХ КД243А, хотя это не важно, они все примерно похожи.


На графике Uпр – это прямое падение напряжения на диоде. Iпр – протекающий через диод ток. График показывает какое падение напряжения на диоде будет, при протекании n-го тока. Но чаще всего в даталистах не показываются реальные ВАХ, а приводится прямое падение напряжения, указанное при определенном токе. В английской литературе падение напряжения обозначается как forward voltage.

Как применять


Падение напряжения на диоде – для нас плохая характеристика, поскольку это напряжение не совершает полезной работы и рассеивается в виде тепла на корпусе диода. Чем меньше падение, тем лучше. Обычно падение напряжения на диоде определяют исходя из тока, протекающего через диод. Например, включим диод последовательно с нагрузкой. По сути это будет защита схемы от переплюсовки, на случай, если блок питания отсоединяемый. На рисунке ниже в качестве защищаемой схемы взят резистор 47 Ом, хотя в реальности это может быть все, что угодно, например, участок большой схемы. В качестве блока питания – батарея на 12 В.
Допустим, нагрузка без диода потребляет 255 мА. В данном случае это можно посчитать по закону Ома: I= U / R = 12 / 47 = 0,255 А или 255 мА. Хотя обычно потребление сферической схемы в вакууме уже известно, хотя бы по максимальным характеристикам блока питания. Найдем на графике ВАХ, указанный выше, падение напряжения для диода КД243А при 0,255 А протекающего тока, при 25 градусах. Оно равно примерно 0,75 В. Эти 0,75 В упадут на диоде, и для питания схемы останется 12 — 0,75 = 11,25 В — иногда может и не хватить. Как бонус, можно найти мощность, в виде тепла и потерь выделяющуюся на диоде по формуле P = I * U = 0,75 * 0,255 = 0,19 Вт, где I и U – ток через диод и падение напряжения на диоде.

Что же делать, когда график ВАХ недоступен? Например, для популярного диода 1n4007 указано только прямое напряжения forward voltage 1 В при токе 1 А. Нужно и использовать это значение, либо измерить реальное падение. А если для какого-либо диода это значение не указано, то сойдет среднее 0,65 В. В реальности проще это падение напряжения измерить вольтметром в схеме, чем выискивать в графиках. Думаю, не надо объяснять, что вольтметр должен быть включен на постоянное напряжение, если через диод течет постоянный ток, а щупы должны касаться анода и катода диода.

Немного про другие характеристики


В предыдущем примере, если перевернуть батарейку, я имею ввиду поменять полярность, см. нижний рисунок, ток не потечет и падение напряжения на диоде в худшем случае составит 12 В — напряжение батареи. Главное, чтобы это напряжение не превышало напряжение пробоя нашего диода, оно же обратное напряжение, оно же breakdown voltage. А также важно еще одно условие: ток в прямом направлении через диод не превышал номинальный ток диода, он же forward current. Это два основных параметра по которых выбирается диод: прямой ток и обратное напряжение.

Иногда в даталистах также указывается рассеиваемая мощность диодом или номинальная мощность (power dissipation). Если она указана, то ее нельзя превышать. Как ее посчитать, мы уже разобрались на предыдущем примере. Но если мощность не указана, тогда надо ориентироваться по току.

Говорят, что в обратном направлении ток через диод не течет, ну или почти не потечет. На самом деле через него протекает ток утечки, reverse current в английской литературе. Этот ток очень маленький, от нескольких наноампер у маломощных диодов до нескольких сот микроампер, у мощных. Также этот ток зависит от температуры и приложенного напряжения. В большинстве случаем ток утечки не играет никакой роли, например, в как в предыдущем примере, но, когда вы будете работать с наноамперами и поставите какой-либо защитный диод на входе операционного усилителя, тогда может случиться ой… Схема поведет себя совсем не так, как задумывалась.

У диодов так же есть некоторая маленькая паразитная емкость capacitance. Т.е., по сути, это конденсатор, параллельно включенный с диодом. Эту емкость надо учитывать при быстрых процессах при работе диода в схеме с десятками-сотнями мегагерц.

Также несколько слов по поводу термина «номинал». Обычно номинальные ток и напряжение обозначают, что при превышении этих параметров производитель не гарантирует работу изделия, если не сказано другое. И это для всех электронных компонентов, а не только для диода.

Что еще можно сделать


Применений диодов существует множество. Разработчики-радиоэлектронщики обычно выдумывают свои схемы из кусочков других схем, так называемых строительных кирпичиков. Вот несколько вариантов.

Например, схема защиты цифровых или аналоговых входов от перенапряжения:


Диоды в этой схеме при нормальной работе не пропускают ток. Только ток утечки. Но когда по входу возникает перенапряжение с положительной полуволной, т.е. напряжение входа становится больше чем Uпит плюс прямое падение напряжения на диоде, то верхний диод открывается и вход замыкается на шину питания. Если возникает отрицательная полуволна напряжения, то открывается нижний диод и вход замыкается на землю. В этой схеме, кстати, чем меньше утечки и емкость у диодов, тем лучше. Такие схемы защиты уже, как правило, стоят во всех современных цифровых микросхемах внутри кристалла. А внешними мощными сборками TVS-диодов защищают, например, USB порты на материнских платах.

Также из диодов можно собрать выпрямитель. Это очень распространённый тип схем и вряд ли кто-то из читателей про них не слышал. Выпрямители бывают однополупериодные, двухполупериодные и мостовые. С однополупериодным выпрямителем мы уже познакомились в нашем самом первом многострадальном примере, когда рассматривали защиту от переплюсовки. Никакими особыми плюсами не обладает, кроме плюса на батарейке. Один из самых важных минусов, который ограничивает применение схемы однополупериодного выпрямителя на практике: схема работает только с положительной полуволной напряжения. Отрицательное напряжение напрочь отсекает и ток при этом не течет. «Ну и что?», скажете вы, «Такой мощности мне будет достаточно!». Но нет, если такой выпрямитель стоит после трансформатора, то ток будет протекать только в одну сторону через обмотки трансформатора и, таким образом, трансформаторное железо будет дополнительно подмагничиваться. Трансформатор может войти в насыщение и греться намного больше положенного.

Двухполупериодные выпрямители этого недостатка лишены, но им необходим средний вывод обмотки трансформатора. Здесь при положительной полярности переменного напряжения открыт верхний диод, а при отрицательной – нижний. КПД трансформатора используется не полностью.


Мостовые схемы лишены обоих недостатков. Но теперь на пути тока включены два диода в любой момент времени: прямой диод и обратный. Падение напряжения на диодах удваивается и составляет не 0,65-1В, а в среднем 1,3-2В. С учетом этого падения считается выпрямленное напряжение.
Например, нам надо получить 18 вольт выпрямленного напряжения, какой трансформатор для этого выбрать? 18 вольт плюс падение на диодах, возьмем среднее 1,4 В, равно 19,4 В. Мы знаем из предыдущей статьи, что амплитудное значение переменного напряжения в корень из 2 раз больше его действующего значения. Поэтому во вторичной цепи трансформатора переменное действующее напряжение равно 19,4 / 1,41 = 13,75В. С учетом того, что напряжение в сети может гулять на 10%, а также под нагрузкой напряжение немного просядет, выберем трансформатор 230/15 В.

Мощность требуемого нам трансформатора можно посчитать от тока нагрузки. Например, мы собираемся подключать к трансформатору нагрузку в один ампер. Это если с запасом. Всегда оставляйте небольшой запас, в 20-40%. Просто по формуле мощности можно найти P = U * I = 15 * 1 = 15 ВА, где U и I – напряжение и ток вторичной обмотки. Если вторичных обмоток несколько, то их мощности складываются. Плюс потери на трансформацию, плюс запас, поэтому выберем трансформатор 20-40 ВА. Хотя часто трансформаторы продаются с указанием тока вторичных обмоток, но проверить по габаритной мощности не помешает.

После выпрямительного моста необходим сглаживающий конденсатор, на рисунке не показан. Не забывайте про него! Есть умные формулы по расчету этого конденсатора в зависимости от количества пульсаций, но порекомендую такое правило: ставить конденсатор 10000мкФ на один ампер потребления тока. Вольтаж конденсатора не меньше, чем выпрямленное без нагрузки напряжение. В данном примере можно взять конденсатор с номиналом 25В.

Диоды в этой схеме выберем на ток >=1А и обратное напряжение, с запасом, больше 19,4 В, например, 50-1000 В. Можно применить диоды Шоттки. Это те же диоды, только с очень маленьким падением напряжения, которое часто составляет десятки милливольт. Но недостаток диодов Шоттки – их не выпускают на более-менее высокие напряжения, больше 100В. Точнее с недавнего времени выпускают, но их стоимость заоблачная, а плюсы уже не так очевидны.

Светодиод


Внутри устроен совсем по другому, чем диод, но имеет те же самые свойства. Только еще и светится при протекании тока в прямом направлении.
Все отличие от диода в некоторых характеристиках. Самое важное – прямое падение напряжения. Оно гораздо больше, чем 0,65 В у обычного диода и зависит в основном от цвета светодиода. Начиная от красного, падение напряжения которого составляет в среднем 1,8 В, и заканчивая белым или синим светодиодом, падение у которых около 3,5 В. Впрочем, у невидимого спектра эти значения шире.
По сути падение напряжения здесь – минимальное напряжение зажигания диода. При меньшем напряжении, у источника питания, тока не будет и диод просто не загорится. У мощных осветительных светодиодов падение напряжения может составлять десятки вольт, но это значит лишь, что внутри кристалла много последовательно-параллельных сборок диодов.

Но сейчас поговорим об индикаторных светодиодах, как наиболее простых. Их выпускают в различных корпусах, наиболее часто в полуокруглых, диаметром 3, 5, 10 мм.


Любой диод светится в зависимости от протекающего тока. По сути это токовый прибор. Падение напряжения получается автоматически. Ток мы задаем сами. Современные индикаторные диоды более-менее начинают светиться при токе 1 мА, а при 10 мА уже выжигают глаза. Для мощных осветительных диодов надо смотреть документацию.

Применение светодиода


Имея лишь соответствующий резистор можно задать нужный ток через диод. Конечно, понадобится еще и блок питания постоянного напряжения, например, батарейка 4,5 В или любой другой БП.

Например, зададим ток 1мА через красный светодиод с падением напряжения 1,8 В.


На схеме показаны узловые потенциалы, т.е. напряжения относительно нуля. В каком направлении включать светодиод нам подскажет лучше всего мультиметр в режиме прозвонки, поскольку иногда попадаются напрочь китайские светодиоды с перепутанными ногами. При касании щупов мультиметра, в правильном направлении, светодиод должен слабо светиться.

Поскольку применен красный светодиод, то на резисторе упадет 4,5 — 1,8 = 2,7В. Это известно по второму закону Кирхгофа: сумма падений напряжения на последовательных участках схемы равно ЭДС батарейки, т.е. 2,7 + 1,8 = 4,5В. Чтобы ограничить ток в 1мА, резистор по закону Ома должен обладать сопротивлением R = U / I = 2,7 / 0,001 = 2700 Ом, где U и I – напряжение на резисторе и необходимый нам ток. Не забываем переводить величины в единицы СИ, в амперы и вольты. Поскольку выпускаемые номиналы сопротивлений стандартизованы выберем ближайший стандартный номинал 3,3кОм. Конечно, при этом ток изменится и его можно пересчитать по закону Ома I = U / R. Но зачастую это не принципиально.

В этом примере ток, отдаваемый батарейкой, мал, так что внутренним сопротивлением батареи можно пренебречь.

С осветительными светодиодами все тоже самое, только токи и напряжения выше. Но иногда им уже не требуется резистор, надо смотреть документацию.

Что-то еще про светодиод


По сути, светить – это основное назначение светодиода. Но есть и другое применение. Например, светодиод может выступать в качестве источника опорного напряжения. Они необходимы, например, для получения источников тока. В качестве источников опорного напряжения, как менее шумные, применяют красные светодиоды. Их включают в схему так же, как и в предыдущем примере. Поскольку напряжение батарейки относительно постоянное, ток через резистор и светодиод тоже постоянный, поэтому падение напряжения остается постоянным. От анода светодиода, где 1,8В, делается отвод и используется это опорное напряжение в других участках схемы.

Для более надежной стабилизации тока на светодиоде, при пульсирующем напряжении источника питания, вместо резистора в схему ставят источник тока. Но источники тока и источники опорного напряжения – это тема еще одной статьи. Возможно, когда-нибудь я ее напишу.

Стабилитрон


В английской литературе стабилитрон называется Zener diode. Все тоже самое, что и диод, в прямом включении. Но сейчас поговорим только про обратное включение. В обратном включении под действием определенного напряжения на стабилитроне возникает обратимый пробой, т.е. начинает течь ток. Этот пробой полностью штатный и рабочий режим стабилитрона, в отличие от диода, где при достижении номинального обратного напряжения диод просто выходил из строя. При этом, ток через стабилитрон в режиме пробоя может меняться, а падение напряжение на стабилитроне остается практически неизменным.
Что нам это дает? По сути это маломощный стабилизатор напряжения. Стабилитрон имеет все те же характеристики, что и диод, плюс добавляется так же напряжение стабилизации Uст или nominal zener voltage. Оно указывается при определенном токе стабилизации Iст или test current. Также в документации на стабилитроны указываются минимальный и максимальный ток стабилизации. При изменении тока от минимального до максимального, напряжение стабилизации несколько плавает, но незначительно. См. вольт-амперные характеристики.
Рабочая зона стабилитрона обозначена зеленым цветом. На рисунке видно, что напряжение на рабочей зоне практически неизменно, при широком диапазоне изменения тока через стабилитрон.

Чтобы выйти на рабочую зону, нам надо установить ток стабилитрона между [Iст. min – Iст. max] с помощью резистора точно так же, как это делалось в примере со светодиодом (кстати, можно также с помощью источника тока). Только, в отличие от светодиода, стабилитрон включен в обратном направлении.

При меньшем токе, чем Iст. min стабилитрон не откроется, а при большем, чем Iст. max – возникнет необратимый тепловой пробой, т.е. стабилитрон просто сгорит.

Расчёт стабилитрона


Рассмотрим на примере нашего рассчитанного трансформаторного БП. У нас есть блок питания, выдающий минимум 18 В (по сути там больше, из-за трансформатора 230/15 В, лучше мерить в реальной схеме, но суть сейчас не в этом), способный отдавать ток 1 А. Нужно запитать нагрузку с максимальным потреблением 50 мА стабилизированным напряжением 15 В (например, пусть это будет какой-нибудь абстрактный операционный усилитель – ОУ, у них примерно такое потребление).
Такая слабая нагрузка выбрана неспроста. Стабилитроны довольно маломощные стабилизаторы. Они должны проектироваться так, чтобы через них мог проходить без перегрева весь ток нагрузки плюс минимальный ток стабилизации Iст. min. Это необходимо, потому что ток после резистора R1 делится между стабилитроном и нагрузкой. В нагрузке ток может быть непостоянным, либо нагрузка может выключаться из схемы совсем. По сути это параллельный стабилизатор, т.е. весь ток, который не уйдет в нагрузку, примет на себя стабилитрон. Это как первый закон Кирхгофа I = I1 + I2, только здесь I = Iнагр + Iст. min.

Итак, выберем стабилитрон с напряжением стабилизации 15 В. Для установки тока через стабилитрон всегда необходим резистор (или источник тока). На резисторе R1 упадет 18 – 15 = 3 В. Через резистор R1 будет протекать ток Iнагр. + Iст. min. Примем Iст. min = 5 мА, это примерно достаточный ток для всех стабилитронов с напряжением стабилизации до 100 В. Выше 100 В можно принимать 1мА и меньше. Можно взять Iст. min и больше, но это только будет бесполезно греть стабилитрон.

Итак, через R1 течет Ir1 = Iнагр. + Iст. min = 50 + 5 = 55 мА. По закону Ома находим сопротивление R1 = U / I = 3 / 0,055 = 54,5 Ом, где U и I – напряжение на резисторе и ток через резистор. Выберем из ближайшего стандартного ряда сопротивление 47 Ом, будет чуть больше ток через стабилитрон, но ничего страшного. Его даже можно посчитать, общий ток: Ir1 = U / R = 3 / 47 = 0,063А, далее минимальный ток стабилитрона: 63 — 50 = 13 мА. Мощность резистора R1: P = U * I = 3 * 0,063 = 0,189 Вт. Выберем стандартный резистор на 0,5 Вт. Советую, кстати, не превышать мощность резисторов примерно Pmax/2, дольше проживут.

На стабилитроне тоже рассеивается мощность в виде тепла, при этом в самом худшем случае она будет равна P = Uст * (Iнагр + Iст.) = 15 * (0,050 + 0,013) = 0,945 Вт. Стабилитроны выпускают на разную мощность, ближайшая 1Вт, но тогда температура корпуса при потреблении около 1Вт будет где-то 125 градусов С, лучше взять с запасом, на 3 Вт. Стабилитроны выпускают на 0,25, 0,5, 1, 3, 5 Вт и т.д.

Первый же запрос в гугле «стабилитрон 3Вт 15В» выдал 1N5929BG. Далее ищем «datasheet 1N5929BG». По даташиту у него минимальный ток стабилизации 0,25 мА, что меньше 13 мА, а максимальный ток 100 мА, что больше 63 мА, т.е. укладывается в его рабочий режим, поэтому он нам подходит.

В общем-то, это весь расчёт. Да, стабилизатор это неидеальный, внутреннее сопротивление у него не нулевое, но он простой и дешевый и работает гарантировано в указанном диапазоне токов. А также поскольку это параллельный стабилизатор, то ток блока питания будет постоянным. Более мощные стабилизаторы можно получить, умощнив стабилитрон транзистором, но это уже тема следующей статьи, про транзисторы.

Проверить стабилитрон на пробой обычным мультиметром, как правило, нельзя. При более-менее высоковольтном стабилитроне просто не хватит напряжения на щупах. Единственное, что удастся сделать, это прозвонить его на наличие обычной диодной проводимости в прямом направлении. Но это косвенно гарантирует работоспособность прибора.

Еще стабилитроны можно использовать как источники опорного напряжения, но они шумные. Для этих целей выпускают специальные малошумящие стабилитроны, но их цена в моем понимании зашкаливает за кусочек кремния, лучше немного добавить и купить интегральный источник с лучшими параметрами.

Также существует много полупроводниковых приборов, похожих на диод: тиристор (управляемый диод), симистор (симметричный тиристор), динистор (открываемый импульсно только по достижении определенного напряжения), варикап (с изменяемой емкостью), что-то еще. Первые вам понадобятся в силовой электронике при постройки управляемых выпрямителей или регуляторов активной нагрузки. А с последними я уже лет 10 не сталкивался, поэтому оставляю эту тему для самостоятельного чтения в вики, хотя бы про тиристор.

Прекращаем ставить диод 2 / Хабр

Несколько лет назад мною была опубликована статья под аналогичным заголовком. Если кратко, то в ней я рассказал о процессе разработки с нуля устройства, выполняющего функции «идеального диода» для предотвращения разряда буферного аккумулятора на обесточенный блок питания.

Устройство получилось относительно сложным, хотя и довольно экономичным (ток потребления при использовании современной версии компаратора LM393 получился около 0.5 mA). Читатели обратили внимание на эту сложность и в комментариях предложили другой вариант «идеального диода», который выглядит на порядок более простым. К своему стыду, на тот момент я не был знаком с такой схемой, поэтому решил при удобном случае разобраться с ней подробнее. После серии экспериментов, которые начались с компьютерной симуляции, а закончились макетной платой, было выяснено, что при своей кажущейся простоте, эта схема очень нетривиальна как с позиции понимания всех протекающих в ней процессов, так и с точки зрения подводных камней, которые она в себе таит.


В общем, предлагаю вашему вниманию другой вариант реализации «идеального диода» с подробным описанием его особенностей.

Канонический вариант, предложенный в комментариях, имеет такой вид:


Всего четыре (или пять, смотря как считать) деталей и «идеальный диод» готов. Вроде бы все очень просто. Однако первое, что бросается в глаза, это использование сборки вместо обычных дискретных транзисторов. Может показаться, что это прихоть автора данного конкретного исполнения. Однако после изучения других вариантов обнаруживается, что такой подход используется почти во всех схемах, которые можно найти в сети. Тут мы и подходим к разбору принципа действия этой схемы.
Для понимания принципа начинать лучше с момента, когда все переходные процессы уже завершены, и нагрузка потребляет некоторый ток от блока питания. Этот ток течет через ключ и из-за ненулевого сопротивления канала, напряжение в точке 1 немного больше, чем в точке 2. В этом случае ток из точки 1 через эмиттерный переход T1 попадает в цепь баз обоих транзисторов, а затем через R1 стекает на «землю». В результате на базах транзисторов устанавливается напряжение, равное напряжению открытия эмиттерного pn-перехода. Но из-за того, что эмиттер T2 находится под более низким потенциалом, чем эмиттер T1, ток через его базу почти не течет потому что напряжение между его эмиттером и базой меньше, чем необходимо для открытия перехода. А раз базового тока нет, то T2 закрыт, сопротивление эмиттер-коллектор высокое, затвор силового ключа заземлен через R2, что создает условия для его открытия. Как итог, ток течет из точки 1 в точку 2 через открытый канал силового ключа (а не просто через технологический диод) и падение напряжения на этом участке измеряется милливольтами.

При обесточивании блока питания напряжение в точке 1 очень быстро станет ниже, чем в точке 2. При этом ток прекратит течение через эмиттерный переход T1 и вместо этого начнет протекать через эмиттерный переход T2, открывая его. В итоге сопротивление эмиттер-коллектор транзистора T2 сильно уменьшится, затвор силового ключа окажется соединенным с истоком, и канал будет закрыт.

Исходя из вышесказанного, необходимым условием работы схемы является тождественность транзисторов T1 и T2. Особенно это касается напряжения открытия эмиттерных переходов. Оно, во-первых, должно совпадать с точностью не хуже единиц милливольт, а во-вторых, любые его колебания под действием температурного фактора должны быть синхронными для обоих транзисторов.

Именно поэтому использование дискретных транзисторов в этой схеме недопустимо. Только изготовленная в рамках единого технологического цикла пара может считаться достаточно тождественной. А их размещение на общей подложке гарантирует необходимую температурную связь.

И уж тем более лишен смысла вариант схемы, который тоже можно найти на просторах интернета, где вместо одного из транзисторов используется диод.


Такая схема при определенном везении заработает, но ни о какой надежности работы тут речи просто не идет.

Кстати, некоторые авторы идут дальше, и кроме транзисторной сборки используют так же и резисторную (либо дискретные резисторы с допуском 1% или лучше), мотивируя это необходимостью дальнейшего соблюдения симметрии схемы. На самом деле резисторы совершенно не нуждаются в точном подборе, но об этом ниже.


Приведенное выше объяснения принципа действия является сильно упрощенным, оно дает краткий ответ на вопрос «как работает», но не дает понимания глубинных процессов, происходящих в схеме, и, в частности, никак не обосновывает выбор номиналов элементов.

Так что, если кому интересны подробности, то читаем дальше, а кому достаточно практической схемы, просто скрольте до последнего изображения статьи.

Для наглядности давайте сначала перевернем схему, заменим PNP-транзисторы более привычными NPN, и, наконец, немного усложним, чтобы было понятно, откуда вообще взялся конечный вариант.


Итак, что мы тут видим? Два простых усилительных каскада по схеме ОЭ и общая цепь смещения через резистор Rs. Если транзисторы одинаковые, то ток, текущий через резистор смещения, поровну разделится между базами обоих транзисторов и приоткроет их на одинаковую величину. В результате через коллекторные нагрузочные резисторы потекут одинаковые токи, и выходные напряжения в точках OUT1 и OUT2 будут тоже равны.

Теперь вернемся к нашим баранам и вспомним, что эмиттеры транзисторов не соединены вместе, напротив, между ними может возникать разность потенциалов, равная падению напряжения на открытом канале силового ключа. Учитывая величину сопротивления канала, разность напряжений между эмиттерами может составлять от единиц до сотен милливольт. Вот как это выглядит на нашей схеме.


В результате смещения эмиттер T2 оказывается немного «выше над землей», чем эмиттер T1, а значит напряжение Ube2 будет ниже, чем Ube1. Теперь вспомним, как выглядит ВАХ эмиттерного pn-перехода.
Если рабочая точка находится в области максимального наклона характеристики, то даже незначительное изменение приложенного напряжения ведет к очень сильному изменению протекающего тока, т.е. чем ниже прямое напряжение, тем больше эквивалентное сопротивление перехода.

Снова посмотрим на схему. Напряжение на эмиттерном переходе T2 уменьшилось, его эквивалентное сопротивление увеличилось, а значит ток смещения, текущий через Rs уже не разделяется симметрично между базами транзисторов, а течет преимущественно через эмиттерный переход T1. От этого T1 открывается, а T2, соответственно, закрывается на ту же величину. Распределение токов теряет симметрию и схему как-бы «перекашивает». Причем абсолютная величина перекоса равна коэффициенту передачи тока транзисторов (не суммарно, а каждого в отдельности, при условии, что транзисторы одинаковые).

Если мы перевернем разность потенциалов эмиттеров на обратную, схему аналогично перекосит в противоположную сторону: чем больше коллекторный ток у одного транзистора, тем меньше у второго и наоборот. В итоге имеем «обратное» токовое зеркало, где под влиянием одного входного сигнала происходит симметрично-противоположное изменение токов в плечах схемы.

Классическое «прямое» токовое зеркало (как те, что входят в состав операционных усилителей и компараторов) отличается тем, что в нем наоборот под влиянием двух однополярных входных величин в противоположные стороны изменяется ток одного транзистора.

Идем дальше. Полученная схема дает нам понятие о ролях резисторов. Коллекторные резисторы R1 и R2 являются нагрузкой транзисторов. Их роль – питание тех цепей, которые подключаются к нашей схеме, как к источнику управляющего сигнала. А значит, их сопротивление должно быть таким, чтобы протекающего через них тока было достаточно для активации входных цепей нагрузки. В данном конкретном случае нагрузкой является затвор MOS-транзистора, который имеет входное сопротивление многие мегаомы.
В даташитах обычно указывается не входное сопротивление, а ток утечки затвора при заданном напряжении. Из этого тока можно определить оммическое сопротивление изоляции затвора и защитных диодов. Например, для транзистора IRF5305 заявлен ток утечки не более 100 нано-ампер при напряжении 20 вольт. Простой подсчет дает нам величину входного сопротивления по меньшей мере 200 МОм.

При таком входном сопротивлении потребителя можно было бы использовать очень высокоомные нагрузочные резисторы, уменьшив таким образом собственное потребление транзисторов до наноамперного уровня. Однако лучше не «шиковать» слишком сильно, потому что высокоимпедансные цепи становятся чувствительными к разнообразным наводкам. А кроме того, при субмикроамперных коллекторных токах падает коэффициент усиления биполярного транзистора. Наиболее уместным сопротивлением нагрузок в данном случае можно считать сотни кОм. Это оптимальное сопротивление с точки зрения надежности, и при этом достаточно высокое с позиции экономичности.

С коллекторными резисторами разобрались. Теперь перейдем к резистору смещения Rs. Что зависит от его сопротивления? От него зависят начальные токи коллекторов, то есть токи полностью сбалансированной схемы. Причем эти токи зависят и от выбранных ранее номиналов нагрузочных резисторов, и от коэффициента усиления транзисторов. Так какое же значение этого сопротивления все-таки будет оптимальным? А такое, при котором режимы транзисторов окажутся в точках наименьшей устойчивости.

Ведь чем проще схема поддается влиянию дисбалансирующих факторов, тем выше получается ее чувствительность ко входному сигналу. Именно поэтому в отсутствие входного сигнала транзисторы не должны быть полностью открытыми или полностью закрытыми, они должны быть в промежуточном состоянии.

Тут уместна аналогия с простейшими качелями-балансирами. Если такие качели находится в равновесии, то вывести их из этого состояния проще всего: легкий толчок, и они наклоняются в нужную сторону. А вот если они уже перекошены грузом на одном из плечей, выведение из такого устойчивого состояния требует значительных усилий.

Поэтому наилучшим сопротивлением Rs является такое, при котором напряжения на коллекторах транзисторов примерно равны половине питающего напряжения. Это условие не нужно воспринимать буквально и подбирать сопротивление до ома. Более того, для уменьшения рабочих токов вполне допустимо сознательно увеличить Rs так, чтобы напряжения на коллекторах было примерно на 5 вольт ниже питающего. Это оставит достаточный запас для надежного управления силовым ключом, но при этом до минимума уменьшит токи во всех цепях, а значит и потребление схемы.
Для управления современным силовым MOSFET-том на его затвор нужно подавать напряжение, не менее того, что заявлено в строке «Gate threshold voltage» даташита. Для типичного современного транзистора это напряжение равно 3-4 вольта, отсюда и выбранное значение 5 вольт, которого гарантировано хватит чтобы полностью открыть транзистор при минимальном входном сигнале.

Что касается конкретного номинала Rs, то натурный эксперимент показал, что, например, для сборки BC807DS его сопротивление должно быть примерно 5 MОм. Для других транзисторов эта величина может отличаться, но есть еще один фактор, который играет нам на руку и уменьшает необходимость в тонком подборе сопротивлений.

Дело в том, что в реальной схеме, когда через силовой ключ начнет идти ток, выводящий схему из равновесия, напряжение на затворе начнет изменяться, а значит, начнет изменяться и сопротивление канала. И вот эта обратная связь носит усиливающий характер, когда падение напряжения на канале приводит к дисбалансу схемы, от чего изменяется напряжение на затворе так, что сопротивление канала меняется еще сильнее, что ведет к еще большему перекосу. И так продолжается до достижения крайнего положения, в котором силовой ключ больше не реагирует изменением сопротивления канала на изменение напряжения затвора. Однако, если коэффициент усиления транзистора достаточно большой, то процесс идет дальше, вплоть до достижения напряжения питания или нуля (в зависимости от соотношения напряжений в точках 1 и 2).

Таким образом, реальная схема, которую можно нарисовать с учетом сказанного выше, может иметь такой вид:


И в таком виде она действительно изредка встречается на сайтах, посвященных электронике. Однако начинали мы с другой вполне рабочей схемы, которая и проще и встречается гораздо чаще. Что отличает эти два варианта? Давайте снова на короткое время вернемся к прототипу, с которого начинали подробный разбор.
Что в этой схеме лишнее? По той причине, что управляющее напряжение для затвора силового ключа мы снимаем с коллектора одного из транзисторов (точка OUT2), напряжение на коллекторе второго (OUT1) нас совершенно не волнует. А по той причине, что наличие или отсутствие малого коллекторного тока весьма слабо сказывается на вольт-амперной характеристике эмиттерного перехода, нагрузочный резистор R1 спокойно можно удалить из схемы. А чтобы коллекторный вывод T1 не болтался воздухе и не собирал наводки, его лучше соединить с базой T1 (хотя делать это не обязательно, схема отлично работает и с оборванным выводом коллектора).
Итоговая схема принимает до боли знакомый вид:
Причем я специально сохранил расположение резисторов как в прототипе, чтобы подчеркнуть тот факт, что резисторы эти выполняют совершенно разные функции. Это не очевидно на исходной схеме, зато хорошо видно здесь, особенно после всех объяснений и выкладок. Левый резистор – это резистор смещения Rs, а правый – нагрузочный резистор R2 из схемы прототипа. Они не то что не должны быть совершенно одинаковыми (как думают некоторые авторы), их номиналы вообще взаимосвязаны очень косвенно и в общем случае не обязаны даже иметь общий порядок.

Именно поэтому нет никакой надобности использовать в этом месте резисторную сборку или дискретные резисторы малого допуска.

А еще из этой схемы следует, что питание устройство получает из точки 2, а точка 1 – просто источник входного сигнала. Таким образом, когда напряжение присутствует только в точке 2, питание подается непосредственно, а если только в точке 1, то сначала запитка происходит через технологический диод силового транзистора, а затем, когда схема проснется и начнет работать, уже через открытый канал.


С принципом действия и номиналами разобрались, результат на схеме:
Именно в таком виде схему массово рекомендуют на разных форумах, но есть пара нюансов, которые сильно ограничивают ее практическое применение. Первая проблема заключается в одном параметре биполярных транзисторов, о котором не принято вспоминать в большинстве практических применений. Вот он:
Оказывается, что максимальное обратное напряжение эмиттерного перехода большинства маломощных транзисторов составляет единицы вольт, и вот чем это грозит нашей схеме. Если напряжение есть только в точке 2, а точка 1 через небольшое сопротивление соединена с землей (как раз так себя ведет обесточенный блок питания), то ток из точки 2 через прямосмещенный эмиттерный переход T2 попадает на обратносмещенный эмиттерный переход T1, за которым уже почти земля. То есть почти все напряжение точки 2 оказывается приложено к эмиттерному переходу T1.
И вот тут и происходит самое интересное. Если напряжение в точке 2 выше предельно допустимого, то эмиттерный переход T1 входит в режим лавинного пробоя, и при достаточно малом значении RL, транзистор просто выходит из строя.

Таким образом, надежная эксплуатация этой схемы возможна только при рабочих напряжениях не выше, чем то, что заявлено в даташите на выбранный транзистор, т.е. на практике это не более 5-8 вольт. Даже 12-вольтовый источник формально уже не может быть подключен к такой схеме.

Тут кстати, интересный факт. Я перепробовал несколько сборок разного типа, у которых заявлено максимальное напряжение эмиттерного перехода от 5 до 8 вольт, и все они показали напряжение лавинного пробоя аж 12-13 вольт. Однако не стоит на это рассчитывать в практических схемах, не зря же говорят, что спецификации пишутся дымом сгоревших компонентов.

Если нужно коммутировать относительно высокое напряжение, то транзистор T1 нуждается в защите. Проще всего это сделать, просто внеся дополнительное сопротивление, которое ограничит обратный ток через переход.
Этот резистор внесет некоторый дисбаланс в схему, однако по той причине, что его сопротивление довольно мало по сравнению с сопротивлением резистора смещения, влияние будет минимальным и на практике не ощутимым. Кроме того, через этот резистор потечет небольшой ток утечки из точки 2 в точку 1, который сделает наш диод не таким идеальным, как хотелось бы. Но тут приходится идти на некоторый компромисс.

Некоторые авторы (те немногие, которые осознали саму необходимость защиты) предлагают дополнительно оградить эмиттерный переход при помощи прямо включенного диода.


Этот диод позволяет вообще не достигать порогового значения напряжения, ограничив его величиной прямого падения, то есть менее одного вольта.

Однако по моему скромному мнению, скрипач диод не нужен. Дело в том, что лавиный пробой для любого pn-перехода является совершенно нормальным режимом работы и с ним не нужно бороться.

Старая поговорка гласит: убивает не напряжение, убивает ток. И это относится не только к случаю поражению человека электрическим током. С диодами и транзисторами ситуация аналогичная. Лавинный пробой сам по себе полностью обратим и штатным образом используется, например, в стабилитронах. А дурная слава закрепилась за ним из-за того, что в силовых схемах это явление как правило сопровождается неконтролируемым ростом тока, протекающего через переход, сильным нагревом, и следующим за ним уже необратимым тепловым пробоем.


Если схему планируется использовать при напряжениях около 12 вольт, то все можно оставить как есть и наслаждаться. Но ситуации в жизни бывают разные и рано или поздно напряжение может оказаться и выше, например 24-27 вольт, как в бортовой сети больших автомобилей.

И вот тут всплывает еще одно ограничение, о котором тоже не часто приходится вспоминать при проектировании маловольтажных схем. Дело в том, что затвор MOSFET отделен от канала тончайшей оксидной пленкой. Ее толщина определяет передаточные свойства транзистора и на практике составляет единицы атомов оксида кремния. Естественно, что электрическая прочность такого тонкого диэлектрика оказывается весьма невысокой. Заглянем в даташит типового мощного «полевика».


Тут мы видим, что предельное напряжение завтора – 20 вольт. А теперь снова посмотрим на конечную схему нашего устройства и подумаем, что будет, когда транзистор T2 окажется полностью закрыт. В этом случае затвор полевого транзистора через R2 окажется заземлен. А так как сопротивление затвора, как мы выяснили выше, имеет порядок сотен мегаом, потенциалы распределятся так, что почти все напряжение питания будет приложено к изоляции затвора.

При питании напряжением выше 20 вольт получаем риск пробоя затвора силового ключа. Чтобы этого не произошло, нужно как-то ограничить напряжение между истоком и затвором до допустимой величины. Проще всего сделать это при помощи стабилитрона, шунтирующего выводы истока и затвора.


В этом случае даже если транзистор T2 окажется полностью закрыт, излишний ток возьмет на себя стабилитрон, и напряжение на затворе ограничится напряжением стабилизации D1. Именно поэтому напряжение стабилизации должно быть в диапазоне от параметра «Gate Threshold Voltage» до «Gate-to-Source Voltage», с небольшими отступами, конечно же.
В принципе, в некоторых даташитах в составе силового MOS-транзистора рисуют встречно-последовательную пару стабилитронов между затвором и истоком, которая, надо полагать, как раз и предназначена для ограничения напряжения на затворе. Так что тут каждый пусть решает сам, доверять судьбу транзистора встроенной защитной цепи, или же подстраховаться собственными силами.

Полученное тут устройство отлично выполняет свои функции «идеального диода», обеспечивая прямое сопротивление, полностью соответствующее выбранному силовому «полевику», обратное сопротивление более 100 кОм, и собственное потребление при напряжении 25 вольт не более 150 мкА.
Выпрямительные диоды: обозначение, принцип работы, ВАХ

Выпрямительные диоды — это полупроводниковые приборы, которые имеют один p-n переход и два металлических вывода. Вся система заключена в пластмассовом, металлическом, стеклянном или металлокерамическом корпусе. Предназначены для преобразования переменного тока в постоянный.

Обозначение и расшифровка диодов

Обозначение выпрямительного диода на схеме согласно “ГОСТ 2.730-73 ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые”. В приложении данного ГОСТа указаны размеры в модульной сетке. Выглядит это следующим образом:

Существуют различные варианты обозначения диодов.

Согласно ОСТ 11366.919-81 следующее буквенно-цифровое обозначение:

  • 1) первая буква или цифра указывает на материал:
    • 1 (Г) — германий Ge
    • 2 (К) — кремний Si
    • 3 (А) — галлий Ga
    • 4 (И) — индий In
  • 2) Вторая буква — это подкласс полупроводникового прибора. Для нашего случая — это буква Д.
  • 3) Третья цифра — функционал элемента в зависимости от класса (диоды, варикапы, стабилитроны и др.).
  • Например, для выпрямительных диодов (Д):

    101…199 — диоды малой мощности с постоянным или средним значением прямого тока менее 0,3А.

    201…299 — диоды средней мощности с постоянным или средним значением прямого тока от 0,3 до 10А.

Также существуют диоды большой мощности с током более 10А. Отвод тепла у диодов малой мощности осуществляется через корпус, у диодов средней и большой мощности через теплоотводящие радиаторы.

До 1982 года была другая классификация:

  • первая Д — характеризовала весь класс диодов
  • далее шел цифровой код:
    • от 1 до 100 — для точечных германиевых диодов
    • от 101 до 200 — для точечных кремниевых диодов
    • от 201 до 300 — для плоскостных кремниевых диодов
    • от 301 до 400 — для плоскостных германиевых диодов
    • от 401 до 500 — для смесительных СВЧ детекторов
    • от 501 до 600 — для умножительных диодов
    • от 601 до 700 — для видеодетекторов
    • от 701 до 749 — для параметрических германиевых диодов
    • от 750 до 800 — для параметрических кремниевых диодов
    • от 801 до 900 — для стабилитронов
    • от 901 до 950 — для варикапов
    • от 951 до 1000 — для туннельных диодов
    • от 1001 до 1100 — для выпрямительных столбов
  • третья цифра — разновидность групп однотипных приборов

Система JEDEC (США)

  • первая цифра — число p-n переходов (1 — диод; 2 — транзистор; 3 — тиристор)
  • далее N (типа номер) и серийный номер
  • после может идти пару цифр про номиналы и отдельные характеристики диода

Система Pro Electron (Европа)

По данной системе приборы делятся на промышленные и бытовые. Бытовые кодируются двумя буквами и тремя цифрами от 100 до 999. У промышленных приборов будет идти три буквы и две цифры от 10 до 99. Для диодов:

  • 1) первая буква:
    • A — германий Ge
    • B — кремний Si
    • C — галлий Ga
    • R — другие полупроводники
  • 2) Вторая буква — это буква A, указывающая на маломощные импульсные и универсальные диоды.
  • 3) Третья буква отвечает за принадлежность элемента к сфере специального применения (промышленность, военная). “Z”, “Y”, “X” или “W”.
  • 4) Четвертая — это 2х, 3х или 4х-значный серийный номер прибора.
  • 5) Дополнительный код — в нем для выпрямительных диодов указывается максимальная амплитуда обратного напряжения.

Система JIS (Япония)

Применяется в странах Азии и тихоокеанского региона.

Существуют и специальные обозначения от фирм-изготовителей, которые отличаются от приведенных выше.

Принцип действия выпрямительного диода

Полупроводники по своим электрическим свойствам являются чем-то средним между проводниками и диэлектриками.

разница проводников, диэлектриков и полупроводников

Как ведет себя диод при прямом и обратном включении

Прямое направление — направление постоянного тока, в котором диод имеет наименьшее сопротивление.

Обратное направление — направление постоянного тока, в котором диод имеет наибольшее сопротивление.

Рассмотрим поведение тока в цепи при прямом и обратном включении на переменное и постоянное напряжение. Изначально мы будем иметь синусоиду, которая получается от источника переменного тока.

При таких способах подключения отсекается половина синусоиды положительная или отрицательная. На выходе — пульсирующий переменный ток одного знака (считай, постоянный, только загвоздка в том, что им никто не пользуется).

  • анод (для прямого включения подключаем к плюсу), основание треугольника
  • катод (подключаем к минусу для прямого включения) палочка

Ток течет от анода к катоду, некоторые прибегают к сравнению с воронкой. В широкое горлышко жидкость проходит быстрее, чем в узкое. Принцип работы заключается в пропускании тока при прямом включении и запирании диода при обратном включении (отсутствии тока). Всё дело в запирающем слое, который испаряется или расширяется в зависимости от способа подключения диода.

Рассмотрим поведение диода в схеме постоянного тока. На левом изображении ток, напряжение проходит — лампочка горит (черная) — это прямое включение. На правом изображении диод не пропускает достаточно тока и напряжения для загорания лампочки — обратное включение.

ВАХ выпрямительных диодов (Ge, Si)

Вольт-амперные характеристики диодов представляют собой графики зависимостей прямых и обратных токов (Y) и напряжений (X) при различных температурах.

При подаче обратного напряжения, превышающего пороговое значение, величина обратного тока возрастает и происходит пробой p-n слоя. Стоит обратить внимание и на порядки чисел по осям. Величины обратного тока на порядок меньше прямого. Значения прямого напряжения на порядок меньше обратного. По достижении порогового значения прямого напряжения прямой ток начинает увеличиваться лавинообразно.

Разница между диодами в том, что обратный ток кремниевых диодов меньше, чем у германиевых. Поэтому, за счет большего тока, у Ge диодов пробой носит тепловой характер, у Si — преобладает электрический пробой. Мощность, рассеиваемая при одинаковых токах у германиевых диодов меньше.

Сохраните в закладки или поделитесь с друзьями



Последние статьи


Самое популярное

как выбрать трансформатор тока

Типы диодов »Электроника Примечания

Существует много различных типов диодов — они отличаются не только технологией, но и силовыми диодами, диодами поверхностного монтажа и многими другими.


Диод Учебное пособие включает в себя:
типов диодов Диодные характеристики и рейтинги PN-диод СВЕТОДИОД PIN-диод Диод шоттки Варактор / варикап Стабилитрон


Полупроводниковый диод является широко используемым электронным компонентом, встречающимся сегодня во многих конструкциях электронных схем.

Хотя существует много различных типов диодов, в которых используется одна и та же базовая структура области материала p-типа, соответствующей области материала n-типа, различные типы оптимизированы для обеспечения различных характеристик, которые можно использовать различными способами. во многих электронных схемах.

Каким бы ни был тип диода, его основная идея сегодня важна в электронной промышленности, будь то для производства коммерческого или промышленного оборудования, для любителей или для тех, кто изучает электронику.

Диоды

используются в различных областях. Они могут быть для простого исправления сигнала; они могут использоваться в качестве силовых диодов для выпрямления мощности, обнаружения сигналов, различных форм РЧ-схем, генерации света, генерации лазерного излучения, обнаружения света и многого другого.

Диоды могут также иметь множество различных комплектов: диоды для поверхностного монтажа, диоды с обычными проволочными выводами, а некоторые силовые диоды могут даже иметь возможность закрепления на радиаторе. Диоды бывают разных форм и размеров.

Диоды для поверхностного монтажа на печатной плате

История полупроводникового диода

Первые используемые диоды были открыты еще в начале 1900-х годов, когда технология беспроводной связи находилась в зачаточном состоянии. Cat’s Whisker был одним из первых типов диодов. Он состоял из очень тонкого куска проволоки (самой кошачьей усы), которую можно было поместить на кусок материала полупроводникового типа (как правило, минеральный кристалл), чтобы сделать диод точечного контакта.Это широко использовалось вплоть до середины и конца 1920-х годов, когда термоэлектронная или вентильная технология стала достаточно дешевой, чтобы широко использоваться для радиоприемников.

Во время Второй мировой войны для разработки радиолокационных установок требовались новые диоды. Полупроводниковые диоды предоставили одну опцию, поскольку их размер означал, что они могли работать лучше на частотах, необходимых для радара.

Символ схемы диода

Как и все электронные компоненты, диоды имеют символ цепи, который используется в электронных схемах.Основной символ цепи для диода состоит из треугольника, точка которого касается короткой линии, перпендикулярной проводу на электрической схеме.

Иногда треугольник и даже линия просто показаны в общих чертах, в то время как в других случаях они показаны как заполненные черные формы.

Основной символ диодной цепи

Иногда символ диодной схемы отображается только в виде контура и без закрашенных фигур. Форма контура одинаково приемлема.

Альтернативный символ диодной цепи

Существует много различных типов диодов, и некоторые используют условные обозначения, которые немного изменены по сравнению с основным символом диода, чтобы указать их функцию: диод Шоттки, диод Варактора и ряд других попадают в эту категорию.

Устройства для поверхностного монтажа или этилированный

Диоды бывают всех форм и размеров. Традиционно многие из этих электронных компонентов содержались в маленькой стеклянной трубке для герметизации самого полупроводникового диода. Теперь диоды содержатся в самых разных упаковках.

Все еще существуют этилированные пакеты, и диоды со стеклянной оболочкой все еще существуют, но есть также много пластиковых пакетов. Они могут различаться по размеру в зависимости от требуемой рассеиваемой мощности.

В наши дни с большим количеством сборок печатных плат с использованием технологии поверхностного монтажа, существует целый ряд диодов, доступных в качестве компонентов для поверхностного монтажа, SMD-диоды. Существует много стандартных пакетов для SMD-диодов, включая пакет SOT-23, который используется для многих маленьких дискретных диодов. Используются только два из трех доступных контактов, что позволяет правильно ориентировать диод.

Поскольку эти SMD-диоды малы, недостаточно места для полного номера детали, который должен быть включен в диод, и используется короткий номер, чтобы их можно было различить.

Несмотря на то, что во многих сборках печатных плат используется технология поверхностного монтажа, существуют другие области электронной промышленности, где требуются диоды с гораздо более высоким током. Эти диоды могут содержаться в упаковках, которые крепятся к радиаторам.

Типы диодов

Существует множество различных типов диодов, которые изготавливаются и используются в различных схемах электронных схем, РЧ-схемах и, зачастую, цифровых конструкциях. Каждый тип имеет разные свойства, и это делает их подходящими для разных цепей.

  • Обратный диод: Этот тип диода иногда также называют задним диодом. Хотя это широко не используется, это форма PN диодного перехода, который очень похож на туннельный диод в своей работе. Он находит несколько специализированных применений, где могут использоваться его особые свойства, обычно на микроволновых частотах.

    Обратный диод — это, по сути, форма туннельного диода, в котором одна сторона перехода менее легирована, чем другая.


  • Диод BARITT: Этот вид диодов получил свое название от слов «Диод барьерного времени впрыска». Он используется в микроволновых приложениях и имеет много общего с более широко используемым диодом IMPATT.


  • Gunn Diode: Хотя этот тип диода не является диодом в виде PN-перехода, он представляет собой полупроводниковое устройство с двумя выводами.Обычно он используется для генерации микроволновых сигналов и используется во многих РЧ конструкциях в качестве простой и эффективной формы микроволнового генератора.

    Диоды Ганна

    также известны как устройства с переносимым электроном, или TED. Хотя этот электронный компонент называется диодом, он не обладает PN-переходом и технически не является диодом в обычном смысле, как он используется в полупроводниковой технологии. Вместо этого устройство использует эффект, известный как эффект Ганна (названный в честь первооткрывателя Дж. Б. Ганна).

    Хотя диод Ганна обычно используется для генерации микроволновых радиочастотных сигналов, этот электронный компонент может также использоваться для усилителя в том, что иногда называют усилителем с переносимым электроном или TEA.


  • Кошачий усы: Как уже упоминалось, этот тип диодов был самым ранним типом, получившим широкое признание. Он состоял из небольшой проволоки, помещенной на кусочек минерального кристалла. Это создало небольшой точечный контактный диод, который, хотя и был ненадежным, был достаточно хорош, чтобы позволить слышать радиопередачи при использовании в «кристаллическом наборе».»

    Image of a typical Cat Типичный детектор кристаллов / детектор кошачьих усов

    Хотя детекторы Cat Whisker не были особенно надежными, они были первой формой полупроводниковых диодов и указали путь к более поздним диодам. , , и принцип светодиода был даже соблюден H J Round в 1908 году на одном из них.

  • диод IMPATT: Микроволновый диод IMPATT или IMPact Avalanche Transit Time используется в некоторых РЧ конструкциях, где для СВЧ-сигналов требуется простой генератор.

    Технология диодов IMPATT не так широко используется в наши дни, но этот электронный компонент способен генерировать сигналы, как правило, с частотами от 3 до 100 ГГц или более. Одним из основных преимуществ этого микроволнового диода является относительно высокая мощность (часто десять ватт и более), которая намного выше, чем у многих других форм микроволнового диода. Он имеет гораздо большую мощность, чем диод Ганна.


  • Лазерный диод: Этот тип диода отличается от обычного светодиода тем, что он генерирует лазерный (когерентный) свет.Эти электронные компоненты используются во многих приложениях, включая приводы CD и DVD. Хотя эти диоды намного дешевле, чем другие виды лазерных генераторов, они стоят дороже, чем обычные светодиоды.
  • Светоизлучающие диоды: Светодиод или светодиод является одним из самых популярных типов диодов. Когда прямое смещение с током, текущим через соединение, производится свет. Оригинальный цвет для этих диодов был красным, но в наши дни большинство цветов доступно.Это достигается путем использования различных смесей полупроводников по обе стороны от PN перехода.


  • Фотодиод: Когда свет падает на PN-переход, он может создавать электроны и дырки, вызывая протекание тока. В результате можно использовать полупроводники для обнаружения света. Эти типы диодов также могут быть использованы для выработки электроэнергии. Для некоторых приложений PIN-диоды очень хорошо работают в качестве фотоприемников.


  • PIN-диод: Этот тип диода имеет области кремния P-типа и N-типа, но между ними есть область внутреннего полупроводника (т.е.е. без допинга). Это увеличивает размер того, что называется областью истощения. Этот тип диода используется в ряде приложений, включая радиочастотные переключатели и в качестве фотодиодов.


  • Точечный контактный диод: Этот тип диода работает так же, как простой диод с PN-переходом, но его конструкция намного проще. Они состоят из куска полупроводника n-типа, на котором расположена острая точка металлического провода определенного типа (металл III группы для химиков).Часть металла мигрирует в полупроводник и создает PN-переход.

    Эти диоды имеют очень низкий уровень емкости и идеально подходят для многих радиочастотных (РЧ) применений. У них также есть преимущество в том, что они очень дешевы в изготовлении, хотя их производительность не особенно воспроизводима.

  • PN-переход: Стандартный PN-переход можно рассматривать как обычный или стандартный тип диода, который используется сегодня.Этот электронный компонент включен во многие конструкции электронных схем и также используется во многих схемах радиочастотных схем. Эти диоды могут быть сигналами небольшого типа для использования на радиочастоте или в других слаботочных приложениях, или другие типы могут быть сильноточными и высоковольтными, которые могут использоваться для силовых применений.


  • Диоды Шоттки: Этот тип диодов имеет более низкое прямое падение напряжения, чем обычные кремниевые PN-диоды.При малых токах падение может составлять где-то между 0,15 и 0,4 вольт, в отличие от 0,6 вольт для кремниевого диода.

    Для достижения этих характеристик они сконструированы иначе, чем обычные диоды, имеющие контакт металла с полупроводником. Они широко используются в качестве зажимных диодов и в радиочастотных конструкциях, часто в качестве детекторов сигналов. Они также используются в качестве силовых диодов для выпрямления переменного тока в источниках питания и т.п. Меньшие потери, вызванные меньшим падением, значительны для повышения эффективности.


  • Шаг восстановления диода: Форма микроволнового диода, используемого для генерации и формирования импульсов на очень высоких частотах. Эти диоды полагаются на очень быстрое отключение характеристики диода для их работы.


  • Диод TRAPATT: Этот тип диодов очень похож на IMPATT и фактически принадлежит к одному семейству. Он предлагает низкий уровень шума, но не достигает таких высоких частот.


  • Туннельный диод: Хотя туннельный диод сегодня не получил широкого распространения, он использовался для микроволновых применений, где его характеристики превосходили характеристики других устройств того времени.
  • Варикап или варакторные диоды: Этот тип диодов используется в радиочастотных (РЧ) приложениях. Диод имеет обратное смещение, и таким образом ток не протекает через переход.Однако ширина обедненного слоя изменяется в зависимости от величины смещения, размещенного на нем.

    Диод можно рассматривать как две пластины конденсатора с обедненным слоем между ними. Поскольку емкость изменяется в зависимости от ширины обедненного слоя, и это можно варьировать путем изменения обратного смещения на диоде, можно управлять емкостью диода.


  • Стабилитрон / эталон напряжения: Стабилитрон является очень полезным типом диода.Он работает с обратным смещением, и при достижении определенного напряжения он выходит из строя. Если ток ограничен через резистор, он обеспечивает стабильное напряжение. Этот тип диода поэтому широко используется для обеспечения опорного напряжения в регулируемых источниках питания.


Существует очень много различных типов диодов, каждый из которых подходит для своего применения. Технология отличается не только между различными типами диодов, но они также могут содержаться в разных упаковках: некоторые из них могут быть свинцовыми, а другие могут быть привинчены к радиаторам, а с количеством сборок печатных плат, в которых используются автоматизированные технологии изготовления, диоды для поверхностного монтажа сейчас используется в огромных количествах.

Больше электронных компонентов:
Резисторы Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды транзистор Фототранзистор FET Типы памяти тиристор Соединители РЧ разъемы Клапаны / Трубы батареи Выключатели Реле
Вернуться в меню компонентов. , ,

.

диодов — learn.sparkfun.com

Избранные любимец 57

Введение

После того как вы закончили с простыми пассивными компонентами, такими как резисторы, конденсаторы и индукторы, пришло время вступить в удивительный мир полупроводников. Одним из наиболее широко используемых полупроводниковых компонентов является диод.

В этом уроке мы рассмотрим:

  • Что такое диод !?
  • Теория работы диода
  • Важные диодные свойства
  • Различные типы диодов
  • Как выглядят диоды
  • Типичные диодные аппликации

Рекомендуемое чтение

Некоторые концепции в этом руководстве основаны на предыдущих знаниях в области электроники.Прежде чем приступить к изучению этого урока, сначала прочитайте (по крайней мере, скимминг):

Что такое цепь?

Каждый электрический проект начинается с цепи. Не знаете, что такое схема? Мы здесь, чтобы помочь.

Что такое электричество?

Мы можем видеть электричество в действии на наших компьютерах, освещая наши дома, как молнии в грозах, но что это? Это не простой вопрос, но этот урок проливает свет на него!

Как использовать мультиметр

Изучите основы использования мультиметра для измерения непрерывности, напряжения, сопротивления и тока.

Хотите исследовать различные диоды?

идеальных диодов

Ключевой функцией идеального диода является управление направлением потока тока . Ток, проходящий через диод, может идти только в одном направлении, называемом прямым направлением. Ток, пытающийся течь в обратном направлении, блокируется. Они как односторонний клапан электроники.

Если напряжение на диоде отрицательное, ток не может течь *, и идеальный диод выглядит как разомкнутая цепь.В такой ситуации говорят, что диод имеет от или с обратным смещением .

Пока напряжение на диоде не отрицательное, оно будет «включаться» и проводить ток. В идеале * диод должен действовать как короткое замыкание (0 В на нем), если он проводит ток. Когда диод проводит ток, он смещен в прямом направлении (жаргон электроники для «вкл»).

Соотношение тока и напряжения идеального диода. Любое отрицательное напряжение производит нулевой ток — разомкнутая цепь.Пока напряжение не отрицательное, диод выглядит как короткое замыкание.

Идеальный диод Характеристики
Режим работы Вкл. (Прямое смещение) Выкл. (Обратное смещение)
Ток через I> 0 I = 0
Напряжение через В = 0 В
Диод выглядит как Короткое замыкание Разомкнутая цепь

Схема

Каждый диод имеет две клеммы — соединения на каждом конце компонента — и эти клеммы поляризованы , что означает, что две клеммы совершенно разные.Важно не перепутать соединения на диоде. Положительный конец диода называется анодом , а отрицательный конец — катодом . Ток может течь от конца анода к катоду, но не в другом направлении. Если вы забыли, как протекает ток через диод, попробуйте запомнить мнемонику ACID : «анодный ток в диоде» (также анодный катод — это диодный ).

Символ схемы стандартного диода представляет собой треугольник, примыкающий к линии.Как мы рассмотрим позже в этом уроке, существует множество типов диодов, но обычно их символ цепи выглядит примерно так:

Терминал, входящий в плоский край треугольника, представляет анод. Ток течет в направлении, указанном треугольником / стрелкой, но не может идти другим путем.

Выше пара простых примеров диодной схемы. Слева, диод D1 смещен в прямом направлении и пропускает ток через цепь. По сути это выглядит как короткое замыкание.Справа диод D2 имеет обратное смещение. Ток не может течь через цепь, и он по сути выглядит как разомкнутая цепь.

* Предостережение! Звездочка! Не совсем верно … К сожалению, нет идеала с идеальным диодом . Но не волнуйся! Диоды действительно реальны, у них просто есть несколько характеристик, которые заставляют их работать немного меньше, чем наша идеальная модель …


Характеристики реальных диодов

В идеале , диоды блокируют любой ток, протекающий в обратном направлении, или просто действуют как короткое замыкание, если ток протекает вперед.К сожалению, фактическое поведение диода не совсем идеальное. Диоды действительно потребляют некоторое количество энергии при проведении прямого тока, и они не блокируют весь обратный ток. Реальные диоды немного сложнее, и все они имеют уникальные характеристики, которые определяют, как они на самом деле работают.

Отношение тока к напряжению

Наиболее важной характеристикой диода является его соотношение напряжение-ток ( i-v ). Это определяет, какой ток проходит через компонент, учитывая, какое напряжение измеряется на нем.Резисторы, например, имеют простую линейную зависимость I-V … Закон Ома. Кривая i-v диода, тем не менее, полностью , а не -линейная. Это выглядит примерно так:

Вольт-амперная зависимость диода. Чтобы преувеличить несколько важных моментов на графике, шкалы как в положительной, так и в отрицательной половинах не равны.

В зависимости от напряжения, приложенного к нему, диод будет работать в одной из трех областей:

  1. Прямое смещение : Когда напряжение на диоде положительное, диод «включен» и ток может протекать.Напряжение должно быть больше, чем прямое напряжение (V F ), чтобы ток был значительным.
  2. Обратное смещение : это режим «выключения» диода, когда напряжение меньше, чем V F , но больше, чем -V BR . В этом режиме протекание тока (в основном) заблокировано, а диод выключен. Небольшой ток с частотой (порядка нА), называемый током обратного насыщения, может течь в обратном направлении через диод.
  3. Пробой : Когда напряжение, приложенное к диоду, очень велико и отрицательно, большое количество тока сможет течь в обратном направлении, от катода к аноду.

прямое напряжение

Чтобы «включить» и провести ток в прямом направлении, диод требует, чтобы на него было приложено определенное количество положительного напряжения. Типичное напряжение, необходимое для включения диода, называется прямым напряжением (V F ).Его также можно назвать напряжением включения или напряжением .

Как мы знаем из кривой i-v , ток и напряжение на диоде взаимозависимы. Больший ток означает большее напряжение, меньшее напряжение означает меньший ток. Однако, как только напряжение достигает примерно номинального прямого напряжения, значительное увеличение тока все равно должно означать лишь очень небольшое увеличение напряжения. Если диод является полностью проводящим, обычно можно предположить, что напряжение на нем является номинальным напряжением прямого напряжения.

Мультиметр с настройкой диода может использоваться для измерения (минимум) прямого падения напряжения на диоде.

V F конкретного диода зависит от того, из какого полупроводникового материала он сделан. Как правило, кремниевый диод будет иметь V F около 0,6-1 В . Диод на основе германия может быть ниже, около 0,3 В. Диод типа также имеет некоторое значение для определения прямого падения напряжения; Светоизлучающие диоды могут иметь гораздо больший V F , в то время как диоды Шоттки специально разработаны для того, чтобы иметь намного более низкое, чем обычно, прямое напряжение.

Напряжение пробоя

Если на диод подается достаточно большое отрицательное напряжение, оно будет сдаваться и позволять току течь в обратном направлении. Это большое отрицательное напряжение называется напряжением пробоя . Некоторые диоды фактически предназначены для работы в области пробоя, но для большинства обычных диодов не очень полезно подвергать их воздействию больших отрицательных напряжений.

Для нормальных диодов это напряжение пробоя составляет от -50 В до -100 В или даже больше отрицательного значения.

Diode Datasheets

Все вышеперечисленные характеристики должны быть подробно описаны в спецификации для каждого диода. Например, эта таблица данных для диода 1N4148 перечисляет максимальное прямое напряжение (1 В) и напряжение пробоя (100 В) (среди множества другой информации):

Таблица данных может даже представить вам очень знакомый график вольт-ампер, чтобы более подробно описать поведение диода. Этот график из таблицы данных диода увеличивает изогнутую часть передней области кривой i-v .Обратите внимание, что для увеличения тока требуется большее напряжение:

Эта диаграмма указывает на другую важную диодную характеристику — максимальный прямой ток. Как и любой другой компонент, диоды могут рассеивать столько энергии, сколько могут взорваться. Все диоды должны указывать максимальный ток, обратное напряжение и рассеиваемую мощность. Если на диод подается большее напряжение или ток, чем он может выдержать, ожидайте, что он нагреется (или хуже; тает, курит, …).

Некоторые диоды хорошо подходят для высоких токов — 1 А или более, другие, как диод со слабым сигналом 1N4148, показанный выше, могут подходить только для напряжения около 200 мА.


То, что 1N4148 — это всего лишь крошечная выборка из всех видов диодов. Далее мы рассмотрим, какое удивительное разнообразие диодов существует и для чего служит каждый тип.

Типы диодов

нормальных диода

Сигнальные диоды

Стандартные сигнальные диоды являются одними из самых простых, средних, без излишеств членов семейства диодов. Они обычно имеют среднее высокое падение прямого напряжения и низкий максимальный номинальный ток.Типичным примером сигнального диода является 1N4148.

Очень общего назначения, он имеет типичное прямое падение напряжения 0,72 В и максимальный номинальный прямой ток 300 мА.

Диод со слабым сигналом, 1N4148. Обратите внимание на черный кружок вокруг диода, который обозначает, какой из выводов является катодом.

Силовые диоды

Выпрямитель или силовой диод — это стандартный диод с намного более высоким максимальным номинальным током. Этот более высокий номинальный ток обычно достигается за счет большего прямого напряжения.1N4001 является примером силового диода.

1N4001 имеет номинальный ток 1А и прямое напряжение 1,1В.

1N4001 PTH диод. На этот раз серая полоса указывает, какой вывод является катодом.

И, конечно, большинство типов диодов выпускаются также в вариантах для поверхностного монтажа. Вы заметите, что у каждого диода есть какой-то способ (независимо от того, насколько он мал или плохо виден), чтобы указать, какой из двух выводов является катодом.

Светодиоды (светодиоды!)

Самым ярким представителем семейства диодов должен быть светодиод (LED).Эти диоды буквально загораются при подаче положительного напряжения.

Горстка сквозных светодиодов. Слева направо: желтый 3 мм, синий 5 мм, зеленый 10 мм, суперяркий красный 5 мм, RGB 5 мм и синий 7-сегментный светодиод.

Как и обычные диоды, светодиоды пропускают ток только в одном направлении. Они также имеют номинальное прямое напряжение, которое является напряжением, требуемым для того, чтобы они загорелись. Номинальная мощность светодиода V F обычно больше, чем у обычного диода (1.2 ~ 3 В), и это зависит от цвета, который излучает светодиод. Например, номинальное прямое напряжение суперяркого синего светодиода составляет около 3,3 В, тогда как номинальное прямое напряжение суперяркого красного светодиода составляет всего 2,2 В.

Очевидно, вы чаще всего найдете светодиоды в приложениях освещения. Они веселые и веселые! Но более того, их высокая эффективность привела к широкому использованию уличного освещения, дисплеев, подсветки и многого другого. Другие светодиоды излучают свет, который не виден человеческому глазу, как инфракрасные светодиоды, которые являются основой большинства пультов дистанционного управления.Другое распространенное использование светодиодов заключается в оптической изоляции опасной высоковольтной системы от цепи низкого напряжения. Оптоизоляторы соединяют инфракрасный светодиод с фотодатчиком, который пропускает ток при обнаружении света от светодиода. Ниже приведен пример схемы оптоизолятора. Обратите внимание, как условное обозначение диода отличается от нормального диода. Светодиодные символы добавляют пару стрелок, выходящих из символа.

диоды Шоттки

Другой очень распространенный диод — это диод Шоттки.

Диод Шоттки

В наличии COM-10926

Диоды Шоттки известны своим низким падением прямого напряжения и очень быстрым переключением. Этот диод Шоттки 1A 40V…

1

Полупроводниковый состав диода Шоттки немного отличается от нормального диода, и это приводит к намного меньшему падению прямого напряжения на , которое обычно составляет 0.15 В и 0,45 В. У них все еще будет очень большое напряжение пробоя.

Диоды Шоттки особенно полезны для ограничения потерь, когда каждый последний бит напряжения должен быть обойден в . Они достаточно уникальны, чтобы получить собственный символ цепи с парой изгибов на конце катодной линии.

стабилитроны

Стабилитроны

являются странным изгоем семейства диодов. Они обычно используются для преднамеренного проведения обратного тока .

Стабилитрон — 5.1 В 1 Вт

Распродано COM-10301

Стабилитроны полезны для создания опорного напряжения или в качестве стабилизатора напряжения для слаботочных applications.These диодов …

Стабилизатор

разработан с очень точным напряжением пробоя, называемым пробивом стабилитрона , или напряжением стабилизации . Когда через стабилитрон проходит достаточный ток, падение напряжения на нем будет оставаться стабильным при напряжении пробоя.

Используя свои свойства пробоя, стабилитроны часто используются для создания известного эталонного напряжения точно при их напряжении стабилитрона. Они могут использоваться в качестве регулятора напряжения для небольших нагрузок, но на самом деле они не предназначены для регулирования напряжения в цепях, которые будут тянуть значительные количества тока.

стабилитроны достаточно особенные, чтобы получить свой собственный символ цепи с волнистыми концами на катодной линии. Символ может даже определить, какое именно напряжение стабилитрона на диоде.Вот стабилитрон 3,3 В, который создает твердое эталонное напряжение 3,3 В:

Фотодиоды

Фотодиоды — это специально сконструированные диоды, которые улавливают энергию фотонов света (см. Физика, квант) для генерации электрического тока. Вид работы в качестве анти-LED.

Фотодиод BPW34 (не четверть, мелочь на вершине). Получить его под солнцем, и он может генерировать около нескольких мкВт мощности!

Солнечные батареи являются основным благотворителем технологии фотодиодов.Но эти диоды также можно использовать для обнаружения света или даже для оптической связи.


Диодные Приложения

Для такого простого компонента диоды имеют огромный спектр применения. Вы найдете диод какого-то типа почти в каждой цепи. Они могут быть представлены во всем, от цифровой логики с малым сигналом до схемы преобразования мощности высокого напряжения. Давайте рассмотрим некоторые из этих приложений.

Выпрямители

Выпрямитель — это схема, которая преобразует переменный ток (AC) в постоянный ток (DC).Это преобразование имеет решающее значение для всех видов бытовой электроники. Сигналы переменного тока выходят из настенных розеток вашего дома, но постоянный ток — это то, что питает большинство компьютеров и другой микроэлектроники.

Ток в цепях переменного тока буквально чередуется с — быстро переключается между работой в положительном и отрицательном направлениях — но ток в сигнале постоянного тока идет только в одном направлении. Таким образом, чтобы преобразовать переменный ток в постоянный, вам просто нужно убедиться, что ток не может идти в отрицательном направлении. Звучит как работа для ДИОДОВ!

Полуволновый выпрямитель может быть изготовлен из одного диода.Если сигнал переменного тока, такой как, например, синусоидальная волна, посылается через диод, то любой отрицательный компонент сигнала отключается.

Форма волны входного (красного / левого) и выходного (синего / правого) напряжения после прохождения через полуволновую схему выпрямителя (посередине).

Двухполупериодный мостовой выпрямитель использует четыре диода для преобразования этих отрицательных пиков в сигнале переменного тока в положительные пики.

Схема мостового выпрямителя (в центре) и форма выходной волны, которую он создает (синий / правый).

Эти цепи являются критически важным компонентом источников питания переменного тока в постоянный ток, которые преобразуют сигнал 120/240 В переменного тока в настенную розетку в сигналы 3,3 В, 5 В, 12 В и т. Д. Если вы разорвете стенную бородавку, вы, скорее всего, увидите там несколько диодов, исправляющих ее.

Можете ли вы найти четыре диода, которые делают мостовой выпрямитель в этой настенной бородавке?

Защита от обратного тока

Вы когда-нибудь неправильно вставляли аккумулятор? Или включите красный и черный провода питания? Если так, диод мог бы быть благодарен за вашу цепь, все еще живую.Диод, установленный последовательно с положительной стороной источника питания, называется диодом обратной защиты. Это гарантирует, что ток может течь только в положительном направлении, а источник питания подает только положительное напряжение на вашу цепь.

Это диодное приложение полезно, когда разъем источника питания не поляризован, что позволяет легко испортить и случайно подключить отрицательный источник питания к положительному входу цепи.

Недостаток обратного защитного диода заключается в том, что он вызывает некоторую потерю напряжения из-за прямого падения напряжения.Это делает диоды Шоттки отличным выбором для диодов с обратной защитой.

Логические ворота

Забудьте о транзисторах! Простые цифровые логические элементы, такие как И или ИЛИ, могут быть построены из диодов.

Например, диодный логический элемент ИЛИ с двумя входами может быть построен из двух диодов с общими катодными узлами. Выход логической схемы также находится в этом узле. Всякий раз, когда любой из входов (или оба) представляет собой логическую 1 (высокая / 5 В), выход также становится логической 1.Когда оба входа имеют логический 0 (низкий / 0 В), выходной сигнал низко через резистор.

Ворота И построены аналогичным образом. Аноды обоих диодов соединены вместе, и именно там находится выход схемы. На обоих входах должна быть логическая 1, заставляющая ток течь к выходному контакту и также тянуть его высоко. Если на любом из входов низкий уровень, ток от источника 5 В проходит через диод.

Для обоих логических элементов можно добавить больше входов, добавив только один диод.

диодов обратного хода и подавления скачков напряжения

Диоды очень часто используются, чтобы ограничить потенциальный ущерб от неожиданных больших скачков напряжения. Диоды для подавления переходных напряжений (TVS) — это специальные диоды, такие как стабилитроны, с низким напряжением пробоя (часто около 20 В), но с очень большой номинальной мощностью (часто в диапазоне киловатт). Они предназначены для шунтирования токов и поглощения энергии, когда напряжение превышает их напряжение пробоя.

Диоды с обратной связью

выполняют аналогичную работу по подавлению всплесков напряжения, особенно вызванных индуктивным компонентом, таким как двигатель.Когда ток через индуктор внезапно изменяется, возникает скачок напряжения, возможно, очень большой, отрицательный скачок. Обратный диод, помещенный поперек индуктивной нагрузки, обеспечит этот отрицательный сигнал напряжения безопасным путем к разрядке, фактически повторяя петлю через индуктор и диод, пока он в конечном итоге не погаснет.

Это всего лишь несколько приложений для этого удивительного маленького полупроводникового компонента.


Закупочные диоды

Теперь, когда ваш текущий движется в правильном направлении, пришло время эффективно использовать ваши новые знания.Если вы ищете отправную точку или просто запасаетесь, у нас есть набор Inventor, а также отдельные диоды на выбор.

Наши рекомендации:

Диод Шоттки

В наличии COM-10926

Диоды Шоттки известны своим низким падением прямого напряжения и очень быстрым переключением.Этот диод Шоттки 1A 40V…

1

SparkFun Inventor’s Kit — V3.2

На пенсии KIT-12060

** Как вы могли видеть из [нашего блога] (https://www.sparkfun.com/news/2241), мы недавно перенесли нашу форму для литья под давлением для SIK…

76 пенсионер

Ресурсы и дальнейшее развитие

Теперь, когда вы получили контроль над диодами, возможно, вы хотите продолжить исследовать больше полупроводников:

Или откройте для себя некоторые другие распространенные электронные компоненты:

,
Простая английская Википедия, бесплатная энциклопедия
Анод и Катод. Катод отмечен на корпусе.

Диод — это электронный компонент с двумя электродами (разъемами), который позволяет электричеству проходить через него в одном направлении, а не в другом.

Диоды могут быть использованы для преобразования переменного тока в постоянный ток (Диодный мост). Они используются в источниках питания, а иногда и для декодирования радиосигналов амплитудной модуляции (как в кристаллическом радио).Светодиоды (светодиоды) представляют собой тип диодов, которые производят свет.

Сегодня самые распространенные диоды изготавливаются из полупроводниковых материалов, таких как кремний или иногда германий.

Первые типы диодов назывались клапанами Флеминга. Это были вакуумные трубки. Они были внутри стеклянной трубки (очень похоже на лампочку). Внутри стеклянной колбы была маленькая металлическая проволока и большая металлическая пластина. Маленький металлический провод нагревался и излучал электричество, которое захватывалось пластиной.Большая металлическая пластина не нагревалась, поэтому электричество могло проходить в одном направлении через трубу, но не в другом направлении. Клапаны Флеминга больше не используются, потому что они были заменены полупроводниковыми диодами, которые меньше, чем клапаны Флеминга. Томас Эдисон также обнаружил это свойство, работая над своими лампочками.

Структура лампового диода

Полупроводниковые диоды изготовлены из двух типов полупроводников, соединенных друг с другом. Один тип имеет атомы с дополнительными электронами (так называемая n-сторона).Другой тип имеет атомы, которые хотят электронов (так называемая р-сторона). Из-за этого электричество будет легко перетекать со стороны со слишком большим количеством электронов в сторону со слишком небольшим количеством. Однако электричество не будет течь легко в обратном направлении. Эти различные типы сделаны легированием (полупроводник). Кремний с растворенным в нем мышьяком является хорошим полупроводником на n-стороне, а кремний с растворенным в нем алюминием — хорошим полупроводником на p-стороне. Другие химические вещества также могут работать.

Разъем на стороне n называется катодом, разъем на стороне p называется анодом.

Положительное напряжение на стороне p [изменить | изменить источник]

Если вы подаете положительное напряжение на сторону p и отрицательное напряжение на сторону n, электроны на стороне n захотят перейти к положительному напряжению на стороне p, а отверстия на стороне p захотят перейти к отрицательному напряжению на н-стороне. Из-за этого поток тока может существовать, но для его запуска требуется определенное количество напряжения (очень маленькое количество напряжения недостаточно, чтобы электрический ток протекал).Это называется напряжением включения. Напряжение включения кремниевого диода составляет около 0,7 В. Германиевому диоду необходимо напряжение включения около 0,3 В.

Отрицательное напряжение на стороне p [изменить | изменить источник]

Если вместо этого вы подаете отрицательное напряжение на сторону p и положительное напряжение на сторону n, электроны стороны n хотят перейти к источнику положительного напряжения вместо другой стороны диода. То же самое происходит на стороне р. Таким образом, ток не будет течь между двумя сторонами диода.Увеличение напряжения в конечном итоге заставит протекать электрический ток (это напряжение пробоя). Многие диоды будут разрушены обратным потоком, но некоторые сделаны, чтобы выжить.

Когда температура увеличивается, напряжение включения снижается. Это облегчает прохождение электричества через диод.

Существует много типов диодов. Некоторые из них имеют очень специфическое использование, а некоторые имеют множество применений.

Символы [изменить | изменить источник]

Вот некоторые распространенные символы полупроводниковых диодов, используемые на принципиальных схемах:

Стандартный выпрямительный диод [изменить | изменить источник]

Это изменяет A / C (переменный ток, как в розетке в доме) на D / C (постоянный ток, используемый в электронике).Стандартный выпрямительный диод имеет особые требования. Он должен выдерживать большой ток, не подвергаться значительному воздействию температуры, иметь низкое напряжение включения и поддерживать быстрые изменения направления тока. Современная аналоговая и цифровая электроника использует такие выпрямители.

Светодиод [изменить | изменить источник]

Светодиод излучает свет при прохождении через него электричества. Это более длительный и эффективный способ создания света, чем лампы накаливания. В зависимости от того, как это было сделано, светодиод может делать разные цвета.Светодиоды были впервые использованы в 1970-х годах. Светодиод может в конечном итоге заменить лампочку, так как развивающаяся технология делает ее ярче и дешевле (она уже более эффективна и длится дольше). В 1970-х годах светодиоды использовались для отображения цифр в таких приборах, как калькуляторы, и в качестве способа показать, что питание включено для больших приборов. [1]

Фотодиод [изменить | изменить источник]

Фотодиод — это фотодетектор (противоположность светодиода).Он реагирует на свет, который входит. Фотодиоды имеют оконное или оптоволоконное соединение, которое пропускает свет в чувствительную часть диода. Диоды обычно имеют сильное сопротивление; свет уменьшает сопротивление. [2]

стабилитрон [изменить | изменить источник]

Стабилитрон похож на обычный диод, но вместо разрушения большим обратным напряжением он пропускает электричество. Необходимое для этого напряжение называется напряжением пробоя или напряжением стабилитрона. [3] Поскольку он построен с известным напряжением пробоя, его можно использовать для подачи известного напряжения.

Varactor Diode [изменить | изменить источник]

Варикап или варактор используется во многих устройствах. Он использует область между p-стороной и n-стороной диода, где электроны и дырки уравновешивают друг друга. Это называется зоной истощения. Изменяя величину обратного напряжения, размер зоны истощения изменяется. В этой области имеется некоторая емкость, и она изменяется в зависимости от размера зоны истощения.Это называется переменной емкостью или для краткости варикап. [4] Используется в ФАПЧ (контурах фазовой синхронизации), которые используются для управления высокоскоростной частотой, на которой работает чип.

Step-Recovery-Diode [изменить | изменить источник]

Символ является символом диода с некой загвоздкой. Используется в цепях с высокими частотами до ГГц. Он отключается очень быстро, когда прекращается прямое напряжение. Для этого используется ток, который течет после изменения полярности.

PIN-диод [изменить | изменить источник]

Конструкция этого диода имеет внутренний (нормальный) слой между n- и p-сторонами. На более медленных частотах он действует как стандартный диод. Но на высоких скоростях он не успевает за быстрыми изменениями и начинает действовать как резистор. Внутренний слой также позволяет ему обрабатывать входы высокой мощности и может использоваться в качестве фотодиода.

диод Шоттки [изменить | изменить источник]

Символом этого является символ диода с буквой «S» на пике.Вместо того, чтобы обе стороны были полупроводниками (такими как кремний), одна сторона была металлической, как алюминий или никель. Это снижает напряжение включения примерно до 0,3 вольт. Это примерно половина порогового напряжения обычного диода. Функция этого диода состоит в том, что не вводятся неосновные носители — на n-стороне есть только дыры, а не электроны, а на p-стороне есть только электроны, а не дырки. [5] Поскольку он чище, он может реагировать быстрее, без диффузионной емкости, которая может замедлять его. Это также создает меньше тепла и является более эффективным.Но он имеет некоторую утечку тока при обратном напряжении.

Когда диод переключается с постоянного тока на постоянный ток, это называется переключением. Это занимает десятки наносекунд в типичном диоде; это создает некоторый радиошум, который временно ухудшает радиосигналы. Диод Шоттки переключается за небольшую долю того времени, меньше наносекунды.

Туннельный диод [изменить | изменить источник]

В символе туннельного диода есть дополнительная квадратная скобка в конце обычного символа.

Туннельный диод состоит из высоколегированного pn-перехода. Из-за этого высокого легирования существует только очень узкая щель, через которую электроны могут проходить. Этот туннельный эффект появляется в обоих направлениях. После того, как определенное количество электронов прошло, ток через зазор уменьшается до тех пор, пока не начнется нормальный ток через диод при пороговом напряжении. Это вызывает область отрицательного сопротивления. Эти диоды используются для работы с действительно высокими частотами (100 ГГц).Он также устойчив к радиации, поэтому их используют в космических кораблях. Они также используются в микроволновых печах и холодильниках. [6]

Обратный диод [изменить | изменить источник]

Символ имеет в конце диода знак, который выглядит как большой I. Он сделан аналогично туннельному диоду, но n- и p-слой не легированы так высоко. Это позволяет току течь в обратном направлении при небольших отрицательных напряжениях. Он может быть использован для устранения низкого напряжения (менее 0,7 вольт).

Кремниевый выпрямитель (SCR) [изменить | изменить источник]

Вместо двух слоев, как обычный диод, он имеет четыре слоя, в основном это два диода, соединенных вместе, с затвором посередине.Когда между затвором и катодом подается напряжение, включается нижний транзистор. Это позволяет току проходить, что активирует верхний транзистор, и тогда ток не нужно будет включать напряжением затвора. [7]

Wikimedia Commons имеет СМИ, связанные с Диоды .
,
Твердотельные диоды и характеристики диодов [Analog Devices Wiki]

В электронике диод представляет собой двухполюсный компонент с асимметричной характеристикой тока и напряжения, с низким (в идеале нулевым) сопротивлением току, протекающему в одном направлении, и высоким (идеально бесконечным) сопротивлением в другом. Кремниевый полупроводниковый диод, наиболее распространенный тип, представляет собой монокристаллический кусок полупроводникового материала с PN-переходом, соединенным с двумя электрическими клеммами.

5.1 Соединение PN

PN-переход образуется путем объединения полупроводников p-типа и n-типа в одну кристаллическую решетку. Термин «соединение» относится к границе раздела, где встречаются две области полупроводника. Если бы переход был построен из двух отдельных частей, это привело бы к разрыву в кристаллической решетке, поэтому PN-переходы создаются в монокристалле полупроводника путем введения определенных примесей, называемых легирующими примесями, например, путем ионной имплантации, диффузии или эпитаксии (выращивания). слой кристаллов, легированных примесями n-типа, поверх слоя кристаллов, легированных примесями р-типа, например).

PN-переходы — это элементарные строительные блоки почти всех полупроводниковых электронных устройств, таких как диоды, транзисторы, солнечные элементы, светодиоды и интегральные схемы; это активные сайты, где происходит электронное действие устройства. Например, обычный тип транзистора, биполярный переходный транзистор, состоит из двух последовательных контактов PN в форме NPN или PNP.

5.1.1 Свойства PN-соединения

PN-переход проявляет некоторые интересные свойства, которые имеют полезные применения в твердотельной электронике.Полупроводник с примесью р-типа является относительно проводящим. То же самое верно для n-легированного полупроводника, но переход между областями p и n-типа является непроводящим. Этот непроводящий слой, называемый слоем обеднения, возникает потому, что электрически заряженные носители, электроны n-типа и дырки кремния p-типа диффундируют в материал другого типа (, т. Е. электронов p-типа и дырок в n). -тип) и устранить друг друга в процессе, называемом рекомбинацией. Эта диффузия заряда вызывает встроенную разность потенциалов в области обеднения.Управляя этим непроводящим слоем, PN-переходы обычно используются в качестве диодов: элементов схемы, которые обеспечивают поток электроэнергии в одном направлении, но не в другом (противоположном) направлении. Это свойство объясняется в терминах прямого смещения и обратного смещения, где термин смещение относится к приложению электрического напряжения к PN-переходу. PN-переход будет проводить ток, когда приложенное внешнее напряжение превышает встроенный потенциал перехода.

5.1.2 Равновесие (нулевое смещение)

В PN-переходе без внешнего приложенного напряжения достигается состояние равновесия, при котором разность потенциалов формируется через переход.Эта разность потенциалов называется встроенным потенциалом В BI .

На стыке полупроводников p-типа и n-типа более высокая концентрация электронов в области n-типа вблизи границы раздела PN имеет тенденцию диффундировать в область p-типа. Когда электроны диффундируют, они оставляют положительно заряженные ионы (доноры) в n-области. Аналогично, более высокая концентрация дырок на стороне p-типа вблизи границы раздела PN начинает диффундировать в область n-типа, оставляя фиксированные ионы (акцепторы) с отрицательным зарядом.Области, непосредственно прилегающие по обе стороны от интерфейса PN, теряют свою нейтральность и становятся заряженными, образуя область пространственного заряда или слой обеднения (см. Рисунок 5.1).

Рисунок 5.1 PN-переход в равновесии

Электрическое поле, создаваемое областью пространственного заряда, противодействует процессу диффузии как электронов, так и дырок. Есть два одновременных явления: процесс диффузии, который имеет тенденцию генерировать больше пространственного заряда, и электрическое поле, генерируемое пространственным зарядом, который имеет тенденцию противодействовать диффузии.В равновесии эти две силы уравновешивают друг друга. Профиль концентрации носителей в равновесии показан на рисунке 5.1 с синими и красными линиями. Также показаны два явления уравновешивания, которые устанавливают равновесие.

Область пространственного заряда представляет собой зону с суммарным зарядом, обеспечиваемым фиксированными ионами (донорами или акцепторами), которые были оставлены открытыми из-за диффузии основных носителей. Когда равновесие достигнуто, плотность заряда аппроксимируется отображаемой ступенчатой ​​функцией на рисунке 5.2 Q (x) график. Фактически область полностью обеднена основными носителями (оставляя плотность заряда равной чистому уровню легирования), и граница между областью пространственного заряда и нейтральной областью довольно резкая. Область пространственного заряда имеет одинаковый заряд на обеих сторонах ПШ-интерфейса, поэтому она распространяется дальше в сторону с меньшей степенью легирования (сторона n на рисунках 5.1 и 5.2).

5.1.3 Прямое смещение

При прямом смещении положительное напряжение прикладывается к стороне p-типа относительно стороны n-типа соединения.При таком напряжении дырки в области p-типа и электроны в области n-типа выталкиваются в направлении перехода. Это уменьшает ширину обедненного слоя. Положительный заряд, приложенный к материалу p-типа, отталкивает отверстия, в то время как отрицательный заряд, приложенный к материалу n-типа, отталкивает электроны. Расстояние между электронами и дырками уменьшается, поскольку они вынуждены к соединению. Это снижает встроенный потенциальный барьер. С увеличением напряжения прямого смещения обеднительный слой в конечном итоге становится достаточно тонким, чтобы встроенное электрическое поле больше не могло противодействовать движению носителей заряда через PN-переход, что приводит к снижению электрического сопротивления.Электроны, которые пересекают PN-переход в материал p-типа (или отверстия, которые переходят в материал n-типа), будут диффундировать в почти нейтральную область. Следовательно, величина незначительной диффузии в околонейтральных зонах определяет величину тока, который может протекать через диод.

Только основные носители (электроны в материале n-типа или дырки в p-типе) могут протекать через полупроводник на макроскопическую длину. Имея это в виду, рассмотрим поток электронов через соединение.Прямое смещение вызывает силу на электронах, толкающих их со стороны N к стороне P. При прямом смещении область обеднения достаточно узка, чтобы электроны могли пересекать соединение и впрыскиваться в материал р-типа. Однако они не продолжают течь через материал р-типа бесконечно, потому что для них энергетически выгодно рекомбинировать с отверстиями. Средняя длина, по которой электрон проходит через материал р-типа до рекомбинации, называется диффузионной длиной, и обычно она составляет порядка микрон.

Хотя электроны проникают в материал р-типа только на короткое расстояние до рекомбинации, электрический ток продолжает непрерывный, потому что дырки (основные носители) начинают течь в противоположном направлении, заменяя те, с которыми рекомбинируют электроны неосновных носителей. Общий ток (сумма токов электронов и дырок) постоянен в пространстве, потому что любое изменение приведет к накоплению заряда с течением времени (это текущий закон Кирхгофа). Поток дырок из области p-типа в область n-типа в точности аналогичен потоку электронов из N в P (электроны и дырки меняются ролями, а знаки всех токов и напряжений меняются местами).

Следовательно, макроскопическая картина протекания тока через диод включает в себя электроны, протекающие через область n-типа к переходу, дырки, протекающие через область p-типа в противоположном направлении к переходу, и два вида носителей, постоянно рекомбинирующих в окрестность (определяемая диффузионной длиной) соединения. Электроны и дырки движутся в противоположных направлениях, но они также имеют противоположные заряды, поэтому общий ток с обеих сторон диода в одном направлении, как требуется.

5.1.4 Обратное смещение

Обратное смещение обычно относится к тому, как диод используется в цепи. Если диод смещен в обратном направлении, напряжение на катоде выше, чем на аноде. Следовательно, ток не будет течь, пока электрическое поле не станет настолько сильным, что диод сломается.

Поскольку материал р-типа теперь соединен с отрицательной стороной приложенного напряжения, отверстия в материале р-типа отводятся от места соединения, вызывая увеличение толщины обедненного слоя.Точно так же, поскольку область n-типа связана с положительной стороной, электроны также будут отведены от соединения. Следовательно, обедненный слой расширяется и делает это все больше с увеличением напряжения обратного смещения. Это увеличивает барьер напряжения, вызывая высокое сопротивление потоку носителей заряда, таким образом позволяя только очень маленькому электрическому току протекать через PN переход.

Напряженность электрического поля обедненного слоя увеличивается с увеличением напряжения обратного смещения.Как только напряженность электрического поля возрастает выше критического уровня, слой истощения PN-перехода разрушается, и начинает течь ток, обычно в результате процессов пробоя Зенера или лавины. Оба эти процесса пробоя являются неразрушающими и обратимыми, если количество протекающего тока не достигает уровней, которые вызывают перегрев полупроводникового материала и термическое повреждение.

Этот эффект используется в своих интересах в схемах стабилизатора стабилитрона.Стабилитроны имеют четко определенное низкое напряжение обратного пробоя по конструкции. Типичным значением напряжения пробоя является, например, 6,2 В. Это означает, что напряжение на катоде никогда не может быть более чем на 6,2 В выше, чем напряжение на аноде, потому что диод сломается и, следовательно, проведет, если напряжение станет выше. Это эффективно ограничивает напряжение на диоде.

Другое применение, где используются диоды с обратным смещением, — это варакторные (переменные конденсаторы) диоды.Обедненный слой действует как изолятор между двумя проводящими пластинами или выводами диода. Емкость является функцией ширины изолирующего слоя и его площади. Ширина зоны обеднения любого диода изменяется в зависимости от приложенного напряжения. Это меняет емкость диода. Варакторы специально спроектированы так, чтобы одна сторона PN-перехода была слегка легированной, поэтому на этой стороне диода будет большая область истощения. Эта более толстая область также будет в большей степени зависеть от приложенного напряжения смещения, и, таким образом, изменение емкости диода (ΔC / ΔV) будет сильно зависеть от приложенного смещения.

Краткое содержание раздела

Свойства прямого и обратного смещения PN-перехода подразумевают, что он может использоваться в качестве диода. Соединительный диод PN позволяет электрическим зарядам течь в одном направлении, но не в противоположном направлении; отрицательные заряды (электроны) могут легко проходить через переход от N к P, но не от P к N, и обратное верно для дырок. Когда PN-переход смещен вперед, электрический заряд течет свободно из-за пониженного сопротивления PN-перехода.Однако когда PN-переход смещен в обратном направлении, барьер перехода (и, следовательно, сопротивление) становится больше, а поток заряда очень мал.

5,2 фактических диодов

На рисунке 5.3 ниже приведено схематическое обозначение диода (а) и изображение типичного диода из лаборатории (б). Диоды довольно распространенные и полезные устройства. Можно рассматривать диод как устройство, которое позволяет току течь только в одном направлении. Это слишком упрощенное, но хорошее приближение.

Рисунок 5.3: (а) Схематическое обозначение диода (б) малосигнальный диод.

Как обсуждалось ранее, полупроводниковые диоды изготавливаются в виде двухслойной структуры, образующей PN-переход. Полупроводники, такие как кремний или германий, могут быть легированы небольшими концентрациями специфических примесей для получения материала, который проводит электричество через перенос электронов (n-тип) или через отверстия (р-тип). Когда слои этих двух типов легированного полупроводника сконструированы для образования PN-перехода, электроны мигрируют от стороны n-типа, а дырки уходят от стороны p-типа, как показано на рисунке.5.1. Это перераспределение заряда приводит к возникновению потенциального разрыва В BI через переход, как показано на рисунке. Этот разрыв составляет VBI ~ 0 . 7 В для кремния и ~ 0 . 3 V для германия.

Рисунок 5.4. PN-переход, образующий разрыв напряжения на контакте.

Когда этот диод PN-соединения теперь подключен к внешнему напряжению, это может эффективно увеличить или уменьшить встроенный потенциальный зазор.Это приводит к совершенно другому поведению, в зависимости от полярности этого внешнего напряжения, как показано на типичном графике В — I . 5.5. Когда диод смещен в обратном направлении, как показано на рисунке 5.6, зазор увеличивается, и через переход происходит очень малый ток (до тех пор, пока в конечном итоге в этом примере при напряжении ~ 6,2 В не произойдет пробой поля). И наоборот, смещенная в прямом направлении конфигурация уменьшает зазор, приближаясь к нулю для внешнего напряжения, равного напряжению зазора, и ток может течь легко.

Выражение для (прямого смещения) напряжения диода В D выглядит следующим образом:

(5,1)

Где:
В D = приложенное напряжение на диоде
к = постоянная Больцмана (1.38E-23 Дж / Кельвин)
T = абсолютная температура в Кельвинах
q = заряд электрона (1.6E-19 Кулоны)
I D = фактический ток через диод
I S = ток диффузии (постоянная, зависящая от устройства)
(так называемое тепловое напряжение, В T , составляет кТ / кв = 26 мВ при комнатной температуре.)

Приведенное выше уравнение можно переставить так, чтобы обеспечить I D :

(5.2)

Таким образом, при обратном смещении диод ведет себя очень похоже на разомкнутый переключатель; и при прямом смещении для токов около 10 мА или больше, диод дает почти постоянное падение напряжения ~ 0,7 В . Ток диффузии I S, зависит от уровня легирования примесей n-типа и p-типа, площади диода и (очень) от температуры.Разумной отправной точкой для диода интегральной схемы с малой геометрией является I S = 1E -16 .

Рисунок 5.5: Напряжение, В, , , D и ток, I , D , поведение диода.

Противоположные заряды в полупроводниковом переходе ничем не отличаются от зарядов на пластинах конденсатора. Таким образом, у каждого соединения есть емкость; но, поскольку расстояние между электронами и дырками, обедненный слой, изменяется с приложенным напряжением, емкость зависит от приложенного напряжения.Чем ниже напряжение, тем выше емкость, и она будет увеличиваться прямо в область прямого смещения.

Рисунок 5.6. Отношение напряжения к току для стабилитрона 6,2 В

Еще одна вещь, которую следует отметить о реальных диодах, это последовательное сопротивление в полупроводниковом материале, не поглощаемое областью обеднения. Для общей концентрации 5E 15 (атомов легирующей примеси на кубический сантиметр, что дает практическое напряжение пробоя в микросхеме около 25 Вольт), объемное удельное сопротивление составляет около 1 Ом-см для кремния, легированного фосфором (n-тип), и 3 Ом-см для бора (р-типа).Для сравнения, металл как алюминий имеет удельное сопротивление 2,8 мкОм-см, меди 1,7 мкОм-см. Объемное сопротивление (ρ или rho) измеряется между противоположными поверхностями куба материала с длиной стороны (w, h, l) 1 см (10 мм).

5.3 Температурное поведение диодов

Из уравнения напряжения диода 5.1 видно, что оно содержит абсолютный температурный член Т. Кроме того, диффузионный ток I S фактически не является постоянным, а сильно зависит от температуры.В нижнем наборе графиков на рисунке 5.7 изображено смоделированное напряжение диода в зависимости от температуры для четырех различных токов диода (зеленый = 1 мА, , синий = 2 мА, , красный = 5 мА и голубой = 10 мА). Из кривых видно, что напряжение диода имеет довольно сильную отрицательную температурную зависимость.

На верхнем графике показана разница между кривыми 2 мА и 1 мА, а также разница между кривыми 5 мА и 10 мА. Эти два результата лежат точно друг на друге.Причина этого очевидна, если мы рассмотрим уравнение напряжения на диоде более внимательно.

Рисунок 5.7 Напряжение на диоде в зависимости от температуры при 1 мА, 2 мА, 5 мА и 10 мА

(5.3)

Переставляя и предполагая, что I S1 = I S2 мы получаем:

(5.4)

Теперь сильный температурный эффект I S выпадает из уравнения, и у нас остается только абсолютный температурный член T, что делает ΔV D пропорциональным абсолютной температуре (PTAT).Оба В D2 В D1 и В D4 В D3 имеют одинаковое соотношение 2: 1 для своих токов, поэтому кривые ΔV D будут точно лежать на друг на друга При комнатной температуре тепловое напряжение В Т составляет около 26 мВ , что при умножении на ln (2) составляет приблизительно 18 мВ, показанное на графике при 25 градусах.

5.4 Линейная модель

Линейная модель диода аппроксимирует экспоненциальные характеристики I — В прямой линией, которая касается фактической кривой в точке смещения постоянного тока.На рисунке 5.8 показана кривая с касательной в точке ( В, , , D , I, , D ). Кривая пересекает горизонтальную ось при напряжении В D0 . Для небольших изменений в В D и I D относительно точки касания, касательная дает хорошее приближение к фактической кривой.

Рис. 5.8 I — характеристики В с касательной к ( В D , I D )

Наклон касательной линии определяется как:

(5.5)

I D часто намного больше, чем I S , поэтому уравнение часто упрощается до:

(5.6)

Уравнение касательной линии имеет вид:

(5.7)

5.5 Модель малого сигнала

Поскольку уравнение диода для I D как функция В D является нелинейным, инструменты линейного анализа цепей нельзя применять к цепям, содержащим диоды, так же, как к цепям, содержащим только резисторы.Однако, если ток диода известен для конкретного напряжения, линейный анализ цепи может использоваться для прогнозирования изменения тока для данного изменения напряжения, при условии, что изменение будет постепенно увеличиваться. Такой подход называется анализом слабых сигналов. Несколько слов о нотации:

Где:
В D и I D являются значениями смещения постоянного тока, а v d и i d являются изменениями слабого сигнала относительно значений смещения.

Сопротивление слабого сигнала определяется как отношение v d к i d и определяется как:

(5.8)

Это приводит к тому же r d , что и в линейной касательной модели диода на рисунке 5.8. Таким образом, слабосигнальная модель диода при прямом смещении является резистором со значением r d . Значение r d обратно пропорционально току, проходящему через него. Каждый раз, когда ток удваивается, сопротивление уменьшается вдвое.Из линейной модели диодов следует, что r d можно графически интерпретировать как обратную величину наклона кривой i D по сравнению с v D в точке ( V D , I D ) ,

Краткое содержание раздела

  1. Полупроводники содержат два типа мобильных носителей заряда: положительно заряженные дырки и отрицательно заряженные электроны.

  2. Полупроводник может быть легирован донорными примесями (легирование n-типа), так что он содержит подвижные заряды, которые являются электронами.

  3. Полупроводник может быть легирован примесями акцептора (легирование р-типа), так что он содержит подвижные заряды, которые являются дырками.

  4. Существует два важных механизма протекания тока в полупроводнике:

    1. диффузия носителей в результате градиента концентрации; и

    2. дрейф носителей в электрическом поле.

  5. В состоянии равновесия встроенный потенциал или потенциальный барьер В BI Вольт развивается через PN-переход.
  6. При применении прямого напряжения смещения В DF встроенный потенциал уменьшается до В BI В D , и ток протекает через диод при В DF больше В BI .
  7. При применении напряжения обратного смещения В DR высота потенциального барьера увеличивается до В BI + В DR и может протекать небольшой ток.
  8. Когда В BI + В DR больше некоторого критического напряжения, где электрическое поле выше, чем диэлектрическая прочность полупроводника, происходит обратное размыкание перехода и течет ток.
  9. Общий ток диода I D связан с приложенным напряжением В D

ADALM1000 Лабораторное задание 2. Диод I противКривые V
ADALM1000 Лабораторная работа, Емкость, зависящая от напряжения PN-соединения

Лабораторное задание ADALM2000 2. Кривые диодов I и V
Лабораторное занятие ADALM2000, зависящая от напряжения емкость PN-соединения
Лабораторное задание ADALM2000: Дифференциальный датчик температуры

Вернуться к предыдущей главе

Перейти к следующей главе

Вернуться к содержанию

университет / курсы / электроника / текст / глава-5.txt · Последнее изменение: 06 июня 2017 г. 16:58 по dmercer

.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *