|
|
|
Диоды и их разновидности | Твой Дом
Мы очень часто используем диоды в наших схемах, но знаете ли вы, как они работают и что это такое? Сегодня семейство диодов включает более десятка полупроводниковых приборов, называемых «диодами». Диод — это небольшая накачанная воздушная посуда, внутри которой в непосредственной близости друг от друга находятся анод и второй электрод, катод, один из которых обладает электропроводностью p-типа, а другой — n-типа.
Чтобы проиллюстрировать работу диода, возьмем в качестве примера ситуацию накачивания колеса насосом. Здесь мы работаем с насосом, воздух закачивается в камеру через ниппель, и этот воздух не может вернуться обратно через ниппель. По сути, воздух — это то же самое, что и электрон в диоде: электрон вошел и не может вернуться. Если клапан выходит из строя, колесо сдувается, диод выходит из строя. Если представить, что клапан работает, и вы нажимаете на клапан и выпускаете из него воздух, и нажимаете его так, как вам хочется, и с тем временем, с которым вам хочется, то это будет контролируемый отказ. Из этого можно сделать вывод, что диод пропускает ток только в одном направлении (в другом направлении он тоже пропускает ток, но очень маленький).
Внутреннее сопротивление диода (открытого) непостоянно и зависит от приложенного к нему прямого напряжения. Чем выше напряжение, тем больше прямой ток через диод, тем меньше сопротивление диода. Сопротивление диода можно оценить по падению напряжения на диоде и току, протекающему через него. Например, если диод проводит постоянный ток Iпр. = 100 мА (0,1 А) и на нем одновременно падает напряжение 1 В, то (согласно закону Ома) сопротивление прямого диода составит: R = 1 / 0,1 = 10 Ом.
Сразу стоит отметить, что мы не будем вдаваться в подробности и углубляться в детали, строить диаграммы и писать формулы. В этой статье мы рассмотрим различные типы диодов, а именно светодиоды, диоды Зенера, варикапы, диоды Шоттки и т.д.
Диоды
Они обозначаются на электрических схемах таким образом:
Треугольная часть — ANOD, а черточка — CATOD. Анод — это плюс, а катод — минус. Диоды, например, используются в источниках питания для выпрямления переменного тока, для преобразования переменного тока в постоянный с помощью диодного моста, для защиты различных устройств от обратной полярности и т.д.
Диодный мост состоит из 4 диодов, соединенных последовательно, причем два из четырех диодов соединены в противоположных направлениях, см. рисунки ниже.
Именно так называется диодный мост, хотя на некоторых схемах его сокращенно называют диодным мостом:
подключен к трансформатору, на схеме это будет выглядеть следующим образом:
Диодный мост используется для преобразования, чаще называемого выпрямлением, переменного тока в постоянный. Такое выпрямление называется полуволновым выпрямителем. Принцип работы диодного моста заключается в том, что положительная полуволна переменного напряжения проходит через положительные диоды, а отрицательная полуволна отсекается отрицательными диодами. Поэтому на выходе выпрямителя образуется слегка пульсирующее положительное напряжение постоянной величины.
Ч.4 Диоды и их разновидности
Чтобы избежать этих пульсаций, устанавливаются электролитические конденсаторы, при добавлении конденсатора напряжение немного повышается, но не будем развивать эту тему, о конденсаторах можно прочитать здесь.
Диодные мосты используются для питания радиоприемников, источников питания и зарядных устройств. Как уже говорилось, диодный мост может состоять из четырех одинаковых диодов, но продаются и готовые диодные мосты, они выглядят следующим образом:
Диод Шоттки
Диоды Шоттки имеют очень низкое падение напряжения и работают быстрее, чем обычные диоды.
Не рекомендуется заменять диод Шоттки обычным диодом, так как обычный диод может быстро выйти из строя. Диод обозначается на схемах следующим образом:
Стабилитрон
Стабилизирующие устройства не позволяют напряжению превысить определенное значение в данной точке цепи. Он может выполнять как защитную, так и ограничительную функцию и используется только в цепях постоянного тока. При подключении необходимо соблюдать полярность. Стабилитроны одного типа могут быть соединены последовательно для увеличения стабилизированного напряжения или для формирования делителя напряжения.
На диаграммах стабилитроны обозначены следующим образом:
Основным параметром стабилизаторов является напряжение стабилизации, стабилизаторы имеют различные напряжения стабилизации, например, 3В, 5В, 8,2В, 12В, 18В и т.д.
Варикап
Варактор (также называемый емкостным диодом) изменяет свое сопротивление в зависимости от приложенного к нему напряжения. Он используется в качестве управляемого переменного конденсатора, например, для настройки высокочастотных колебательных контуров.
Тиристор
Тиристоры имеют два устойчивых состояния: 1) закрытое, т.е. состояние с низкой проводимостью, и 2) открытое, т.е. состояние с высокой проводимостью. Другими словами, он способен переходить из закрытого состояния в открытое при подаче сигнала.
Тиристор имеет три вывода, помимо анода и катода, управляющий электрод, который используется для перевода тиристора во включенное состояние. Сегодня импортные тиристоры выпускаются в корпусах TO-220 и TO-92.
Зачем нужны разные диоды | Диод Шоттки | Диодный мост | Стабилитрон | Диод Шоттки | Варикап
Тиристоры часто используются в системах управления питанием, для плавного пуска двигателей или переключения лампочек. Тиристоры позволяют управлять большими токами. Тиристоры могут достигать максимального постоянного тока 5 000 А и более и иметь напряжение замкнутой цепи до 5 кВ. Мощные тиристоры типа Т143(500-16) используются в панелях управления двигателями и преобразователях частоты.
Симистор
Симисторы используются в системах питания переменного тока и могут быть представлены как два тиристора в противофазе. Симистор пропускает ток в обоих направлениях.
Светодиод
Светодиод излучает свет, когда через него проходит электрический ток. Светодиоды используются в устройствах отображения информации, электронных компонентах (оптопарах), мобильных телефонах для подсветки дисплеев и клавиатур, мощные светодиоды используются в качестве источника света в фонарях и т.д. Светодиоды бывают разных цветов, RGB и т.д.
Символы на диаграммах:
Подробнее о светодиодах можно прочитать здесь.
Инфракрасный диод
Инфракрасные светодиоды (сокращенно ИК-светодиоды) излучают свет в инфракрасном спектре. Типичные области применения ИК-светодиодов включают оптические приборы, пульты дистанционного управления, оптопары и беспроводные линии связи. ИК-светодиоды называются так же, как и светодиоды.
ИК-светодиоды излучают свет вне видимого диапазона, свечение ИК-светодиода можно увидеть через камеру мобильного телефона, эти светодиоды также используются в камерах видеонаблюдения, особенно в уличных камерах в темноте.
Фотодиод
Фотодиод преобразует свет, попадающий на его светочувствительную область, в электрический ток и используется для преобразования света в электрический сигнал.
Фотодиоды (а также фоторезисторы, фототранзисторы) можно сравнить с солнечными батареями. На электрических схемах они обозначаются следующим образом:
Объяснение урока: Диоды | Nagwa
В этом объяснении мы научимся описывать принцип работы диодов и определять материалы, используемые в их конструкции.
Диод — это компонент электрической цепи, пропускающий через себя ток в одном направлении, но не в противоположном.
Символ диода на электрической схеме представляет собой треугольник, указывающий на прямую линию, перпендикулярную проводу.
Ориентация треугольника на символе указывает направление, в котором разрешен ток.
Рассмотрим приведенную ниже простую схему, состоящую из ячейки, диода и резистора.
Напомним, что обычный ток идет от положительной клеммы к отрицательной клемме, которая на этой схеме расположена по часовой стрелке. В этом Например, ток совпадает с направлением диода, поэтому в цепи будет ток.
Теперь представьте, что мы подключили ячейку наоборот, так что ток идет в противоположном направлении.
В этом случае направление тока противоположно разрешенному диодом, поэтому тока в этой цепи не будет.
Пример 1: Обозначение схемы для диода
Какая из следующих диаграмм правильно показывает, каким образом ток может течь через диод?
Ответ
В этом примере нам нужно вспомнить, в каком направлении может проходить ток через диод.
Здесь полезен символ диода, так как треугольник указывает направление допустимого тока. В варианте А текущий указывает в направлении, противоположном треугольнику, поэтому диод не пропускает ток в этом направлении.
В варианте B стрелка, обозначающая ток, указывает в том же направлении, что и символ диода, поэтому ток может проходить в этом направлении.
Таким образом, вариант B является правильным ответом.
Диоды используются в различных электрических цепях. Как мы видели, подключение ячейки наоборот предотвращает любой ток, если диод присутствует, поэтому диоды можно использовать для защиты других электрических компонентов от повреждения в случае неправильного подключения источника питания. наоборот.
Диод также можно использовать для преобразования переменного тока в постоянный. Переменный ток используется в источниках питания от сети, и это периодически меняет направление.
Когда в цепь вводится диод, отрицательная часть цикла эффективно отменяется, остается только положительный ток.
В следующих примерах мы рассмотрим влияние диодов на электрические цепи.
Пример 2. Диоды на принципиальных схемах
На схеме показана цепь, содержащая несколько диодов и лампочек. Все лампочки подключены параллельно ячейке. Какая из лампочек горит, если есть?
Ответ
В этом примере у нас есть схема, содержащая источник питания, три лампочки и пять диодов. Лампочки подключены параллельно.
Во-первых, нам нужно вспомнить, что обычный ток идет от положительной клеммы к отрицательной клемме и что положительный терминал представлен более длинной линией. В данном случае это означает, что ток в этой цепи течет по часовой стрелке.
Три лампочки соединены параллельно, а это значит, что мы можем рассматривать каждую часть цепи отдельно. Итак, давайте посмотрим на каждую лампочку по очереди.
Лампа 1 подключена к диоду, пропускающему ток в направлении по часовой стрелке. Следовательно, через эту часть будет проходить ток. цепь, поэтому лампочка 1 будет гореть.
Лампа 2 подключена к диоду, пропускающему ток в направлении против часовой стрелки. Через эту часть не будет пропускаться ток цепи, поэтому эта лампочка не будет гореть.
Лампа 3 подключена к трем диодам. Верхний диод пропускает ток в направлении по часовой стрелке, а два других пропускают только ток в направлении против часовой стрелки. Чтобы через эту часть цепи протекал ток, все три диода должны быть разрешить это, поэтому лампочка 3 не будет гореть.
Таким образом, в этой цепи горит только одна лампочка, и это лампочка 1.
Пример 3. Диоды в принципиальных схемах
На схеме показана цепь, содержащая несколько диодов и резисторов. Все резисторы подключены параллельно ячейке. Через какие резисторы, если они есть, ток отличен от нуля?
Ответ
В этом примере у нас есть схема, содержащая источник питания, три резистора и четыре диода. Резисторы соединены параллельно, поэтому мы можем рассмотреть каждую часть схемы в отдельности.
Во-первых, вспомните, что обычный ток идет от положительного вывода (обозначенного более длинной линией) к отрицательному полюсу. (представлен более короткой линией). В данном случае это означает, что ток течет против часовой стрелки.
Оба резистора 𝑅 и 𝑅 подключены к диодам, пропускающим ток в направлении вниз или по часовой стрелке, направление. Это направление противоположно току в этой цепи, поэтому ток через 𝑅 или 𝑅.
Третий резистор 𝑅 подключен к двум диодам. Один из них — нижний на схеме — позволяет ток в направлении против часовой стрелки, как требуется. Однако верхний диод пропускает ток только по часовой стрелке. Оба эти диоды должны были бы пропускать ток, чтобы через эту часть цепи был ненулевой ток, поэтому ток через 𝑅 равно нулю.
Следовательно, ни один из резисторов не имеет ненулевого тока через них.
Рассмотрим следующие схемы, в которых у нас есть ячейка, подключенная к диоду, с амперметром для измерения тока в цепи. и вольтметр, измеряющий разность потенциалов на диоде. Мы можем изменять разность потенциалов на диоде, используя различные клетки. Мы также можем прикрепить его наоборот, как на правой диаграмме, которую мы можем представить как отрицательную разность потенциалов. В этом случае ток будет в противоположном направлении, что мы можем рассматривать как отрицательный ток.
Как изменится измеренный ток при изменении разности потенциалов на диоде? Разность ток-потенциал, или 𝐼–𝑉, график ниже показывает ток по вертикальной оси и разность потенциалов на Горизонтальная ось. Синяя линия показывает изменение тока при изменении разности потенциалов.
Когда разность потенциалов отрицательна и ток идет против часовой стрелки, диод не пропускает ток. Как только разность потенциалов становится положительной, разрешается большой ток. Диод эффективно действует как переключатель, который размыкается, когда разность потенциалов отрицательна и замкнута, когда она положительна.
Эту ситуацию мы называем «идеальным диодом». На самом деле диоды сделаны из полупроводников, которые предлагают очень высокое, но не бесконечное сопротивление в одном направлении. Это означает, что небольшое количество тока действительно существует, когда потенциал разница отрицательная. А при очень больших отрицательных разностях потенциалов он может полностью выйти из строя, и диод будет пропускать большой ток.
Когда разность потенциалов положительна, настоящий диод не будет реагировать до тех пор, пока разность потенциалов не превысит некоторый порог. Более реалистичный Диаграмма 𝐼–𝑉 больше похожа на приведенную ниже.
В этом последнем примере мы попрактикуемся в интерпретации 𝐼–𝑉 диаграмм для диодов.
Пример 4. Определение сопротивления по 𝐼–𝑉 графику диода
На графике показаны 𝐼–𝑉 характеристики диода.
- В какой из точек, отмеченных на графике, сопротивление диода наибольшее?
- В какой из точек, отмеченных на графике, сопротивление диода самое низкое?
Ответ
Часть 1
Здесь нам дан график 𝐼–𝑉 диода, который показывает нулевой ток, когда потенциал разница отрицательна; небольшая величина тока при положительной разности потенциалов; и небольшой, быстро нарастающий до большой ток при большой положительной разности потенциалов. Нам нужно определить точку на графике, где сопротивление диода является самой высокой из четырех точек, отмеченных 𝑃, 𝑄, 𝑅 и 𝑆.
Напомним, что сопротивление препятствует току. Следовательно, наибольшее сопротивление будет совпадать с областью графика, где сила тока минимальна. Это происходит, когда разность потенциалов отрицательна. Из отмеченных точек точка 𝑇 соответствует наибольшему сопротивлению.
Часть 2
Теперь нам нужно определить точку, в которой сопротивление диода самое низкое. Диод оказывает наименьшее сопротивление, когда допускается максимальный ток. Точка, соответствующая наибольшему току, — это точка 𝑃. Следовательно, сопротивление диода является самым низким в точке 𝑃.
Ключевые моменты
- Диод — это компонент электрической цепи, который позволяет току проходить через него в одном направлении, но не в противоположном.
- На электрических схемах диод обозначается следующим символом:
- Для обычного тока, от положительного вывода к отрицательному, символ указывает направление допустимого тока.
- Идеальный диод действует как переключатель, не оказывая сопротивления при положительной разности потенциалов и бесконечном сопротивлении при отрицательной.
- Настоящий диод имеет пороговое напряжение, ниже которого ток невелик, и допускает небольшой ток, когда разность потенциалов отрицательно. Он также сломается и пропустит большой ток при большой отрицательной разности потенциалов.
Что такое диод? Конструкция и работа диода PN-перехода
Содержание
Что такое диод?«Di» = два и « Ode» = электроды , то есть устройство или компонент, имеющий два электрода, а именно анод «+» (P) и катод «-» (N).
Диод представляет собой двухполюсное однонаправленное силовое электронное устройство. Полупроводниковый диод является первым изобретением в семействе устройств полупроводниковой электроники. После этого было изобретено много типов диодов. Но сегодня также наиболее часто используемым диодом является полупроводниковый диод.
Обычно для изготовления диода используется кремний. Но также используется другой полупроводниковый материал, такой как германий или арсенид германия.
Диод пропускает ток только в одном направлении и блокирует ток в другом направлении. Он предлагает низкое сопротивление (в идеале нулевое) в одном направлении и высокое сопротивление (в идеале бесконечное) в другом направлении.
Символ диода- Связанный пост: Различные типы диодов Символы
Существует два типа полупроводниковых материалов; Внутренний и внешний полупроводник. Собственный полупроводник — это чистый полупроводник, в котором дырки и электроны доступны в равном количестве при комнатной температуре. Во внешний полупроводник добавляют примеси, чтобы увеличить количество дырок или электронов. Эти примеси бывают трехвалентными (бор, индий, алюминий) или пятивалентными (фосфор, мышьяк, сурьма).
Полупроводниковый диод имеет два слоя. Один слой выполнен из слоя полупроводника P-типа, а второй слой выполнен из слоя полупроводника N-типа.
Если мы добавим трехвалентные примеси в кремний или германий, то появится большее количество дырок и это положительный заряд. Следовательно, этот слой известен как слой P-типа.
Если мы добавим пятивалентные примеси в кремний или германий, появится большее количество электронов, и это отрицательное изменение. Следовательно, этот слой известен как слой N-типа.
Диод образован путем соединения полупроводников N-типа и P-типа. Это устройство представляет собой комбинацию полупроводниковых материалов P-типа и N-типа, поэтому оно также известно как PN-диод .
Соединение между слоями P-типа и N-типа. Этот переход известен как PN-переход.
Диод имеет две клеммы; один терминал взят из слоя P-типа и известен как анод. Второй вывод изготовлен из материала N-типа и известен как катод.
На рисунке ниже показана основная конструкция диода.
- По теме: Тиристорный и кремниевый управляемый выпрямитель (SCR)
В области N-типа электроны являются основными носителями заряда, а дырки — неосновными носителями заряда. В области P-типа дырки являются основными носителями заряда, а электроны — носителями отрицательного заряда. Из-за разницы концентраций большинство носителей заряда диффундируют и рекомбинируют с противоположным зарядом. Он образует положительный или отрицательный ион. Эти ионы собираются на стыке. И эта область известна как область истощения.
Когда анодный вывод диода соединен с отрицательным выводом, а катод подключен к положительному выводу батареи, говорят, что диод подключен в обратном смещении.
Аналогичным образом, когда клемма анода соединяется с положительной клеммой, а катод соединяется с отрицательной клеммой батареи, говорят, что диод подключен в прямом смещении.
Работа диода в условиях обратного смещенияДиод подключен в режиме обратного смещения. В этом состоянии свободные электроны диффундируют в области P-типа и рекомбинируют с дырками. Это создаст отрицательные ионы. Точно так же дырки диффундируют в область N-типа и рекомбинируют с электронами. Это создаст положительные ионы.
Схема подключения показана на рисунке ниже.
Когда такое напряжение подается на цепь, неподвижные ионы создают обедненную область, как показано на рисунке выше. Ширина области истощения велика. Следовательно, ни дырка, ни электрон больше не пересекают соединение.
Он не может создать поток электронов или дырок, даже если на него подается номинальное напряжение. Следовательно, через диод невозможно пропустить ток, и он ведет себя как открытый ключ.
Здесь по цепи будет протекать очень небольшой ток. Этот ток известен как обратный ток насыщения или обратный ток утечки. Этот ток течет за счет неосновных носителей заряда. Этого тока недостаточно, чтобы провести диод.
Если увеличить напряжение до обратного напряжения пробоя, то неосновные носители заряда приобретут большую кинетическую энергию и столкнутся с атомами. В этом состоянии количество разорванных ковалентных связей и огромное количество пар электронов и дырок создает огромный поток тока.
Из-за большого тока диод может быть поврежден. Следовательно, в общем случае диод не подключен в обратном смещении.
Работа диода в условиях прямого смещенияКогда анод соединен с положительной клеммой батареи, а катод соединен с отрицательной клеммой батареи, анод положителен по отношению к катоду. И говорят, что диод подключен в прямом смещении.
Теперь постепенно увеличиваем напряжение питания. Если мы увеличим небольшое напряжение, основные носители заряда не получат достаточно энергии, чтобы пересечь обедненную область.
В условиях прямого смещения ширина обедненной области очень мала. Если мы увеличим напряжение больше, чем прямое напряжение пробоя, основные носители заряда получат достаточно энергии, чтобы пересечь обедненную область.
Напряжение прямого переключения для кремния составляет 0,7 В, а для германия напряжение прямого переключения составляет 0,3 В.
Когда напряжение питания превышает это напряжение, большинство носителей заряда течет по цепи, что делает диод проводящим.
В этом режиме работы происходит очень небольшое падение. Это падение известно как падение напряжения во включенном состоянии. Схема подключения в этом режиме показана на рисунке ниже.
VI-характеристика диодаVI-характеристика диода показывает соотношение между током диода и напряжением. Это график между напряжением и током, где напряжение отложено по оси X, а ток — по оси Y.
Принципиальная схема для получения характеристики VI диода показана на рисунке ниже.
Характеристика разделена на две части;
- Смещение вперед
- Обратное смещение
Когда напряжение не подается, ток, протекающий по цепи, равен нулю. Точка «О» показывает это состояние, когда напряжение и ток равны нулю.
Прямое смещениеКогда материал или анод P-типа соединены с положительной клеммой батареи, а материал или катод N-типа соединены с отрицательной клеммой батареи, тогда диод подключается в смещение вперед.
Прикладываемое напряжение регулируется переменным резистором. Прикладываемое напряжение постепенно увеличивается. Ток не будет течь до тех пор, пока напряжение не повысит прямое напряжение отключения. Потому что в этом состоянии напряжения недостаточно для перемещения носителей заряда из одного слоя в другой.
Для кремния напряжение пробоя составляет 0,7 В, для германия это напряжение составляет 0,3 В. Как только напряжение увеличивается выше этого уровня, напряжения достаточно для перемещения носителей заряда с одного носителя на другой. А за счет протекания заряда через диод может протекать ток.
Как показано в характеристиках, часть OP является нелинейной частью. Это показывает пусковой период, когда напряжение ниже напряжения прямого отключения. Здесь ток очень маленький.
Часть PQ показывает, когда напряжение превышает прямое напряжение отключения. И в этом состоянии ток увеличивается линейно.
В этом состоянии диод ведет себя как замкнутый переключатель, позволяя току течь. Для идеального диода сопротивление в открытом состоянии равно нулю, и он ведет себя как чистый проводник.
Обратное смещениеПри обратном смещении материал N-типа или катод соединяется с отрицательной клеммой батареи. Этот тип соединения известен как соединение с обратным смещением.
В этом состоянии напряжение постепенно увеличивается с помощью переменного резистора. Но этого напряжения недостаточно, чтобы вызвать протекание тока.
Поскольку соединение, созданное между слоями P-типа и N-типа, имеет обратное смещение, и в этом состоянии ширина истощения велика. Следовательно, номинального напряжения недостаточно для создания движения носителей заряда.
Следовательно, через диод не будет протекать ток. Кривая, полученная в этом режиме, является ОА. Как показано на графике, из-за неосновных носителей заряда будет протекать очень небольшой ток, этого тока недостаточно для включения диода.
Когда приложенное напряжение больше обратного напряжения пробоя, из-за лавинного пробоя будет протекать большой ток. Эта часть показана как AB на графике.
Типы диодовСуществуют различные типы диодов, и мы очень подробно объяснили каждый тип диодов в предыдущем посте. Вы можете обратиться к статье 24 типа диодов.
- По теме: Биполярный переходной транзистор (BJT) | Строительство, работа, типы и области применения
Ниже приведены некоторые преимущества диодов с PN-переходом по сравнению с вакуумными диодами.
- Малый размер
- требуется меньше места
- малый вес
- Самый надежный в эксплуатации
- Потребляйте мало энергии
- Увеличенный срок службы и эффективность
- Низкое внутреннее сопротивление
- Простота установки и обслуживания
- Простая конструкция и прочность
- низкая стоимость и доступность
Диоды используются в различных приложениях силовой электроники. Диод представляет собой однонаправленное двухконтактное устройство, которое позволяет протекать току только в одном направлении и блокирует ток в другом направлении. Благодаря этой характеристике диод используется в таких приложениях, как;
- Выпрямитель
- Цепь умножителя напряжения
- Ограничитель перенапряжения
- Цепь клипсатора и фиксатора
- Цепь защиты от обратного тока
- Цифровые логические элементы
- Он используется в солнечных панелях, чтобы избежать протекания тока в обратном направлении и используется для обхода солнечной пластины.
- Он также используется для модуляции и демодуляции сигналов связи.
Доступно множество других типов диодов, предназначенных для нескольких типов диодов, таких как;
- Фотодиод используется для преобразования энергии фотонов в электрическую энергию. Светоизлучающий диод
- используется для освещения. В качестве схемы стабилизатора напряжения используется стабилитрон
- .