Работа диода: Принцип работы диода

Принцип работы диодов для чайников

Диод является одной из разновидностей приборов, сконструированных на полупроводниковой основе. Обладает одним p-n переходом, а также анодным и катодным выводом. В большинстве случаев он предназначен для модуляции, выпрямления, преобразования и иных действий с поступающими электрическими сигналами.

• Устройство ↓
• Назначение ↓
• Прямое включение диода ↓
• Обратное включение диода ↓
• Прямое и обратное напряжение ↓
• Работа диода и его вольт-амперная характеристика ↓
• Основные неисправности диодов ↓
• Пробой p-n-перехода ↓
• Электрический пробой ↓
• Тепловой пробой ↓

Принцип работы:

1. Электрический ток воздействует на катод, подогреватель начинает накаливаться, а электрод испускать электроны.
2. Между двумя электродами происходит образование электрического поля.
3. Если анод обладает положительным потенциалом, то он начинает притягивать электроны к себе, а возникшее поле является катализатором данного процесса. При этом, происходит образование эмиссионного тока.
4. Между электродами происходит образование пространственного отрицательного заряда, способного помешать движению электронов. Это происходит, если потенциал анода оказывается слишком слабым. В таком случае, частям электронов не удается преодолеть воздействие отрицательного заряда, и они начинают двигаться в обратном направлении, снова возвращаясь к катоду.
5. Все электроны, которые достигли анода и не вернулись к катоду, определяют параметры катодного тока. Поэтому данный показатель напрямую зависит от положительного анодного потенциала.
6. Поток всех электронов, которые смогли попасть на анод, имеет название анодный ток, показатели которого в диоде всегда соответствуют параметрам катодного тока. Иногда оба показателя могут быть нулевыми, это происходит в ситуациях, когда анод обладает отрицательным зарядом. В таком случае, возникшее между электродами поле не ускоряет частицы, а, наоборот, тормозит их и возвращает на катод. Диод в таком случае остается в запертом состоянии, что приводит к размыканию цепи.

Устройство

Ниже приводится подробное описание устройства диода, изучение этих сведений необходимо для дальнейшего понимания принципов действия этих элементов:

1. Корпус представляет собой вакуумный баллон, который может быть изготовлен из стекла, металла или прочных керамических разновидностей материала.
2. Внутри баллона имеется 2 электрода. Первый является накаленным катодом, который предназначен для обеспечения процесса эмиссии электронов. Самый простейший по конструкции катод представляет собой нить с небольшим диаметром, которая накаливается в процессе функционирования, но на сегодняшний день более распространены электроды косвенного накала. Они представляют собой цилиндры, изготовленные из металла, и обладающие особым активным слоем, способным испускать электроны.
3. Внутри катода косвенного накала имеется специфический элемент – проволока, которая накаливается под воздействием электрического тока, она называется подогреватель.
4. Второй электрод является анодом, он необходим для приема электронов, которые были выпущены катодом. Для этого он должен обладать положительным относительно второго электрода потенциалом. В большинстве случаев анод также имеет цилиндрическую форму.
5. Оба электрода вакуумных приборов полностью идентичны эмиттеру и базе полупроводниковой разновидности элементов.
6. Для изготовления диодного кристалла чаще всего используется кремний или германий. Одна из его частей является электропроводимой по p-типу и имеет недостаток электронов, который образован искусственным методом. Противоположная сторона кристалла также имеет проводимость, но n-типа и обладает избытком электронов. Между двумя областями имеется граница, которая и называется p-n переходом.

Такие особенности внутреннего устройства наделяют диоды их главным свойством – возможностью проведения электрического тока только в одном направлении.

Назначение

Ниже приводятся основные области применения диодов, на примере которых становится понятно их основное назначение:

1. Диодные мосты представляют собой 4, 6 или 12 диодов, соединенных между собой, их количество зависит от типа схемы, которая может быть однофазной, трехфазной полумостовой или трехфазной полномостовой. Они выполняют функции выпрямителей, такой вариант чаще всего используется в автомобильных генераторах, поскольку внедрение подобных мостов, а также использование вместе с ними щеточно-коллекторных узлов, позволило в значительной степени сократить размеры данного устройства и увеличить степень его надежности. Если соединение выполнено последовательно и в одну сторону, то это повышает минимальные показатели напряжения, которое потребуется для отпирания всего диодного моста.
2. Диодные детекторы получаются при комбинированном использовании данных приборов с конденсаторами. Это необходимо для того, чтобы было можно выделить модуляцию с низкими частотами из различных модулированных сигналов, в том числе амплитудно-модулированной разновидности радиосигнала. Такие детекторы являются частью конструкции многих бытовых потребителей, например, телевизоров или радиоприемников.
3. Обеспечение защиты потребителей от неверной полярности при включении схемных входов от возникающих перегрузок или ключей от пробоя электродвижущей силой, возникающей при самоиндукции, которая происходит при отключении индуктивной нагрузки. Для обеспечения безопасности схем от возникающих перегрузок, применяется цепочка, состоящая из нескольких диодов, имеющих подключение к питающим шинам в обратном направлении. При этом, вход, которому обеспечивается защита, должен подключаться к середине этой цепочки. Во время обычного функционирования схемы, все диоды находятся в закрытом состоянии, но если ими было зафиксировано, что потенциал входа ушел за допустимые пределы напряжения, происходит активация одного из защитных элементов. Благодаря этому, данный допустимый потенциал получает ограничение в рамках допустимого питающего напряжения в сумме с прямым падением показателей напряжение на защитном приборе.
4. Переключатели, созданные на основе диодов, используются для осуществления коммутации сигналов с высокими частотами. Управление такой системой осуществляется при помощи постоянного электрического тока, разделения высоких частот и подачи управляющего сигнала, которое происходит благодаря индуктивности и конденсаторам.
5. Создание диодной искрозащиты. Используются шунт-диодные барьеры, которые обеспечивают безопасность путем ограничения напряжения в соответствующей электрической цепи. В совокупности с ними применяются токоограничительные резисторы, которые необходимы для ограничения показателей электрического тока, проходящего через сеть, и увеличения степени защиты.

Использование диодов в электронике на сегодняшний день весьма широко, поскольку фактически ни одна современная разновидность электронного оборудования не обходится без этих элементов.

Прямое включение диода

На p-n-переход диода может оказывать воздействие напряжение, подаваемое с внешних источников. Такие показатели, как величина и полярность, будут сказываться на его поведении и проводимом через него электрическом токе.

Ниже подробно рассмотрен вариант, при котором происходит подключение плюса к области p-типа, а отрицательного полюса к области n-типа. В этом случае произойдет прямое включение:

1. Под воздействием напряжения от внешнего источника, в p-n-переходе сформируется электрическое поле, при этом его направление будет противоположным относительно внутреннего диффузионного поля.
2. Напряжение поля значительно снизится, что вызовет резкое сужение запирающего слоя.
3. Под воздействием этих процессов значительное количество электронов обретет возможность свободно переходить из p-области в n-область, а также в обратном направлении.
4. Показатели тока дрейфа во время этого процесса остаются прежними, поскольку они напрямую зависят только от числа неосновных заряженных носителей, находящихся в области p-n-перехода.
5. Электроны обладают повышенным уровнем диффузии, что приводит к инжекции неосновных носителей. Иными словами, в n-области произойдет повышение количества дырок, а в p-области будет зафиксирована повышенная концентрация электронов.
6. Отсутствие равновесия и повышенное число неосновных носителей заставляет их уходить вглубь полупроводника и смешиваться с его структурой, что в итоге приводит к разрушению его свойств электронейтральности.
7. Полупроводник при этом способен восстановить свое нейтральное состояние, это происходит благодаря получению зарядов от подключенного внешнего источника, что способствует появлению прямого тока во внешней электрической цепи.

Обратное включение диода

Теперь будет рассмотрен другой способ включения, во время которого изменяется полярность внешнего источника, от которого происходит передача напряжения:

1. Главное отличие от прямого включения заключается в том, что создаваемое электрическое поле будет обладать направлением, полностью совпадающим с направлением внутреннего диффузионного поля. Соответственно, запирающий слой будет уже не сужаться, а, наоборот, расширяться.
2. Поле, находящееся в p-n-переходе, будет оказывать ускоряющий эффект на целый ряд неосновных носителей заряда, по этой причине, показатели дрейфового тока останутся без изменений. Он будет определять параметры результирующего тока, который проходит через p-n-переход.
3. По мере роста обратного напряжения, электрический ток, протекающий через переход, будет стремиться достичь максимальных показателей. Он имеет специальное название – ток насыщения.
4. В соответствии с экспоненциальным законом, с постепенным увеличением температуры будут увеличиваться и показатели тока насыщения.

Прямое и обратное напряжение

Напряжение, которое оказывает воздействие на диод, разделяют по двум критериям:

1. Прямое напряжение – это то, при котором происходит открытие диода и начинается прохождение через него прямого тока, при этом показатели сопротивления прибора являются крайне низкими.
2. Обратное напряжение – это то, которое обладает обратной полярностью и обеспечивает закрытие диода с прохождением через него обратного тока. Показатели сопротивления прибора при этом начинают резко и значительно расти.

Сопротивление p-n-перехода является постоянно меняющимся показателем, в первую очередь на него оказывает влияние прямое напряжение, подающееся непосредственно на диод. Если напряжение увеличивается, то показатели сопротивления перехода будут пропорционально уменьшаться.

Это приводит к росту параметров прямого тока, проходящего через диод. Когда данный прибор закрыт, то на него воздействует фактически все напряжение, по этой причине показатели проходящего через диод обратного тока являются незначительными, а сопротивление перехода при этом достигает пиковых параметров.

Работа диода и его вольт-амперная характеристика

Под вольт-амперной характеристикой данных приборов понимается кривая линия, которая показывает то, в какой зависимости находится электрический ток, протекающий через p-n-переход, от объемов и полярности напряжения, воздействующего на него.

Подобный график можно описать следующим образом:

1. Ось, расположенная по вертикали: верхняя область соответствует значениям прямого тока, нижняя область параметрам обратного тока.
2. Ось, расположенная по горизонтали: область, находящаяся справа, предназначена для значений прямого напряжения; область слева для параметров обратного напряжения.
3. Прямая ветвь вольт-амперной характеристики отражает пропускной электрический ток через диод. Она направлена вверх и проходит в непосредственной близости от вертикальной оси, поскольку отображает увеличение прямого электрического тока, которое происходит при увеличении соответствующего напряжения.
4. Вторая (обратная) ветвь соответствует и отображает состояние закрытого электрического тока, который также проходит через прибор. Положение у нее такое, что она проходит фактически параллельно относительно горизонтальной оси. Чем круче эта ветвь подходит к вертикали, тем выше выпрямительные возможности конкретного диода.
5. По графику можно наблюдать, что после роста прямого напряжения, протекающего через p-n-переход, происходит медленное увеличение показателей электрического тока. Однако постепенно, кривая достигает области, в которой заметен скачок, после которого происходит ускоренное нарастание его показателей. Это объясняется открытием диода и проведением тока при прямом напряжении. Для приборов, изготовленных из германия, это происходит при напряжении равном от 0,1В до 0,2В (максимальное значение 1В), а для кремниевых элементов требуется более высокий показатель от 0,5В до 0,6В (максимальное значение 1,5В).
6. Показанное увеличение показателей тока может привести к перегреву полупроводниковых молекул. Если отведение тепла, происходящее благодаря естественным процессам и работе радиаторов, будет меньше уровня его выделения, то структура молекул может быть разрушена, и этот процесс будет иметь уже необратимый характер. По этой причине, необходимо ограничивать параметры прямого тока, чтобы не допустить перегрева полупроводникового материала. Для этого, в схему добавляются специальные резисторы, имеющие последовательное подключение с диодами.
7. Исследуя обратную ветвь можно заметить, что если начинает увеличиваться обратное напряжение, которое приложено к p-n-переходу, то фактически незаметен рост параметров тока. Однако в случаях, когда напряжение достигает параметров, превосходящих допустимые нормы, может произойти внезапный скачок показателей обратного тока, что перегреет полупроводник и будет способствовать последующему пробою p-n-перехода.

Основные неисправности диодов

Иногда приборы подобного типа выходят из строя, это может происходить из-за естественной амортизации и старения данных элементов или по иным причинам.

Всего выделяют 3 основных типа распространенных неисправностей:

1. Пробой перехода приводит к тому, что диод вместо полупроводникового прибора становится по своей сути самым обычным проводником. В таком состоянии он лишается своих основных свойств и начинает пропускать электрический ток в абсолютно любом направлении. Подобная поломка легко выявляется при помощи стандартного мультиметра, который начинает подавать звуковой сигнал и показывать низкий уровень сопротивления в диоде.
2. При обрыве происходит обратный процесс – прибор вообще перестает пропускать электрический ток в каком-либо направлении, то есть он становится по своей сути изолятором. Для точности определения обрыва, необходимо использовать тестеры с качественными и исправными щупами, в противном случае, они могут иногда ложно диагностировать данную неисправность. У сплавных полупроводниковых разновидностей такая поломка встречается крайне редко.
3. Утечка, во время которой нарушается герметичность корпуса прибора, вследствие чего он не может исправно функционировать.

Пробой p-n-перехода

Подобные пробои происходят в ситуациях, когда показатели обратного электрического тока начинают внезапно и резко расти, происходит это из-за того, что напряжение соответствующего типа достигает недопустимых высоких значений.

Обычно различается несколько видов:

1. Тепловые пробои, которые вызваны резким повышением температуры и последующим перегревом.
2. Электрические пробои, возникающие под воздействием тока на переход.

График вольт-амперной характеристики позволяет наглядно изучать эти процессы и разницу между ними.

Электрический пробой

Последствия, вызываемые электрическими пробоями, не носят необратимого характера, поскольку при них не происходит разрушение самого кристалла. Поэтому при постепенном понижении напряжения можно восстановить всей свойства и рабочие параметры диода.

При этом, пробои такого типа делятся на две разновидности:

1. Туннельные пробои происходят при прохождении высокого напряжения через узкие переходы, что дает возможность отдельно взятым электронам проскочить через него. Обычно они возникают, если в полупроводниковых молекулах имеется большое количество разных примесей. Во время такого пробоя, обратный ток начинает резко и стремительно расти, а соответствующее напряжение находится на низком уровне.
2. Лавинные разновидности пробоев возможны благодаря воздействию сильных полей, способных разогнать носителей заряда до предельного уровня из-за чего они вышибают из атомов ряд валентных электронов, которые после этого вылетают в проводимую область. Это явление носит лавинообразный характер, благодаря чему данный вид пробоев и получил такое название.

Тепловой пробой

Возникновение такого пробоя может произойти по двум основным причинам: недостаточный теплоотвод и перегрев p-n-перехода, который происходит из-за протекания через него электрического тока со слишком высокими показателями.

Повышение температурного режима в переходе и соседних областях вызывает следующие последствия:

1. Рост колебания атомов, входящих в состав кристалла.
2. Попадание электронов в проводимую зону.
3. Резкое повышение температуры.
4. Разрушение и деформация структуры кристалла.
5. Полный выход из строя и поломка всего радиокомпонента.

Статья была полезна?

5,00 (оценок: 1)

1.7. Работа диодов с нагрузкой

В практических
схемах в цепь диодов включается нагрузка
– резистор R_Н.
Режим работы диода с нагрузкой называется
рабочим режимом.

Рис. 9

Расчеты рабочего
режима заключается в определении тока
I
в цепи и напряжения на диоде U_Д
по известным Е, R_Н
и ВАХ диода. Так как не удается получить
явное решение уравнения Кирхгофа E
= IR_Н
+ U_Д,
где I
= f(U_Д),
расчет выполняется графически. Для R_Н
соблюдается закон Ома:
(1)

с другой стороны
из ВАХ диода следует I
= f(U_Д).
(2)

Система из двух
уравнений (1) и (2) решается графически
(рис. 9). В координатах I-U
изображает ВАХ диода и график функции
(1) (при I
= 0; U
= E
– точка A;
при U_Д
= 0; I
= E/R_Н
точка Б).

Уравнение (1)
определяет линию нагрузки диода.
Координаты точки пересечения графиков
I_*,
U_*
дают искомое решение задачи расчета
рабочего режима, т.е. ток в цепи I
= I_*
и напряжение на диоде U_Д
= U_*.

Выпрямительный
диод – полупроводниковый диод,
предназначенный для выпрямления
напряжения переменного тока.

Выпрямительные
диоды используют в качестве вентилей
– элементов с односторонней проводимостью.
Основное их применение выпрямление
токов с частотой до единиц кГц.

Простейшая схема
однополупериодного выпрямления и
процессы формирования выходного
напряжения показаны на рис. 10.

Рис. 10

Во время положительной
полуволны напряжения e(t)
через нагрузку R_Нпротекает импульс
прямого тока с амплитудой I_m.

При воздействии
отрицательной полуволны напряжения
e(t)
через диод протекает малый обратный
ток I_обр.

Таким образом,
через нагрузку протекает пульсирующий
ток, в виде импульсов, длящихся пол
периода и разделенных промежутком также
в половину периода.

В более сложных
двухполупериодных выпрямителях энергия
источника e(t)
используется более рационально. Схема
такого выпрямителя представлена на
рис. 11.

Рис. 11

В результате через
R_Н
при воздействии каждого полупериода
напряжения e(t)
протекает импульс тока одной полярности.
Это позволяет достичь большего значения
среднего выпрямленного тока I_СР
(рис. 12).

Рис. 12

В качестве параметров
выпрямительных диодов в справочниках
приводятся параметры U_ПР,
при фиксированном токе I_ПР,
а также предельные параметры I_прmax,
U_обрmax.

Амплитуда
выпрямляемого напряжения U_m
ограничена U_обрmax.
При необходимости выпрямления более
высоких напряжений применяют
последовательное соединение диодов
(рис. 13).

Рис. 13

Однако, вследствие
разброса обратного сопротивления
диодов, падение напряжения на диодах
распределяется не равномерно, что может
привести к последовательному пробою
всех диодов цепи. Для выравнивания
напряжений диоды шунтируют одинаковыми
сопротивлениями R_Ш

R_обрmin.
На практике R_Ш

100кОм.

Для повышения
максимального прямого тока иногда
применяют параллельное соединение
диодов (рис. 14). При этом также вследствие
разброса характеристик наблюдается
неравномерное распределение токов.

Рис. 14

Для выравнивания
токов последовательно с диодами
подключают резисторы R
сопротивление не более 1 Ом. Добавочные
сопротивления определяются подбором.

Как работают диоды и для чего используются | Tech

Выпуск: 10.11.2021, Обновление: 08.09.2022, I.R.

Как работают диоды

Диод — это электронный компонент, который направляет поток электричества в одном направлении. Они называются «активными компонентами» и являются основными компонентами полупроводников. Они могут регулировать поток электричества, поддерживать постоянное напряжение и извлекать сигналы из радиоволн.

Сначала рассмотрим свойства «полупроводника», используемого в диодах. Материал классифицируется как «проводник», «полупроводник» и «изолятор» в зависимости от того, может ли он проводить электричество. «Полупроводник», как следует из названия, представляет собой материал со свойствами между проводником, проводящим электричество, и изолятором, который его не проводит.

Металлы являются хорошими проводниками электричества, потому что электроны каждого атома становятся свободными электронами, когда металлические элементы связываются друг с другом. Когда подается напряжение, свободные электроны в кристаллической решетке металла перемещаются и несут электрический заряд, позволяя электричеству течь.

Полупроводники могут вести себя как проводники или изоляторы в зависимости от направления протекающего через них электричества. В металлических полупроводниках не так много свободных электронов. Когда подается напряжение, электроны перемещаются, чтобы заполнить недостающие дырки, или они переносят электричество с меньшим количеством свободных электронов.

Полупроводники подразделяются на полупроводники p-типа и полупроводники n-типа на основе различий в механизме протекания электричества: полупроводники p-типа — это те, в которых электроны движутся последовательно, чтобы заполнить недостающие отверстия. Четырехвалентные элементы, такие как кремний, смешанный с трехвалентной добавкой, такой как бор или галлий, становятся полупроводниками р-типа. Полупроводник p-типа имеет больше дырок, чем электронов, что позволяет току течь от дырки к дырке. Поскольку ему не хватает одного электрона, он считается положительно заряженным.

Полупроводники N-типа переносят электричество с меньшим количеством свободных электронов, чем металлические связи. Четырехвалентные элементы, такие как кремний, смешанный с пятивалентной добавкой, такой как фосфор, становятся полупроводниками n-типа, поскольку они обеспечивают больше электронов в структуре. Поскольку у него есть один дополнительный электрон, он считается отрицательно заряженным.

В PN-диоде электрод, соединенный с полупроводником p-типа, называется анодом (A), а электрод, соединенный с полупроводником n-типа, называется катодом (K). (Рисунок 1)

При присоединении полупроводника n-типа (дополнительный электрон) и p-типа (дополнительная дырка) происходит мгновенный поток электронов со стороны n на сторону p, в результате чего между ними образуется пустая зона. Следовательно, когда «-» подключен к анодной стороне, а «+» подключен к катодной стороне PN-диода, электроны в полупроводнике притягиваются к анодной стороне, и на PN-диоде генерируется пустая зона электричества. узел. Следовательно, электричество в цепи не течет (рис. 2).

И наоборот, если «+» подключен к стороне анода, а «-» к стороне катода, заряды «+» и «-» в полупроводнике будут слипаться в P- и N-переходе и компенсировать друг друга, но электронам будет позволено двигаться от катода к аноду, позволяя электричеству течь. (Рисунок 3)

Таким образом, диоды обладают свойством проводить электричество только в фиксированном направлении. Светоизлучающие диоды (СИД), которые мы видим вокруг себя, предназначены для излучения света, когда электричество проходит через PN-переход. Диоды широко используются в различных приложениях, которые поддерживают нашу повседневную жизнь.

Роль диодов

Существует четыре основных области применения диодов:

(1) Исправление

В обычном блоке питания переменного тока направление тока всегда меняется. Диоды позволяют электричеству течь только в одном направлении; поэтому из переменного тока извлекается только прямой ток. Это известно как выпрямляющее действие диода.

(2) Обнаружение радиоволн

Диоды играют роль в извлечении аудиосигналов из радиоволн. Это известно как обнаружение волны. Радиоволны создаются путем объединения высокочастотных сигналов, используемых для связи, с низкочастотными сигналами, такими как голос.

(3) Контроль напряжения

Обычно диоды пропускают ток только в одном направлении. Однако, когда напряжение в противоположном направлении превышает определенное значение, начинает течь ток. Однако, когда напряжение в обратном направлении превышает определенное значение, начинает течь ток, и даже если ток увеличивается, напряжение не меняется. Это называется явлением пробоя, а напряжение, при котором происходит явление пробоя, называется «напряжением пробоя» или «напряжением Зенера». Это явление используется при контроле напряжения на диодах, и диоды, используемые для этой цели, называются диодами Зенера.

(4) Преобразование тока

Когда свет падает на PN-переход, электроны на стороне N рядом с переходом движутся. В результате электричество продолжает течь, пока горит свет. Это принцип солнечной батареи.
При отсутствии внешнего напряжения работает как батарея, а при подаче напряжения работает как диод. Некоторые диоды реагируют на видимый свет, тогда как другие, реагирующие на невидимый свет, используются в таких приложениях, как светоприемная часть инфракрасных пультов дистанционного управления.

Типы диодов

Существуют различные типы диодов; следующие наиболее распространенные типы:

Кремниевые диоды

Самый распространенный тип PN-диода. Чаще всего их называют выпрямительными диодами.

Германиевые диоды

Подобно кремниевым диодам, эти диоды сочетают в себе PN. Они часто используются для обнаружения волн из-за их низкого прямого падения напряжения, особенно в области, где ток составляет всего 0,1 мА. Однако в настоящее время широко используются диоды с барьером Шоттки из-за высокой стоимости германия.

Диод Шоттки

Этот диод изготовлен путем соединения металла и полупроводников. Эти диоды имеют лучшие характеристики переключения по сравнению с кремниевыми диодами и поэтому используются в быстродействующих цепях.

Переключающий диод

Этот диод используется для размыкания и замыкания цепи питания, например переключателя. Он включается, когда напряжение подается в направлении потока мощности, и выключается, когда напряжение подается в обратном направлении.

Диод Эсаки

В этом диоде используется туннельный эффект, открытый лауреатом Нобелевской премии Леоной Эсаки. Туннельный эффект — это свойство диодов с PN-переходом, которые имеют высокие концентрации примесей, позволяя току течь из-за квантово-механических эффектов. Из-за их чрезвычайно быстрого времени отклика они используются для генерации микроволн.

Светодиод (LED)

В этом диоде переход излучает свет, когда ток протекает через PN-переход. Когда электричество протекает через полупроводник, дырки и электроны в полупроводнике p-типа объединяются, и энергия излучается в виде света. Иногда он используется как источник питания и выпрямитель.

Стабилитрон

Этот диод используется для подачи напряжения в направлении, противоположном тому, в котором обычно протекает ток. Он используется для получения постоянного напряжения и защиты цепи от перенапряжения.

Связанные технические статьи

• Какова роль конденсатора в электронных компонентах? Ориентир на механизм
• Что такое индуктор (катушка)? Объяснение его принципа и роли
• Как прочитать код резистора и конденсатора
• Типы конденсаторов. Основные сведения о компонентах
• Типы резисторов. Знание базовых компонентов

Рекомендуемые продукты

Высоковольтные источники питания постоянного тока Matsusada Precision идеально подходят для тестирования диодов и других полупроводников.

Разъяснения о диодах — инженерное мышление

Изучите основы работы диодов, а также то, почему и где мы их используем.

Прокрутите вниз, чтобы посмотреть обучающее видео на YouTube.

Что такое диод

Пример диода

Диод выглядит примерно так, как показано на рисунке выше, и бывает разных размеров. Обычно они имеют черный цилиндрический корпус с полосой на одном конце, а также несколько выводов, которые позволяют нам подключить его к цепи. Этот конец известен как анод, а этот конец — катод, и мы увидим, что это значит, позже в видео.

Вы также можете получить другие формы, такие как стабилитрон или даже светодиод, который является светоизлучающим диодом, но мы не будем рассматривать их в этой статье.

Другие примеры диодов

Диод пропускает ток только в одном направлении.

Если представить водопровод с установленным поворотным клапаном. По мере того, как вода течет по трубе, она толкает распашные ворота и продолжает течь. Однако, если вода изменит направление, вода закроет ворота и не сможет течь. Поэтому вода может течь только в одном направлении.

Water Pipe Иллюстрация

Это очень похоже на диод, мы используем их для управления направлением тока в цепи.

Теперь мы анимировали это, используя поток электронов, то есть поток электронов от отрицательного к положительному. Однако в электронике традиционно используется условный поток от плюса к минусу. Обычный ток, вероятно, легче понять, вы можете использовать любой из них, это не имеет большого значения, но просто помните о двух и о том, какой из них мы используем. Пример светодиода

Итак, если мы подключим диод к простой схеме светодиода, подобной приведенной выше, следует отметить, что светодиод включится только при правильной установке диода. Он позволяет току течь только в одном направлении. Таким образом, в зависимости от того, как он установлен, он может действовать как проводник или изолятор.

Полосатый конец соединяется с минусом, а черный конец соединяется с плюсом, чтобы он действовал как проводник. Это позволяет току течь, мы называем это прямым смещением. Если мы перевернем диод, он будет действовать как изолятор, и ток не сможет течь. Мы называем это обратным смещением.

Прямое смещение и обратное смещение

Как работает диод?

Как вы знаете, электричество — это поток свободных электронов между атомами. Мы используем медные провода, потому что в меди много свободных электронов, что облегчает передачу электричества. Мы используем резину для изоляции медных проводов и обеспечения нашей безопасности, потому что резина является изолятором, что означает, что ее электроны удерживаются очень плотно и поэтому не могут перемещаться между атомами.

Если мы посмотрим на базовую модель атома металлического проводника, у нас будет ядро ​​в центре, окруженное рядом орбитальных оболочек, удерживающих электроны. Каждая оболочка содержит максимальное количество электронов, и электрон должен иметь определенное количество энергии, чтобы попасть в каждую оболочку. Электроны, расположенные дальше всего от ядра, обладают наибольшей энергией. Самая внешняя оболочка известна как валентная оболочка, и проводник имеет от 1 до 3 электронов в своей валентной оболочке.

Атом меди

Электроны удерживаются на месте ядром. Но есть еще одна оболочка, известная как зона проводимости. Если электрон сможет достичь этого, то он сможет вырваться из атома и перейти к другому. У атома металла, такого как медь, зона проводимости и валентная оболочка перекрываются, поэтому электрону очень легко двигаться.

Изолятором упакована крайняя оболочка. Там очень мало места для присоединения электрона. Ядро крепко держит электроны, а зона проводимости находится далеко, поэтому электроны не могут добраться до нее, чтобы убежать. Поэтому электричество не может проходить через этот материал.

Однако есть еще один материал, известный как полупроводник. Кремний является примером полупроводника. В этом материале слишком много электронов на внешней оболочке, чтобы он мог быть проводником, поэтому он действует как изолятор. Однако следует отметить; что так как зона проводимости довольно близка; если мы обеспечим некоторую внешнюю энергию, некоторые электроны получат достаточно энергии, чтобы совершить прыжок из валентности в зону проводимости и стать свободными. Поэтому этот материал может действовать как изолятор или проводник.

В чистом кремнии почти нет свободных электронов, поэтому инженеры добавляют в кремний небольшое количество других материалов, чтобы изменить его электрические свойства.

Изолятор, проводник, полупроводник Пример

Мы называем это легированием P-типа и N-типа. Мы объединяем эти легированные материалы, чтобы сформировать диод.

Итак, внутри диода у нас есть два провода, анод и катод, которые соединяются с тонкими пластинами. Между этими пластинами находится слой легированного кремния P-типа со стороны анода и слой легированного кремния N-типа со стороны катода. Все это заключено в смолу для изоляции и защиты материалов.

Пример диода

Давайте представим, что материал еще не был легирован, поэтому внутри находится только чистый кремний. Каждый атом кремния окружен 4 другими атомами кремния. Каждому атому нужно 8 электронов в своей валентной оболочке, но атомы кремния имеют только 4 электрона в своей валентной оболочке, поэтому они незаметно делят электрон со своим соседним атомом, чтобы получить желаемые 8. Это известно как ковалентная связь.

Ковалентная связь

Когда мы добавим материал N-типа, такой как фосфор, он займет положение некоторых атомов кремния. Атом фосфора имеет 5 электронов на валентной оболочке. Так как атомы кремния обмениваются электронами, чтобы получить желаемые 8, им не нужен этот дополнительный, поэтому теперь в материале есть дополнительный электрон, и поэтому они могут свободно двигаться.

Добавление фосфора

При легировании Р-типа мы добавляем такой материал, как алюминий. Этот атом имеет только 3 электрона в своей валентной оболочке, поэтому он не может предоставить своим 4 соседям общий электрон, поэтому одному из них придется обойтись без него. Таким образом, создается дыра, в которой может сидеть и занимать электрон.

Итак, теперь у нас есть два легированных куска кремния, один со слишком большим количеством электронов, а другой с недостаточным количеством электронов.

Два материала соединяются, образуя соединение P-N. На этом стыке мы получаем то, что известно как область истощения. В этой области часть избыточных электронов со стороны N-типа переместится, чтобы занять дырки на стороне P-типа. Эта миграция образует барьер с накоплением электронов и дырок на противоположных сторонах. Электроны заряжены отрицательно, поэтому дырки считаются положительно заряженными. Таким образом, накопление вызывает слегка отрицательно заряженную область и слегка положительно заряженную область. Это создает электрическое поле и предотвращает движение большего количества электронов. Разность потенциалов в этой области составляет около 0,7 В в типичных диодах.

Пример истощения

Когда мы подключаем источник напряжения к диоду, при этом анод (P-типа) подключен к плюсу, а катод (N) к минусу, это создаст прямое смещение и позволит протекать току. Источник напряжения должен быть выше барьера 0,7 В, иначе электроны не смогут установить перемычку.

Источник напряжения должен быть больше, чем барьер

Когда мы реверсируем источник питания, чтобы положительный контакт был подключен к катоду N-типа, а отрицательный — к аноду P-типа. Дырки притягиваются к минусу, а электроны притягиваются к плюсу, что вызывает расширение барьера, и поэтому диод действует как проводник, предотвращая протекание тока.

Технические детали

Пример символа

Диоды обозначаются на технических чертежах символом, подобным изображенному выше. Полоса на корпусе обозначена вертикальной линией на символе, а стрелка указывает направление условного тока.

Когда мы смотрим на диод, мы видим эти цифры и буквы на корпусе. Они идентифицируют диод, поэтому вы можете найти технические подробности в Интернете.

Диаграмма ВАХ

Диод будет иметь диаграмму ВАХ, как показано выше. На этой диаграмме показаны характеристики тока и напряжения диода, которые изображены в виде изогнутой линии. Эта сторона должна вести себя как проводник, а эта сторона — как изолятор.

Вы можете видеть, что диод может действовать как изолятор только до определенной разницы напряжений на нем, если вы превысите это, то он станет проводником и позволит протекать току. Это разрушит диод и, возможно, вашу схему, поэтому вам нужно убедиться, что размер диода соответствует требованиям приложения.

Точно так же диод может выдерживать только определенное напряжение или ток при прямом смещении. Значение отличается для каждого диода, вам нужно будет просмотреть эти данные, чтобы найти подробности.

Диоду требуется определенный уровень напряжения, чтобы открыться и обеспечить протекание тока при прямом смещении. Большинство из них около 0,6 В. Если мы применим напряжение меньше этого, он не откроется, чтобы пропустить ток. Но по мере того, как мы превышаем это значение, количество тока, которое может протекать, будет быстро увеличиваться.

Пример напряжения диода

Диоды также обеспечивают падение напряжения в цепи. Например, когда я добавил этот диод в простую светодиодную схему, установленную на макетной плате, падение напряжения составило 0,71 В.

Почему мы их используем

Как уже упоминалось, мы используем диоды для управления направлением тока в цепи. Это полезно, например, для защиты нашей схемы, если источник питания был подключен задом наперед. Диод может блокировать ток и обеспечивать безопасность наших компонентов.

Мы также можем использовать их для преобразования переменного тока в постоянный. Как вы, возможно, знаете, переменный или переменный ток перемещает электроны вперед и назад, создавая синусоидальную волну с положительной и отрицательной половиной, но постоянный или постоянный ток перемещает электроны только в одном направлении, что дает плоскую линию в положительной области.

Если мы подключим первичную сторону трансформатора к источнику переменного тока, а затем подключим вторичную сторону к одному диоду, диод пропустит только половину волны и заблокирует ток в противоположном направлении. Таким образом, схема испытывает только положительную половину цикла, поэтому теперь это очень грубая цепь постоянного тока, хотя ток пульсирует, но мы можем это улучшить.

Первичный Пример

Один из способов сделать это, если мы подключим четыре диода к вторичной обмотке, мы создадим двухполупериодный выпрямитель. Диоды контролируют, по какому пути может течь переменный ток, блокируя или позволяя ему проходить. Как мы только что видели, положительная половина синусоиды может проходить, но на этот раз отрицательная половина также может проходить, хотя она была инвертирована, чтобы превратить ее также в положительную половину. Это дает нам лучшее питание постоянным током, потому что пульсация значительно уменьшилась. Но мы все еще можем улучшить это, мы просто добавим несколько конденсаторов, чтобы сгладить пульсации и, в конечном итоге, превратить их в гладкую линию, чтобы точно имитировать постоянный ток.

Четыре диода подключены

Мы подробно рассмотрели, как работают конденсаторы, в нашей предыдущей статье, проверьте, что ЗДЕСЬ .

Для проверки диода нам понадобится мультиметр с настройкой проверки диодов, символ будет выглядеть так. Мы настоятельно рекомендуем вам иметь хороший мультиметр в своем наборе инструментов, который поможет вам учиться, а также диагностировать проблемы.