Диод устройство: Полупроводниковый диод: применение, принцип работы, типы

Выпрямительные диоды: устройство, конструктивные особенности, характеристики

Основное предназначение выпрямительных диодов — преобразование напряжения. Но это не единственная сфера применения данных полупроводниковых элементов. Их устанавливают в цепи коммутации и управления, используют в каскадных генераторах и т.д. Начинающим радиолюбителям будет интересно узнать, как устроены эти полупроводниковые элементы, а также их принцип действия. Начнем с общих характеристик.

Устройство и конструктивные особенности

Основной элемент конструкции – полупроводник. Это пластина кристалла кремния или германия, у которого имеются две области р и n проводимости. Из-за этой особенности конструкции она получила название плоскостной.

При изготовлении полупроводника обработка кристалла производится следующим образом: для получения поверхности р-типа ее обрабатывают расплавленным фосфором, а р-типа – бором, индием или алюминием. В процессе термообработки происходит диффузия этих материалов и кристалла. В результате образуется область с р-n переходом между двумя поверхностями с различной электропроводимостью. Полученный таким образом полупроводник устанавливается в корпус. Это обеспечивает защиту кристалла от посторонних факторов воздействия и способствует теплоотводу.

Конструкция (1), внешний вид (2) и графическое отображение выпрямительного диода(3)

Обозначения:

• А – вывод катода.
• В – кристалладержатель (приварен к корпусу).
• С – кристалл n-типа.
• D – кристалл р-типа.
• E – провод ведущий к выводу анода.
• F – изолятор.
• G – корпус.
• H – вывод анода.

Как уже упоминалось, в качестве основы р-n перехода используются кристаллы кремния или германия. Первые применяются значительно чаще, это связано с тем, что у германиевых элементов величина обратных токов значительно выше, что существенно ограничивает допустимое обратное напряжение (оно не превышает 400 В). В то время как у кремниевых полупроводников эта характеристика может доходить до 1500 В.

Помимо этого у германиевых элементов значительно уже диапазон рабочей температуры, он варьируется в пределах от -60°С до 85°С. При превышении верхнего температурного порога резко увеличивается обратный ток, что отрицательно отражается на эффективности устройства. У кремниевых полупроводников верхний порог порядка 125°С-150°С.

Классификация по мощности

Мощность элементов определяется максимально допустимым прямым током. В соответствии этой характеристики принята следующая классификация:

• Слаботочные выпрямительные диоды, они используются в цепях с током не более 0,3 А. Корпус таких устройств, как правило, выполнен из пластмассы. Их отличительные особенности – малый вес и небольшие габариты. Выпрямительные диоды малой мощности
• Устройства, рассчитанные на среднюю мощность, могут работать с током в диапазоне 0,3-10 А. Такие элементы, в большинстве своем, изготавливаются корпусе из металла и снабжены жесткими выводами. На одном один из них, а именно на катоде, имеется резьба, позволяющая надежно зафиксировать диод на радиаторе, используемого для отвода тепла. Выпрямительный диод средней мощности
• Силовые полупроводниковые элементы, они рассчитаны на прямой ток свыше 10 А. Производятся такие устройства в металлокерамических или металлостеклянных корпусах штыревого (А на рис. 4) или таблеточного типа (В). Рис. 4. Выпрямительные диоды высокой мощности

Перечень основных характеристик

Ниже приведена таблица, с описанием основных параметров выпрямительных диодов. Эти характеристики можно получить из даташита (технического описания элемента). Как правило, большинство радиолюбителей к этой информации обращаются в тех случаях, когда указанный в схеме элемент недоступен, что требует найти ему подходящий аналог.

Таблица основных характеристик выпрямительных диодов

Заметим, что в большинстве случаев, если требуется найти аналог тому или иному диоду, первых пяти параметров из таблицы будет вполне достаточно. При этом желательно учесть диапазон рабочей температуры элемента и частоту.

Принцип работы

Проще всего объяснить принцип действия выпрямительных диодов на примере. Для этого смоделируем схему простого однополупериодного выпрямителя (см. 1 на рис. 6), в котором питание поступает от источника переменного тока с напряжением U_IN (график 2) и идет через VD на нагрузку R.

Рис. 6. Принцип работы однодиодного выпрямителя

Во время положительного полупериода, диод находится в открытом положении и пропускает через себя ток на нагрузку. Когда приходит очередь отрицательного полупериода, устройство запирается, и питание на нагрузку не поступает. То есть происходит как бы отсечение отрицательной полуволны (на самом деле это не совсем верно, поскольку при данном процессе всегда имеется обратный ток, его величина определяется характеристикой I

обр).

В результате, как видно из графика (3), на выходе мы получаем импульсы, состоящие из положительных полупериодов, то есть, постоянный ток. В этом и заключается принцип работы выпрямительных полупроводниковых элементов.

Заметим, что импульсное напряжение, на выходе такого выпрямителя подходить только для питания малошумных нагрузок, примером может служить зарядное устройство для кислотного аккумулятора фонарика. На практике такую схему используют разве что китайские производители, с целью максимального удешевления своей продукции. Собственно, простота конструкции является единственным ее полюсом.

К числу недостатков однодиодного выпрямителя можно отнести:

• Низкий уровень КПД, поскольку отсекаются отрицательные полупериоды, эффективность устройства не превышает 50%.
• Напряжение на выходе примерно вдвое меньше, чем на входе.
• Высокий уровень шума, что проявляется в виде характерного гула с частотой питающей сети. Его причина – несимметричное размагничивание понижающего трансформатора (собственно именно поэтому для таких схем лучше использовать гасящий конденсатор, что также имеет свои отрицательные стороны).

Заметим, что эти недостатки можно несколько уменьшить, для этого достаточно сделать простой фильтр на базе высокоемкостного электролита (1 на рис. 7).

Рис. 7. Даже простой фильтр позволяет существенно снизить пульсации

Принцип работы такого фильтра довольно простой. Электролит заряжается во время положительного полупериода и разряжается, когда наступает черед отрицательного. Емкость при этом должна быть достаточной для поддержания напряжения на нагрузке. В этом случае импульсы несколько сгладятся, примерно так, как продемонстрировано на графике (2).

Приведенное решение несколько улучшит ситуацию, но ненамного, если запитать от такого однополупериодного выпрямителя, например, активные колонки компьютера, в них будет слышаться характерный фон. Для устранения проблемы потребуются более радикальное решение, а именно диодный мост. Рассмотрим принцип работы этой схемы.

Устройство и принцип работы диодного моста

Существенно отличие такой схемы (от однополупериодной) заключается в том, что напряжение на нагрузку подается в каждый полупериод. Схема включения полупроводниковых выпрямительных элементов продемонстрирована ниже.

Принцип работы диодного моста

Как видно из приведенного рисунка в схеме задействовано четыре полупроводниковых выпрямительных элемента, которые соединены таким образом, что при каждом полупериоде работают только двое из них.

Распишем подробно, как происходит процесс:

• На схему приходит переменное напряжение Uin (2 на рис. 8). Во время положительного полупериода образуется следующая цепь: VD4 – R – VD2. Соответственно, VD1 и VD3 находятся в запертом положении.
• Когда наступает очередность отрицательного полупериода, за счет того, что меняется полярность, образуется цепь: VD1 – R – VD3. В это время VD4 и VD2 заперты.
• На следующий период цикл повторяется.

Как видно по результату (график 3), в процессе задействовано оба полупериода и как бы не менялось напряжение на входе, через нагрузку оно идет в одном направлении. Такой принцип работы выпрямителя называется двухполупериодным. Его преимущества очевидны, перечислим их:

• Поскольку задействованы в работе оба полупериода, существенно увеличивается КПД (практически вдвое).
• Пульсация на выходе мостовой схемы увеличивает частоту также вдвое (по сравнению с однополупериодным решением).
• Как видно из графика (3), между импульсами уменьшается уровень провалов, соответственно сгладить их фильтру будет значительно проще.
• Величина напряжения на выходе выпрямителя приблизительно такая же, как и на входе.

Помехи от мостовой схемы незначительны, и становятся еще меньше при использовании фильтрующей электролитической емкости. Благодаря этому такое решение можно использовать в блоках питания, практически, для любых радиолюбительских конструкций, в том числе и тех, где используется чувствительная электроника.

Заметим, совсем не обязательно использовать четыре выпрямительных полупроводниковых элемента, достаточно взять готовую сборку в пластиковом корпусе.

Диодный мост в виде сборки

Такой корпус имеет четыре вывода, два на вход и столько же на выход. Ножки, к которым подключается переменное напряжение, помечаются знаком «~» или буквами «AC». На выходе положительная ножка помечается символом «+», соответственно, отрицательная как «-».

На принципиальной схеме такую сборку принято обозначать в виде ромба, с расположенным внутри графическим отображением диода.

На вопрос что лучше использовать сборку или отдельные диоды нельзя ответить однозначно. По функциональности между ними нет никакой разницы. Но сборка более компактна. С другой стороны, при ее выходе из строя поможет только полная замена. Если же в этаком случае используются отдельные элементы, достаточно заменить вышедший из строя выпрямительный диод.

Диод — полупроводниковый элемент. Принцип работы, устройство и разновидности.

Диод (Diode -eng.) – электронный прибор, имеющий 2 электрода, основным функциональным свойством которого является низкое сопротивление при передаче тока в одну сторону и высокое при передаче в обратную.

То есть при передаче тока в одну сторону он проходит без проблем, а при передаче в другую, сопротивление многократно увеличивается, не давая току пройти без сильных потерь в мощности. При этом диод довольно сильно нагревается.

Диоды бывают электровакуумные, газоразрядные и самые распространённые – полупроводниковые. Свойства диодов, чаще всего в связках между собой, используются для преобразования переменного тока электросети в постоянный ток, для нужд полупроводниковых и других приборов.

 

Конструкция диодов.

Конструктивно, полупроводниковый диод состоит из небольшой пластинки полупроводниковых материалов (кремния или германия), одна сторона (часть пластинки) которой обладает электропроводимостью p-типа, то есть принимающей электроны (содержащей искусственно созданный недостаток электронов («дырочная»)), другая обладает электропроводимостью n-типа, то есть отдающей электроны (содержащей избыток электронов («электронной»)).

Слой между ними называется p-n переходом. Здесь буквы p и n — первые в латинских словах negative — «отрицательный», и positive — «положительный». Сторона p-типа, у полупроводникового прибора является анодом (положительным электродом), а область n-типа — катодом (отрицательным электродом) диода.

 

Электровакуумные (ламповые) диоды, представляют собой лампу с двумя электродами внутри, один из которых имеет нить накаливания, таким образом подогревая себя и создавая вокруг себя магнитное поле.

При разогреве, электроны отделяются от одного электрода (катода) и начинают движение к другому электроду (аноду), благодаря электрическому магнитному полю. Если направить ток в обратную сторону (изменить полярность), то электроны практически не будут двигаться к катоду из-за отсутствия нити накаливания в аноде. Такие диоды, чаще всего применяются в выпрямителях и стабилизаторах, где присутствует высоковольтная составляющая.

Диоды на основе германия, более чувствительны на открытие при малых токах, поэтому их чаще используют в высокоточной низковольтной технике, чем кремниевые.

 

Типы диодов:

• · Смесительный диод — создан для приумножения двух высокочастотных сигналов.

• · pin диод — содержит область проводимости между легированными
  областями. Используется в силовой электронике или как фотодетектор.

• · Лавинный диод — применяется для защиты цепей от перенапряжения. Основан на лавинном пробое обратного участка вольт-амперной характеристики.

• · Лавинно-пролётный диод — применяется для генерации колебаний в СВЧ-технике. Основан на лавинном умножении носителей заряда.

• · Магнитодиод. Диод, характеристики сопротивления которого зависят от значения индукции магнитного поля и расположения его вектора относительно плоскости p-n-перехода.

• · Диоды Ганна. Используются для преобразования и генерации частоты в СВЧ диапазоне.

• · Диод Шоттки. Имеет малое падение напряжения при прямом включении.

• · Полупроводниковые лазеры.

Применяются в лазеростроении, по принципу работы схожи с диодами, но излучают в когерентном диапазоне.

• · Фотодиоды. Запертый фотодиод открывается под действием светового излучения. Применяются в датчиках света, движения и т.д.

• · Солнечный элемент (вариация солнечных батарей). При попадании света, происходит движение электронов от катода к аноду, что генерирует электрический ток.

• · Стабилитроны — используют обратную ветвь характеристики диода с обратимым пробоем для стабилизации напряжения.

• · Туннельные диоды, использующие квантовомеханические эффекты. Применяются как усилители, преобразователи, генераторы и пр.

• · Светодиоды (диоды Генри Раунда, LED). При переходе электронов, у таких диодов происходит излучение в видимом диапазоне света.

Для данных диодов используют прозрачные корпуса для возможности рассеивания света. Также производят диоды, которые могут давать излучение в ультрафиолетовом, инфракрасном и других требуемых диапазонах (в основном, литографической и космической сфере).

• · Варикапы (диод Джона Джеумма) Благодаря тому, что закрытый p—n-переход обладает немалой ёмкостью, ёмкость зависит от приложенного обратного напряжения. Применяются в качестве конденсаторов с переменной ёмкостью.

Что такое диод? | Определение из TechTarget

К

• Участник TechTarget

Диод — это специализированный электронный компонент с двумя электродами, называемыми анодом и катодом. Большинство диодов изготавливаются из полупроводниковых материалов, таких как кремний, германий или селен. Некоторые диоды состоят из металлических электродов в камере, вакуумированной или заполненной чистым элементарным газом при низком давлении. Диоды могут использоваться в качестве выпрямителей, ограничителей сигналов, регуляторов напряжения, переключателей, модуляторов сигналов, смесителей сигналов, демодуляторов сигналов и генераторов.

Основным свойством диода является его склонность проводить электрический ток только в одном направлении. Когда катод заряжается отрицательно по отношению к аноду при напряжении больше определенного минимума, называемого прямым прорывом , через диод протекает ток. Если катод положителен по отношению к аноду, находится под тем же напряжением, что и анод, или имеет отрицательное значение, меньшее, чем прямое напряжение пробоя, то диод не проводит ток. Это упрощенный взгляд, но он верен для диодов, работающих как выпрямители, переключатели и ограничители. Прямое напряжение пробоя составляет примерно шесть десятых вольта (0,6 В) для кремниевых устройств, 0,3 В для германиевых устройств и 1 В для селеновых устройств.

Несмотря на приведенное выше общее правило, если напряжение на катоде достаточно положительное по отношению к напряжению на аноде, диод будет проводить ток. Напряжение, необходимое для возникновения этого явления, известное как лавинное напряжение , сильно различается в зависимости от природы полупроводникового материала, из которого изготовлено устройство. Лавинное напряжение может варьироваться от нескольких вольт до нескольких сотен вольт.

Когда аналоговый сигнал проходит через диод, работающий в точке прямого пробоя или вблизи нее, форма волны сигнала искажается. это нелинейность позволяет осуществлять модуляцию, демодуляцию и микширование сигналов. Кроме того, генерируются сигналы с гармониками или целыми кратными входной частоты. Некоторые диоды также имеют характеристику, которую неточно называют отрицательным сопротивлением . Диоды этого типа при подаче напряжения соответствующего уровня и полярности генерируют аналоговые сигналы на микроволновых радиочастотах.

Полупроводниковые диоды

могут быть спроектированы для выработки постоянного тока (DC) при воздействии на них видимого света, инфракрасного (ИК) или ультрафиолетового (УФ) излучения. Эти диоды известны как фотогальванические элементы и являются основой солнечных электроэнергетических систем и фотодатчиков. Еще одна форма диода, обычно используемая в электронном и компьютерном оборудовании, излучает видимый свет или инфракрасную энергию, когда через него проходит ток. Таким устройством является всем знакомый светоизлучающий диод (LED).

Последнее обновление: июнь 2015 г.

Продолжить чтение О диоде
• См. все наши определения электроники
• См. руководство по диодам
• Введение в диоды и выпрямители

устойчивый AI

Устойчивый ИИ — это использование систем искусственного интеллекта, которые работают в соответствии с устойчивой деловой практикой.

Сеть

• полоса (полоса частот)

  В телекоммуникациях полоса частот, иногда называемая полосой частот, относится к определенному диапазону частот в …

• HAProxy

  HAProxy — это высокопроизводительный балансировщик нагрузки с открытым исходным кодом и обратный прокси-сервер для приложений TCP и HTTP.

• ACK (подтверждение)

  В некоторых протоколах цифровой связи ACK — сокращение от «подтверждение» — относится к сигналу, который устройство отправляет, чтобы указать…

Безопасность

• постквантовая криптография

  Постквантовая криптография, также известная как квантовое шифрование, представляет собой разработку криптографических систем для классических компьютеров…

• деинициализация

  Деинициализация — это часть жизненного цикла сотрудника, в ходе которой лишаются прав доступа к программному обеспечению и сетевым службам.

• Требования PCI DSS 12

  Требования PCI DSS 12 представляют собой набор мер безопасности, которые предприятия должны внедрить для защиты данных кредитных карт и соблюдения …

ИТ-директор

• Agile-манифест

  Манифест Agile — это документ, определяющий четыре ключевые ценности и 12 принципов, которые его авторы считают разработчиками программного обеспечения…

• Общее управление качеством (TQM)

  Total Quality Management (TQM) — это система управления, основанная на вере в то, что организация может добиться долгосрочного успеха, …

• системное мышление

  Системное мышление — это целостный подход к анализу, который фокусируется на том, как взаимодействуют составные части системы и как…

HRSoftware

• вовлечения сотрудников

  Вовлеченность сотрудников — это эмоциональная и профессиональная связь, которую сотрудник испытывает к своей организации, коллегам и работе.

• кадровый резерв

  Кадровый резерв — это база данных кандидатов на работу, которые могут удовлетворить немедленные и долгосрочные потребности организации.

• разнообразие, равенство и инклюзивность (DEI)

  Разнообразие, равенство и инклюзивность — термин, используемый для описания политики и программ, которые способствуют представительству и …

Служба поддержки клиентов

• требующий оценки

  Оценка потребностей — это систематический процесс, в ходе которого изучается, какие критерии должны быть соблюдены для достижения желаемого результата.

• точка взаимодействия с клиентом

  Точка соприкосновения с покупателем — это любой прямой или косвенный контакт покупателя с брендом.

• устав обслуживания клиентов

  Устав обслуживания клиентов — это документ, в котором описывается, как организация обещает работать со своими клиентами, а также . ..

Диод | Определение, символ, типы и использование

характеристики p-n перехода

Посмотреть все СМИ

Ключевые люди:

Ник Холоньяк-младший

Похожие темы:

электронная лампа выпрямитель катод анод фотокатод

См. все связанные материалы →

Диод , электрический компонент, пропускающий ток только в одном направлении. На принципиальных схемах диод изображается треугольником с линией, проходящей через одну вершину.

Самый распространенный тип диода использует р — п развязка. В этом типе диода один материал ( n ), в котором электроны являются носителями заряда, граничит со вторым материалом ( p ), в котором дырки (места, обедненные электронами, действующие как положительно заряженные частицы) действуют как носители заряда. На их границе образуется обедненная область, через которую диффундируют электроны, заполняя дырки на p -стороне. Это останавливает дальнейший поток электронов. Когда этот переход смещен в прямом направлении (т. е. положительное напряжение приложено к p -сторона), электроны могут легко перемещаться по переходу, заполняя отверстия, и через диод протекает ток. Когда переход смещен в обратном направлении (т. е. к стороне p приложено отрицательное напряжение), обедненная область расширяется, и электроны не могут свободно проходить через нее. Ток остается очень малым до тех пор, пока не будет достигнуто определенное напряжение (напряжение пробоя), после чего ток резко возрастет.

Светоизлучающие диоды (СИД) представляют собой p — n переходы, излучающие свет при протекании через них тока. Несколько p — n Соединительные диоды могут быть соединены последовательно для получения выпрямителя (электрического компонента, преобразующего переменный ток в постоянный). Стабилитроны имеют четко определенное напряжение пробоя, так что при этом напряжении ток течет в обратном направлении, и постоянное напряжение может поддерживаться, несмотря на колебания напряжения или тока. В варакторных (или варикапных) диодах изменение напряжения смещения вызывает изменение емкости диода; эти диоды имеют множество применений для передачи сигналов и используются в радио- и телеиндустрии. (Подробнее об этих и других типах диодов см. см. полупроводниковое устройство.)

Ранние диоды представляли собой вакуумные трубки, вакуумированные стеклянные или металлические электронные трубки, содержащие два электрода — отрицательно заряженный катод и положительно заряженный анод. Они использовались в качестве выпрямителей и детекторов в электронных схемах, таких как радио- и телевизионные приемники. Когда к аноду (или пластине) прикладывается положительное напряжение, электроны, испускаемые нагретым катодом, текут к пластине и возвращаются к катоду через внешний источник питания. Если к пластине приложено отрицательное напряжение, электроны не могут покинуть катод, и ток пластины не течет. Таким образом, диод позволяет электронам течь от катода к пластине, но не от пластины к катоду.