Для чего нужен диод в электрической цепи. Выпрямительный диод: принцип работы, характеристики и применение

Что такое выпрямительный диод. Как работает выпрямительный диод. Какие бывают типы выпрямительных диодов. Где применяются выпрямительные диоды. Каковы основные характеристики выпрямительных диодов.

Что такое выпрямительный диод

Выпрямительный диод — это полупроводниковый прибор, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный. Он пропускает электрический ток только в одном направлении, блокируя его прохождение в обратном.

Основной принцип работы выпрямительного диода основан на свойствах p-n перехода — границы между областями полупроводника с различным типом проводимости. При подаче прямого напряжения p-n переход открывается и пропускает ток, а при обратном — закрывается и блокирует его.

Устройство и принцип действия выпрямительного диода

Выпрямительный диод состоит из двух основных частей:

• Анод — область полупроводника p-типа
• Катод — область полупроводника n-типа

Между анодом и катодом образуется p-n переход. При подаче на анод положительного потенциала относительно катода, p-n переход открывается и диод пропускает ток. При обратной полярности напряжения p-n переход закрывается и ток практически не протекает.

Таким образом, выпрямительный диод пропускает ток только в одном направлении — от анода к катоду. Это свойство и позволяет использовать его для выпрямления переменного тока.

Основные характеристики выпрямительных диодов

Ключевыми параметрами выпрямительных диодов являются:

• Максимальный прямой ток — наибольший допустимый ток через диод в прямом направлении
• Максимальное обратное напряжение — наибольшее допустимое напряжение на диоде в обратном направлении
• Прямое падение напряжения — напряжение на открытом диоде при протекании прямого тока
• Обратный ток — небольшой ток, протекающий через диод в обратном направлении
• Максимальная частота — предельная частота переменного тока, который диод способен выпрямлять

Типы выпрямительных диодов

Основные типы выпрямительных диодов:

• Кремниевые диоды — наиболее распространенный тип, работают на частотах до нескольких кГц
• Германиевые диоды — имеют меньшее прямое падение напряжения
• Диоды Шоттки — обладают высоким быстродействием, работают на частотах до сотен МГц
• Селеновые диоды — выдерживают большие токи, но имеют большое прямое падение напряжения

Применение выпрямительных диодов

Основные области применения выпрямительных диодов:

• Выпрямители переменного тока в источниках питания
• Детекторы радиосигналов в радиоприемниках
• Защита от обратного тока в электрических цепях
• Формирование импульсов в цифровых схемах
• Стабилизация напряжения (в стабилитронах)

Преимущества и недостатки выпрямительных диодов

Основные преимущества выпрямительных диодов:

• Простота конструкции
• Высокая надежность
• Низкая стоимость
• Малые габариты
• Отсутствие необходимости в накале (в отличие от ламповых диодов)

Недостатки выпрямительных диодов:

• Наличие прямого падения напряжения
• Ограниченная мощность
• Зависимость параметров от температуры
• Чувствительность к перегрузкам по току и напряжению

Как выбрать выпрямительный диод

При выборе выпрямительного диода следует учитывать следующие факторы:

• Максимальный прямой ток — должен быть выше рабочего тока в схеме
• Максимальное обратное напряжение — должно превышать амплитуду входного напряжения
• Рабочая частота — должна быть ниже предельной частоты диода
• Прямое падение напряжения — желательно минимальное
• Обратный ток — желательно минимальный
• Рабочая температура — должна соответствовать условиям эксплуатации

Схемы включения выпрямительных диодов

Основные схемы включения выпрямительных диодов:

• Однополупериодная — простейшая схема с одним диодом
• Двухполупериодная со средней точкой — использует два диода
• Мостовая — наиболее эффективная схема с четырьмя диодами
• Умножители напряжения — позволяют получить напряжение выше входного

Маркировка выпрямительных диодов

Маркировка выпрямительных диодов обычно содержит следующую информацию:

• Буквенно-цифровой код, указывающий тип диода
• Максимальный прямой ток
• Максимальное обратное напряжение
• Корпус диода

Например, маркировка 1N4007 означает:

• 1N — серия выпрямительных диодов
• 4007 — конкретная модель с током 1А и напряжением 1000В

Особенности эксплуатации выпрямительных диодов

При использовании выпрямительных диодов следует учитывать:

• Необходимость соблюдения полярности включения
• Недопустимость превышения максимальных токов и напряжений
• Важность обеспечения хорошего теплоотвода для мощных диодов
• Желательность использования защитных цепей от перенапряжений
• Возможность параллельного и последовательного соединения диодов для увеличения тока и напряжения

Соблюдение этих правил позволит обеспечить надежную и долговременную работу выпрямительных диодов в различных электронных устройствах.

Для чего ставят диод параллельно катушке, обмотке реле в цепи постоянного тока, в чем смысл.

На электронных схемах, где стоит электромагнитное реле, можно заметить, что параллельно его катушке припаян диод. Этот диод подсоединяется к обмотке обратным подключением. То есть, плюс диода (он же анод) будет лежать на минусе источника питания схемы, а минус диода (он же катод), будет находится на плюсе питания. Как известно, при таком способе подключения диода к питанию полупроводник находится в закрытом состоянии, он через себя не проводит электрический ток. Тогда возникает вопрос, а зачем он тогда нужен, если он работает как обычный диэлектрик?

А дело всё в том, что любая катушка, намотанная обычный образом (провод мотается в одном направлении) имеет помимо электрического сопротивления и индуктивность. Вокруг катушки при прохождении постоянного тока образуется электромагнитное поле. А в момент снятия напряжения с катушки, та энергия, которая была аккумулирована в этом электромагнитном поле резко преобразуется опять в электрическую. При этом на концах катушки появляется высоких разностный потенциал. То есть, проще говоря, в момент отключения от катушки питания на ней образуется кратковременный электрический всплески напряжения. Причем, этот всплеск ЭДС (электродвижущей силы) может в несколько раз превышать напряжение питания, которое ранее было подано на обмотку.

Такие скачки увеличенного напряжения, которые образуются на различных катушках, в том числе и на обмотке реле, способны негативно влиять на чувствительные элементы электронной схемы. Например, этот скачок легко может создать электрический пробой различных маломощных транзисторов, микросхем и т.д. Либо же это кратковременное увеличение напряжения может в момент процессов переключения реле вводить в электронную схему различные искажения, погрешности, плохо влиять на измерительные узлы и т.д. Одним словом явление возникновения подобных импульсов увеличенного напряжения – это плохо для любой электронной схемы.

А как же обычный диод может защитить от таких вот ЭДС скачков? Дело в том, что генерация ЭДС индукции имеет противоположную полярность, относительно подаваемого напряжения питания на катушку. Вначале мы на один конец катушки реле подавали плюс, а на второй – минус. При снятии напряжения питания с катушки полюса изменятся. Где был плюс, появится минус, а где был минус, появится плюс. Если наш защитный диод при одной полярности, когда идет питание катушки, находится в закрытом состоянии, работая как диэлектрик, то при другой полярности он уже будет переходить в открытое состояние. Другими словами говоря, при нормальной работе реле диод не будет себя проявлять как функциональный элемент, а при возникновении ЭДС индукции на катушки реле он сразу же станет проводником и замкнет этот импульс увеличенного напряжения на себе.

Может возникнуть вопрос. Если диод берет (замыкает) всю энергию ЭДС индукции катушки реле на себя, то не выйдет ли он от этого из строя (не сгорит ли)? Дело в том что у обычных катушек реле не столь большая энергия, что аккумулируется на ней в виде электромагнитного поля. Эта энергия имеет импульсный, одноразовый характер. Причем, при ЭДС индукции опасно именно увеличенное напряжение (относительно напряжения питания), токи же в этом импульсе достаточно малы. Задача диода нейтрализовать именно импульс увеличенного напряжения. Да и самый обычный, распространенный диод, такой как 1N4007 способен выдерживать обратное напряжение аж до 1000 вольт и прямой ток до 1 ампера (ток импульса намного меньше).

А какие диоды нужно ставить параллельно катушке реле, чтобы защитить электронную схему от подобный скачков напряжения ЭДС индукции? Как я только что уже сказал, энергия обычного маломощного реле (да и средней мощности) не такая уж и большая. Опасен именно сам увеличенный по напряжению импульс. Если питание катушки было, например, 12 вольт постоянного тока, то этот импульс может быть в несколько раз больше (ну пусть до 150 вольт, не больше). Токи, которые могут быть при этом импульсе могут иметь величину единицы и десятки миллиампер. На ток влияет диаметр провода, и его длина в катушке. Чем тоньше диаметр, и чем больше намотка, тем меньше ток. С напряжением наоборот. Чем больше витков в катушке, тем выше напряжение будет при ЭДС индукции.

Если не вдаваться в расчеты, то поставив на катушку обычного маломощного реле кремниевые диоды типа 1N4007 вы не ошибетесь. Их вполне хватит, чтобы надежно защитить электронную схему от подобный ЭДС импульсов, возникающих из-за переключающихся процессов.

Видео по этой теме:

P.S. Порой встречаются схемы (например электронная нагрузка), где в цепи мощных транзисторов стоят низкоомные резисторы. Эти резисторы на малое сопротивление иногда наматываются своими руками. Так вот если их мотать обычным образом (витки всего провода имеют одно направление) то это самодельное сопротивление будет обладать и активным сопротивлением и индуктивностью, которая также будет создавать эти ЭДС импульсы увеличенного напряжения. Но такие самодельные резисторы можно мотать и другим образом. Обмоточный провод складываем вдвое, его концы припаиваем на корпус обычного резистора, а сам сдвоенный провод одновременно наматываем на каркас резистора. В этом случае этот резистор будет иметь только активное сопротивление, индукция у него будет нулевая, что исключить возникновения ЭДС импульса. Дело в том, что электромагнитное поле провода одного направления будет компенсироваться полем другого провода, имеющего обратное направление.

Что такое полупроводниковый диод — выпрямитель переменного тока

Диодами называют двухэлектродные приборы, обладающие односторонней проводимостью электрического тока. Это их основное свойство используют, например, в выпрямителях, где диоды преобразуют переменный ток электросети в ток постоянный для питания радиоаппаратуры, в приемниках — для детектирования модулированных колебаний высокой частоты, то есть преобразования их в колебания низкой (звуковой) частоты.

Наглядной иллюстрацией этого свойства диода может быть такой опыт (рис. 12). В цепь, составленную из батареи 3336Л и лампочки от карманного фонаря (3,5 В X 0,26 А), включи любой плоскостной диод (на рис. 12 он обозначен латинской буквой V), например, из серии Д226 или Д7, но так, чтобы анод диода, обозначаемый условно треугольником, был бы соединен непосредственно или через лампочку с положительным полюсом батареи, а катод, обозначаемый черточкой, к которой примыкает угол треугольника, с отрицательным полюсом батареи. Лампочка должна гореть.

Измени полярность включения батареи на обратную — лампочка гореть не будет. Если сопротивление диода измерять омметром, го в зависимости от того, как подключить его к зажимам прибора, омметр покажет различное сопротивление: в одном случае малое (единицы или десятки ом), в другом — очень большое (десятки и сотни килоом). Этим и подтверждается односторонняя проводимость диода.

Как устроен и работает диод? У него два электрода: катод — отрицательный и анод — положительный (рис. 13). Катодом служит пластинка германия, кремния или какого-либо другого полупроводника, обладающего электронной проводимостью, или сокращенно полупроводник n-типа (n — начальная буква латинского слова negativus — «отрицательный»), а анодом — часть объема этой же пластинки, но- с так называемой дырочной про-водимостью, или сокращенно полупроводник р-типа (р — начальная буква латинского слова positivus — «положительный»).

Между электродами образуется так называемый р-n переход — пограничная зона, хорошо проводящая ток от анода к катоду и плохо в обратном направлении (за направление тока принято направление, противоположное движению электронов).

Диод может находиться в одном из двух состояний: открытом, то есть пропускном, либо закрытом, то есть непропускном. Диод бывает открыт, когда к нему приложено прямое напряжение Uпр, иначе, его анод соединен с плюсом источника напряжения, а катод — с минусом.

В этом случае сопротивление р-n перехода диода мало и через него течет прямой ток IПр, сила которого зависит от сопротивления нагрузки (в нашем опыте — лам-почка от карманного фонаря).

При другой полярности питающего напряжения на р-n переход диода прикладывается обратное напряжение Uобр. В этом случае диод закрыт, его сопротивление велико и в цепи течет лишь незначительный обратный ток диода Iобр.

О зависимости тока, проходящего через диод, от значения и полярности напряжения на его электродах лучше всего судить по вольтамперной характеристике диода, которую можно снять опытным путем (рис. 14).

К свежему элементу 332 или 343 подключи проволочный переменный резистор 7?р сопротивлением 50… 100 Ом, а между его движком и нижним (по схеме) крайним выводом включи последовательно соединенные германиевый плоскостной диод (например, серии Д7 с любым буквенным индексом), миллиамперметр

Диод должен быть включен в пропускном направлении, то есть анодом в сторону положительного полюса элемента. Параллельно диоду подсоединены вольтметр постоянного тока PU1, включенный на предел измерений до 1 В и фиксирующий напряжение, подаваемое на электроды диода.

Движок переменного резистора, выполняющего роль делителя напряжения, поставь в крайнее нижнее (по схеме) положение а затем, внимательно следя за стрелками приборов, очень медленно перемещай его в сторону верхнего положения. Запиши показания миллиамперметра при напряжениях на диоде 0,05, 0,1, 0,15 В и т, д до напряжения 0,4…0,5 В через каждые 0,ОЗ В, а затем по этим данным построй на миллиметровой бумаге график (рис. 15).

По горизонтальной оси вправо откладывай пря-мые напряжения на диоде (Uпр), а по вертикальной оси вверх — соответствующие им прямые токи в цепи (Iпр). Соединив точки пересечения значений электрических величин, ты таким образом построишь прямую ветвь вольт-амперной характеристики диода (на рис. 15 — сплошная линия). Она, правда, не совсем точная, особенно в начальной части, так как небольшой ток течет и через вольтметр, но все же близка к реальной.

О чем может рассказать этот график? При нулевом напряжений на диоде и ток в цепи, в которую он включен, равен нулю. При появлении прямого напряжения диод открывается и пропускает через себя прямой ток.

При напряжении 0,05 В прямой ток не превышает 0,1…0,2 мА, при напряжении 0,1 В — 0,6…0,8 мА, а при напряжении 0,2…0,3 В, когда вольтамперная характеристика начинает круто идти вверх, ток достигает уже 40…50 мА. Небольшой прирост напряжения, а как резко увеличивается ток!

Но значительно повышать напряжение на диоде и тем самым увеличивать ток через него нельзя: из-за чрезмерно большого тока наступает тепловой пробой, и~диод утрачивает свойство односторонней проводимости. Чтобы не случилось этого во время опыта, в цепь был включен ограничивающий резистор R0гр.

Теперь измени полярность включения диода на обратную и точно так же увеличивай напряжение на нем. Что показывает миллиамперметр? Его стрелка стоит возле нулевой отметки. Замени элемент на батарею 3336Л, соедини последовательно две-три таких батареи. Напряжение на диоде растет. Но оно обратное. Диод закрыт, поэтому и тока в цепи практически нет.

Обратная ветвь вольтамперной характеристики на £ис. 15 изображена штриховой линией. Она идет почти параллельно оси Uобр. Но при каком-то достаточно большом обратном напряжении она круто поворачивает и идет вниз. Это предел, при котором диод пробивается обратным напряжением и, как при тепловом пробое, выходит из строя.

Из построенной вольтамперной характеристики видно, что ток Iпр диода в сотни и тысячи раз больше тока Iобр. Так, например, у диода, имеющего такую вольтам-перную характеристику, при прямом напряжении 0,3 В ток IПр равен примерно 70 мА, а при обратном напряжении в 100 В ток Iобр не превышает 200 мкА. Именно по этой причине во второй части первого опыта лампочка не горела.

Если пренебречь малым обратным током (что и делают на практике), который у исправных плоскостных дио-дов не превышает десятые доли миллиампера, а у точечных еще меньше, то можно считать, что диод является односторонним проводником тока.

Вольтамперную характеристику, подобную той, что изображена на рис. 15, имеет и кремниевый диод, например, серии Д226, но прямая ветвь его характеристики как бы сдвинута вправо. Объясняется это тем, что кремниевый диод открывается при прямом напряжении около 0,5 В, а не при 0,1…0,15 В, как германиевый. При меньшем напряжении на нем диод закрыт-и ток через него практически не течет. Проверь это опытным путем.

Но помни — диод, будь он германиевым или кремниевым, плоскостным или точечным, нельзя включать в прямом направлении без нагрузки: он быстро выйдет из строя из-за недопустимо большого тока, который будет течь через него.

А если диод включить в цепь переменного тока? Он будет работать как выпрямитель, что может подтвердить следующий опыт.

Прежде чем начать этот опыт, хочется напомнить тебе, что электроосветительная сеть, с которой тебе придется иметь дело, таит в себе скрытые опасности. Пренебрежительное отношение к ним может обернуться тяжелыми последствиями.

Как предотвратить неприятности, которые может причинить электросеть? Прежде всего не надо забывать, что она находится под высоким, опасным для тебя напряжением. Никогда не касайся рукой или инструментом оголенных проводов и контактных гнезд штепсельной розетки.

А если потребуется изолировать поврежденный участок провода или подтянуть винты в штепсельной розетке, попроси старших или сам осторожно выверни плавкие предохранители («пробки») на распределительном щите, чтобы обесточить сеть. Только после этого устраняй дефекты или неисправности.

Прежде чем вставить в штепсельную розетку вилку электропаяльника или трансформатора, необходимого для питания от сети приемника или другого радиотехнического устройства, внимательно осмотри их — нет ли оголенных участков, замкнутых проводов, ослабленных или разболтанных контактов. Если все в порядке — включай, но опять-таки осторожно, не касаясь штырьков вилки.

Рекомендуем обзавестись переносной распределительной колодкой с несколькими штепсельными розетками и через нее подключать приборы к сети. Продолжим опыты с диодом (рис. 16).

В цепь вторичной (II) обмотки трансформатора Т, понижающего напряжение электроосветительной сети до 3…5 В, включи диод Д226 или Д7 с любым буквенным индексом или какой-либо аналогичный им плоскостной диод, а последовательно с ним — лампочку от карманного фонаря. Подключи первичную (I) обмотку трансформатора к сети (через плавкий предохранитель F на ток 0,25 А).

Если лампочка горит со значительным перекалом нити, то .включи в цепь резистор, ограничивающий ток в ней до 0,2…0,3 А. Сопротивление этого резистора рассчитай по закону Ома.

Как узнать, какой ток течет через нить накала лампочки — переменный или постоянный? Это можно сделать с помощью вольтметра постоянного тока. Подключи вольтметр параллельно лампочке (на рис. 16 — PU1), но так, чтобы его плюсовой щуп был соединен с проводником, идущим к катоду диода. Прибор покажет какое-то напряжение. Если же прибор подключить к лампочке в другой полярности, его стрелка отклонится в обратную сторону. Уже этот опыт подтверждает, что через лампочку течет ток одного направления, то есть постоянный.

О роде тока можно также судить по его магнитному полю. На катушку из-под ниток намотай 300…350 витков провода диаметром 0,2…0,3 мм в эмалевой, шелковой или бумажной изоляции (ПЭВ, ПЭЛ, ПЭЛШО 0,2…0,3), сделав отвод от 120…150-го витка (отвод нужен будет для опытов на пятом практикуме). У тебя получится катушка индуктивности (рис. 17,а) с каркасом из древесины.

Включи ее в цепь вторичной обмотки того же понижающего трансформатора (на рис. 17,6 — катушка L) последовательно с диодом и лампочкой накаливания. Как и в предыдущем опыте, лампочка должна гореть.

Поднеси к катушке магнитную чстрелку (компас) — она сразу же расположится вдоль оси катушки, указывая на ее магнитные полюсы. Значит, через катушку течет постоянный ток, иначе магнитная стрелка оставалась бы сориентированной на магнитные полюсы Земли.

Поменяй местами включение выводов диода — магнитная стрелка тут же повернется на 180°. Следовательно, при изменении полярности включения диода ток в цепи, в которую он включен, тоже изменяет свое направление.

Что же произошло во внешней цепи вторичной обмотки трансформатора при включении в нее диода? Хорошо пропуская ток одного направления, диод тем самым выпрямляет переменный ток.

В результате ток в цепи стал пульсирующим (см. график на рис. 16) — постоянным по направлению, но изменяющимся по величине с частотой переменного тока. Постоянным, но также пульсирующим, стало и его магнитное поле. Изменив включение диода, ты тем самым изменил направление тока в катушке и расположение ее магнитных полюсов.

Какова в этом опыте роль лампочки? Она, во-первых, служит индикатором включения питания, а во-вторых, ограничивает ток во внешней цепи, оберегая диод от перегрузки.

Если есть радиоприемник, включи его. Независимо от настройки в моменты отключения катушки из цепи вторичной обмотки трансформатора в громкоговорителе приемника раздается характерный треск. Его создают электромагнитные колебания, возбуждаемые слабой электрической искрой, возникающей в цепи с катушкой % момент выключения тока.

Оставь в цепи вторичной обмотки трансформатора только диод и лампочку (как на рис. 16). Лампочка продолжает гореть. Измерь вольтметром переменного тока (на рис. 16 — вольтметр PU2) напряжение на обмотке, а вольтметром постоянного тока PU1 — напряжение на лампочке. На лампочке напряжение почти наполовину меньше, чем на обмотке.

Преобразование переменного тока диодом происходит следующим образом. Во вторичной обмотке трансформатора индуцируется переменное напряжение с частотой 50 Гц. При положительных полупериодах на ее верхнем выводе (на рис. 16 показано знаком «+»)диод открывается. В эти моменты времени через диод и его нагрузку (лампочку) течет прямой ток диода Iпр.

При отрицательных полупериодах на аноде диод закрывается, и в цепи течет лишь незначительный обратный ток Iобр. Диод как бы отсекает большую часть отрицательных полуволн переменного тока (на графике рис. 16 показано штриховыми линиями), в результате через нагрузку выпрямителя течет пульсирующий ток — ток одного направления, но изменяющийся по силе с частотой 50 Гц. График такого тока можно увидеть только на экране осциллографа.

Проводник, соединенный с катодом диода, является выводом положительного полюса выпрямителя, а свободный конец вторичной обмотки трансформатора — выводом отрицательного полюса выпрямителя.

Получился простейший выпрямитель переменного тока, нагрузкой которого служит лампочка накаливания. А постоянное напряжение на нагрузке меньше напряжения переменного тока на вторичной обмотке, потому что ток через нее идет полуволнами.

В связи с тем что во внешнем участке цепи выпрямителя (в нашем опыте — лампочке) ток течет в основном только при положительных полупериодах напряжения на аноде диода, выпрямитель называют однополу-Периодным.

Такой выпрямитель может найти практическое применение, например, для питания микроэлектродвигателя постоянного тока, для зарядки малогабаритных аккумуляторов (типа Д~0,06, Д-0,2). Попробуй в порядке эксперимента подключить к нему (одноименными полюсами) полностью разрядившуюся батарею 3336Л. Через 30…40 мин отключи батарею от выпрямителя и подключи к ней лампочку от карманного фонаря. Лампочка будет гореть, но недолго: электрический заряд, принятый батареей, быстро израсходуется.

Еще один опыт с однополупериодным выпрямителем. Подключи к выходу выпрямителя, нагруженному лампочкой, головные телефоны (на рис. 18 — В). В телефонах услышишь звук низкого тона, соответствующий частоте пульсаций выпрямленного тока (50 Гц).

Его называют фоном переменного тока. Затем, не отключая телефоны, подключи к выходу выпрямителя конденсатор емкостью 5…10 мкФ (на рис. 18™ конденсатор С).

Если этот конденсатор электролитический, его положительная обкладка-должна быть соединена с плюсом, а отрицательная — с минусом выпрямителя. Лампочка при этом будет гореть чуть ярче, потому что напряжение на выходе выпрямителя увеличилось (проверь вольтметром), а уровень фона станет меньше. Тональность же прослушиваемого звука в телефонах остается прежней.

Какова в этом опыте роль конденсатора? В моменты времени, когда диод открыт, конденсатор заряжается до максимального (амплитудного) значения импульсов выпрямленного напряжения, а когда диод закрыт, то -разряжается через нагрузку выпрямителя.

Происходит «сглаживание» пульсаций выпрямленного напряжения, в результате среднее значение тока во внешней цепи несколько возрастает, а фон переменного тока снижается.

Увеличение емкости конденсатора улучшает сглаживание пульсаций выпрямленного тока, и фон ослабевает. Но при однополупериодном выпрямителе полезно используется только один полупериод переменного тока. Чтобы при том же понижающем трансформаторе использовать оба полупериода переменного тока, в выпрямителе должны работать два или четыре однотипных диода.

Проведи опыт с выпрямителем на четырех диодах, включенных по так называемой мостовой схеме. Диоды могут быть серий Д226, Д7 с любым буквенным индексом. Соедини их между собой и подключи к вторичной обмотке того же понижающего трансформатора точно по схеме, показанной на рис. 19.

Если полярность или последовательность включения диодов будет неправильна, опыт не удастся, а некоторые из диодов могут испортиться. Диоды, включенные таким способом, образуют выпрямительный мост, а каждый из диодов — плечо моста. Между точками А и Б включи лампочку Я от карманного фонаря, а последовательно с ней — резистор Rorp, ограничивающий ток & этой диагонали моста до 0,25…0,3 А.

Включи питание. Горит лампочка? Должна гореть. Измерь вольтметром переменного тока напряжение на вторичной обмотке трансформатора, а вольтметром постоянного тока — между точками А и Б, являющимися выходными контактами выпрямителя. По сравнению с однополупериоднвтм выпрямителем выходное напряжение увеличилось почти вдвое.

В таком выпрямителе в течение каждого полупериода переменного напряжения работают поочередно два диода противоположных плеч, включенных между собой последовательно, но встречно по отношению ко второй паре диодов.

Когда на верхнем (по схеме) выводе вторичной обмотки трансформатора Т положительный полупериод, ток пойдет через диод VI, нагрузку Н, резистор Rorp и диод V3 к нижнему выводу вторичной обмотки. Диоды VI и V4 в это время закрыты. В течение другого полупериода переменного напряжения ток в нагрузке выпрямителя идет в том же направлении, а в самом выпрямителе — через открытые в это время диоды V4 и VI.

Таким образом, здесь используются оба полупериода переменного тока, поэтому подобные выпрямители называют двухполупериодными. Напряжение постоянного тока на их выходе равно примерно переменному напряжению, действующему во всей вторичной обмотке трансформатора,

Литература:  Борисов В. Г. Практикум начинающего радиолюбителя.2-е изд., перераб. и доп. 1984.

ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД — это… Что такое ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД?

ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД

полупроводниковый диод, предназнач. для преобразования перем. тока в постоянный либо пульсирующий ток одной полярности. Действие осн. на использовании зависимости электропроводности р — п-перехода или контакта металл — полупроводник от значения и знака прилож. внеш. напряжения. На частотах от 50 Гц до 5 кГц наибольшее распространение получили кремниевые диффузионные и сплавные В. п. д. (ср. значение прямого напряжения 0,6 — 0,8 В, силы прямого тока до 1 кА; допустимое обратное напряжение 1 кВ и более; диапазон рабочих темп-р от — 60 до 125 °С). Применяются также диффузионные В. п. д. на основе арсенида галлия с максим, рабочей темп-рой 250 °С и частотой до 1 МГц и диоды на основе карбида кремния, способные работать при темп-pax до 500 °С. Для выпрямления тока в области В Ч (обычно до сотен МГц) используют кремниевые планарно-эпитаксиальные диоды с р — n-переходом, а также кремниевые плоскостные В. п. д. с выпрямлением на контакте металл — ПП (см. Шотки диод). В. п. д. широко применяются в выпрямителях тока для питания пром. радиоэлектронных приборов и систем, в бытовой электронной аппаратуре, зарядовых устройствах и др.

Большой энциклопедический политехнический словарь. 2004.

• ВЫПРЯМИТЕЛЬНАЯ ЛАМПА
• ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЙ СТОЛБ

Смотреть что такое «ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД» в других словарях:

• выпрямительный полупроводниковый диод — выпрямительный диод Полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока, включая монтажные и охлаждающие устройства, если он образует с ними одно целое. [ГОСТ 15133 77] Тематики полупроводниковые приборы Синонимы… …   Справочник технического переводчика

• Выпрямительный полупроводниковый диод —         двухэлектродный прибор с преимущественно односторонней (униполярной) электрической проводимостью. Выпрямительный эффект возникает на переходе металл полупроводник или в электронно дырочном переходе (См. Электронно дырочный переход) в… …   Большая советская энциклопедия

• выпрямительный полупроводниковый диод с контролируемым лавинным пробоем — Выпрямительный полупроводниковый диод с заданными характеристиками максимального и минимального напряжения пробоя, предназначенный для работы в установившемся режиме в области пробоя обратной ветви вольт амперной характеристики. [ГОСТ 15133 77]… …   Справочник технического переводчика

• полупроводниковый диод — полупроводниковый диод; диод; отрасл. полупроводниковый вентиль Электропреобразовательный полупроводниковый прибор с электрическим переходом (переходами), имеющий два вывода. Примечание. 1. Полупроводниковый диод, предназначенный для работы в… …   Политехнический терминологический толковый словарь

• Полупроводниковый диод —         двухэлектродный электронный прибор на основе полупроводникового (ПП) кристалла. Понятие «П. д.» объединяет различные приборы с разными принципами действия, имеющие разнообразное назначение. Система классификации П. д. соответствует общей… …   Большая советская энциклопедия

• полупроводниковый вентиль — полупроводниковый диод; диод; отрасл. полупроводниковый вентиль Электропреобразовательный полупроводниковый прибор с электрическим переходом (переходами), имеющий два вывода. Примечание. 1. Полупроводниковый диод, предназначенный для работы в… …   Политехнический терминологический толковый словарь

• диод — Двухэлектродная электронная лампа, имеющая катод и анод. Примечание. Термин кенотрон рекомендуется применять только для диодов, предназначенных для выпрямления переменного тока. полупроводниковый диод; диод; отрасл. полупроводниковый вентиль… …   Политехнический терминологический толковый словарь

• ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЙ ДИОД — (или выпрямитель), компонент ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ, преобразующий ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК в ПОСТОЯННЫЙ. Обычно это полупроводниковый диод, оказывающий высокое СОПРОТИВЛЕНИЕ току, текущему в одном направлении, и низкое сопротивление току, текущему в обратном… …   Научно-технический энциклопедический словарь

• Выпрямительный столб —         полупроводниковый прибор, представляющий набор последовательно соединённых между собой выпрямительных полупроводниковых диодов (См. Полупроводниковый диод). Несколько В. с., заключённых в единый корпус, составляют выпрямительный блок,… …   Большая советская энциклопедия

• Диод — У этого термина существуют и другие значения, см. Диод (значения). Четыре диода и диодный мост. Диод (от др. греч …   Википедия

Применение силовых диодов выпрямительного типа разной мощности

Силовые диоды (варикапы) являются полупроводниковыми приборами, функционирующими за счет использования одного стандартного p-n-перехода. Данные элементы бывают различных видов, в зависимости от того, в какой сфере они используются. Также они различаются своими характеристиками. Такие диоды еще называются выпрямительными, а их функция – преобразовывать переменный ток в однополярный. С этой целью варикап включают последовательно в цепь источника переменного тока и нагрузки. Ниже рассмотрим, что собой представляет данный прибор, и каковы его особенности.

Что это такое

Как классифицируются

Учитывая максимальный уровень прямого тока, диоды выпрямительного типа бывают:

• маломощные – актуальны для выпрямления прямого тока до 300 mA;
• средней мощности – 300 mA-10 A;
• выпрямительные диоды большой мощности – больше 10 А.

При их изготовлении используется кремний или германий, однако, наиболее распространены кремниевые элементы, обладающие лучшими физическими свойствами. Их обратные токи в разы меньше, если сравнивать с германиевыми, при этом напряжение то же. Благодаря этой характеристике, в полупроводниках можно добиться высокой величины допустимого обратного напряжения – до 1500 В. Что касается германиевых диодов, здесь данный показатель варьируется от 100 до 400 В.

Также следует обратить внимание на сохранение функциональности при температурных нагрузках:

• Кремниевые – сохраняют свои свойства при температуре от -60 до +150 градусов Цельсия;
• Германиевые – от -60 до +85 градусов.

Обуславливается это тем, что когда уровень нагрева превышает +85 градусов, образуются электронно-дырочные пары, увеличивающие обратный ток, из-за чего работа диода становится менее эффективной.

Выпрямительными диодами называют полупроводниковые кристаллы, имеющие вид пластины. В их теле находятся две области с разной проводимостью. Именно по этой причине данные приборы носят название плоскостных. Процесс их производства выглядит следующим образом: сверху кристалла с n-проводимостью расплавляют алюминий, индий и бор, а на p-типе –фосфор. Под влиянием высокой температуры элементы плотно сплавляются друг с другом. Также следует заметить, что атомы данных материалов диффундируют в сам кристалл, из-за чего в нем появляется проводимость электронного или дырочного типа. Как результат, создается полупроводниковое устройство с двумя разными областями и отличающейся электропроводностью. Многие плоскостные мощные диоды, изготовленные из германия или кремния, функционируют именно по этому принципу.

Выделяют следующие виды силовых диодов:

• Импульсные;
• Обращенные;
• Диоды Шоттки.

Прибор Шоттки

Импульсными – оборудуются, как правило, схемы невысокой мощности, к которым напряжение подводится импульсно. К ним предъявляется одно требование – из одного состояния в другое они должны переходить за короткий промежуток времени. Импульсные диоды имеют следующие особенности:

• Время восстановления – время, за которое переключается напряжение на варикапе с прямого на обратное, и момент, когда ток уменьшается до определенного значения;
• Время установления – интервал, когда прямой ток начинает протекать через прибор до определенной величины до момента установления выбранного напряжения;
• Максимальный ток восстановления – обратный ток, прошедший через диод после переключения.

Отличительная черта обращенных диодов в том, что они в p-n-областях характеризуются большой концентрацией примесей. Обратное включение характеризуется малым сопротивлением, прямое – большим. Исходя из этого, они актуальны там, где требуется выпрямление малых сигналов, амплитуда которых не превышает нескольких десятков вольт.

Преимущество диодов Шоттки сводится к переходу металл-полупроводник. Производятся с использованием низкоомных n-кремниевых подложек и высокоомного эпитаксиального слоя (тонкий слой) аналогичного полупроводника. Сверху описанного слоя наносится металлический электрод, который отвечает за выпрямление, но он не способен инжектировать неосновные носители в базовую область. По этой причине в данных приборах не протекают медленные процессы – в них не накапливаются и не рассасываются неосновные носители в базе. Исходя из этого, диоды Шоттки имеют невысокую инерционность.

Важно! Варикапы Шоттки имеют низкое последовательное сопротивление, если сравнивать с выпрямительными приборами, так как их слой имеет малое сопротивление. Таким образом, при помощи диодов Шоттки выпрямляются значительные токи (более 10 А).

К сведению. Импульсные вторичные источники питания, выпрямляющие высокочастотные напряжения (несколько МГц), оборудуются такими диодами.

Конструкция силового диода

Кристалл с p-n-переходом вмонтирован в корпус, защищающий его от влияний извне и позволяющий обеспечить надежное отведение тепла. Маломощные приборы помещаются в пластиковые корпуса с гибкими внешними выводами. Варикапы средней мощности выполняются из металлостеклянного корпуса (жесткие выводы). Для изготовления приборов высокой мощности используется металлостеклянный или металлокерамический корпус.

Как выглядит

Кристалл p-n-перехода из кремния или германия припаивается к кристаллодержателю, выступающему в роли основания корпуса. К нему приваривают изделие с изолятором из стекла, через него выводится один из электродов.

Как было замечено выше, маломощные диоды имеют гибкие выводы, благодаря которым их монтируют в схемы. Такие изделия компактны и мало весят. А средне,- и высокомощные устройства оснащены более мощными выводами, так как токи, с которыми они работают, имеют значительную величину. Их нижняя часть содержит массивное основание, задача которого – отводить тепло. Наружная часть выполнена плоской, что требуется для надежного теплового контакта с наружным радиатором.

Технология производства может различаться, поэтому диоды бывают точечными и плоскостными. Для сборки первых применяется кремний или германий – это пластина n-типа, имеющая площадь от 0.5 до 1.5 квадратных миллиметра, а также стальная игла, необходимая для образования p-n-перехода в области контакта. Из-за малой мощности переход получается малоемкостным, поэтому используется в высокочастотных цепях. Ток через переход обычно небольшой – не больше 100 мА. Плоскостные варикапы предполагают две соединенные пластины, где у каждой своя электропроводность. Благодаря большой площади контакта получаются емкостный переход и сравнительно низкая рабочая частота. Показатель проходящего тока достигает 6000 А.

Где находят применение диоды

Такие приборы используются не только в качестве выпрямительных или детекторных устройств. Они применяются во многих других областях. Благодаря хорошим вольтамперным характеристикам, варикапы актуальны в тех областях, где нужно нелинейно обрабатывать аналоговые сигналы. Это различные преобразователи частоты, логарифмические усилители, детекторы и прочие устройства. Роль диода здесь – функционировать в качестве преобразователя или формировать характеристику прибора (их включают в цепь обратной связи).

Схема с приборами

Силовые диоды также есть в стабилизированных источниках питания, коммутирующих элементах и так далее.

Используя варикапы, с легкостью создается ограничитель сигнала: если два диода включить встречно-параллельно, то они отлично защищают вход усилителя, к примеру, микрофонного, чтобы тот не подавал сигнал высокого уровня. Нередко ими оборудуются коммутаторы сигналов и логические приборы.

Светодиоды – один из видов классических варикапов. Некоторое время назад такие приборы использовались в качестве индикатора. В наше же время светодиоды широко используются, начиная обычными фонариками и заканчивая телевизорами с LED-подсветкой.

Многие задаются вопросом что лучше: сборка или отдельные диоды. Однозначного ответа здесь нет, так как функциональность в обоих случаях одинакова. Преимущество сборки заключается в компактности, но, с другой стороны, если она выйдет из строя, ее можно только заменить на новую. Если использовать отдельные элементы, то если какой-то прибор вышел из строя, его заменяют новым выпрямительным диодом.

Отталкиваясь от справочника, силовой диод – это прибор, при помощи которого переменный ток преобразуется в постоянный. Некоторое время назад использовались электровакуумные варикапы и игнитроны, которые сейчас успешно заменены приборами из полупроводниковых материалов и диодными мостами (четыре диода, заключенные в один корпус). Такие элементы бывают разных видов, где каждый имеет свои технические характеристики, особенности и области применения.

Видео

Как подобрать диод и чем они отличаются?

По своим типам подразделяют на:

• Полупроводниковые. Приборы с 1 электрическим выпрямляющим переходом и 2 выводами, в нем применяется определенное свойство перехода. В свою очередь, полупроводники разделяют на выпрямительные устройства большой, средней и малой мощности, импульсные и полупроводниковые стабилитроны.
• Выпрямительные с небольшой мощностью. Сюда определяют приборы с прямым током до 300 мА. Выпрямительный допустимый ток определяет среднее значение при показателе 50 Гц. Показатель обратного максимального напряжения – до 1200 В.
• Выпрямительные со средней мощностью. Со средним значением тока 300 мА – 10 мА. Больший ток тут возможен при помощи увеличения размеров кристаллов на переходе. В большей части кремниевые диоды. Небольшой обратный ток.
• Силовые. Работают в диапазоне от 10 А  и больше. Показатель обратного напряжения составляет значение 6000 В и меньше. Изготовлены они, как правило, из кремниевого материала.

Функции диодов

Полупроводники выполняют ряд функций, которые зависят от используемого типа  прибора.

Диодные мосты. Это соединенные между собой 4,6,12 диодов. Их основная функция – это выпрямительная, лучше всего применять для автомобильного генератора, потому что использование такого типа мостов  способно уменьшить габариты используемого прибора, а заодно и увеличить его надежность. При последовательном одностороннем соединении повышается минимальный показатель напряжения, нужного для того, чтобы открыть весь мост.

Диодный детектор. Это – часть конструкции большинства бытовых приборов, как, например, приемников и телевизоров. Обеспечена защита от неправильной полярности, перегрузки, ключа от пробоя  электрической силой, которая может появиться в процессе самоиндукции. Для того, чтобы защитить схемы от перегрузки, используют цепочку, которая состоит из нескольких диодов. Они подключены к шинам питания в обратном порядке. Вход с защитой подключают, как правило, на середину указанной цепочки.

Во время обычной работы схем, диоды  находятся в закрытом положении, но если они уловили, что потенциал на входе превысил допустимые показатели, то происходит активизирование защитного элемента. По причине этого допустимые потенциальные показатели ограничиваются по формату питающего допустимого напряжения вместе с прямыми падениями показателя напряжения на защитных приборах.

Диодные переключатели применяют для того, чтобы произвести коммутирование сигналов на высоких частотах. Управляют всем этим с помощью электрического постоянного тока, подачи сигнала управления, разделения высокой частоты, это происходит из-за индуктивности и конденсаторов.

Диодная искрозащита. Шунто-диодные барьеры в ней применяются для того, чтобы гарантировать безопасность, ограничив напряжение на нужной заданной электроцепи.

Также вместе с этим используют токоограничивающие резисторы, которые нужны для того, чтобы ограничить показатель электротока, проходящего по сети, и увеличить параметры защиты.

Применение диодов по типам

Зависимо от сферы применения, полупроводниковые приборы подразделяют на такие типы: выпрямительные, универсальные, сверхвысокочастотные, импульсные. Также — вирикапы, стабилитроны, обращенные тоннельные, фотодиоды, генераторы шумов, светоизлучающие, магнитодиоды.  Купить диоды вы сможете на нашем сайте, для этого вам всего лишь нужно ознакомиться с предложенным каталогом, выбрать и заказать именно то, что нужно. Наши менеджеры любезно предоставят вам детальную консультацию для того, чтобы ваша покупка была максимально удачной и полезной.

Полупроводники применяют в электронике, для выпрямления тока, для подключения к источникам с переменными токами, еще – в качестве защиты при неверном подключении, для приема сигнала.

Штырьевые диоды:

Вывод:

Таким образом, анализируя все вышесказанное, можно сделать следующие выводы. Выбирая диод, нужно ориентироваться на выдвигаемые к нему требования.  Независимо от того, для чего именно подбирается устройство, при выборе нужно обратить внимание на основные характеристики, на допустимое максимальное значение прямых токов с обратным напряжением. Если импульсный показатель прямых токов средней величины значительно превышен, то нужно именно его и учитывать, особенно – для полупроводникового диода.

Если нужно выпрямить токи на большой частоте, то нужно ориентироваться на быстрое действие прибора, у полупроводникового точечного устройства собственная емкость ниже, чем у плоскостного. По причине этого они выпрямляют ток на высокой частоте. К тому же – маломощные.  Аналогичны с небольшой разницей диоды Шоттки.

Если не имеет значения кпд и не нужен обратный ток, лучше выбрать электровакуумное устройство, выпрямляющее при небольшом напряжении.

Для чего нужен диод шоттки

Обозначение, применение и параметры диодов Шоттки

К многочисленному семейству полупроводниковых диодов названных по фамилиям учёных, которые открыли необычный эффект, можно добавить ещё один. Это диод Шоттки.

Немецкий физик Вальтер Шоттка открыл и изучил так называемый барьерный эффект возникающий при определённой технологии создания перехода металл-полупроводник.

Основной «фишкой» диода Шоттки является то, что в отличие от обычных диодов на основе p-n перехода, здесь используется переход металл-полупроводник, который ещё называют барьером Шоттки. Этот барьер, так же, как и полупроводниковый p-n переход, обладает свойством односторонней электропроводимости и рядом отличительных свойств.

В качестве материала для изготовления диодов с барьером Шоттки преимущественно используется кремний (Si) и арсенид галлия (GaAs), а также такие металлы как золото, серебро, платина, палладий и вольфрам.

На принципиальных схемах диод Шоттки изображается вот так.

Как видим, его изображение несколько отличается от обозначения обычного полупроводникового диода.

Кроме такого обозначения на схемах можно встретить и изображение сдвоенного диода Шоттки (сборки).

Сдвоенный диод – это два диода смонтированных в одном общем корпусе. Выводы катодов или анодов у них объединены. Поэтому такая сборка, как правило, имеет три вывода. В импульсных блоках питания обычно применяются сборки с общим катодом.

Так как два диода размещены в одном корпусе и выполнены в едином технологическом процессе, то их параметры очень близки. Поскольку они размещены в едином корпусе, то и температурный режим их одинаков. Это увеличивает надёжность и срок службы элемента.

У диодов Шоттки есть два положительных качества: весьма малое прямое падение напряжения (0,2-0,4 вольта) на переходе и очень высокое быстродействие.

К сожалению, такое малое падение напряжения проявляется при приложенном напряжении не более 50-60 вольт. При дальнейшем его повышении диод Шоттки ведёт себя как обычный кремниевый выпрямительный диод. Максимальное обратное напряжение для Шоттки обычно не превышает 250 вольт, хотя в продаже можно встретить образцы, рассчитанные и на 1,2 киловольта (VS-10ETS12-M3).

Так, сдвоенный диод Шоттки (Schottky rectifier) 60CPQ150 рассчитан на максимальное обратное напряжение 150V, а каждый из диодов сборки способен пропустить в прямом включении 30 ампер!

Также можно встретить образцы, выпрямленный за полупериод ток которых может достигать 400А максимум! Примером может служит модель VS-400CNQ045.

Очень часто в принципиальных схемах сложное графическое изображение катода попросту опускают и изображают диод Шоттки как обычный диод. А тип применяемого элемента указывают в спецификации.

К недостаткам диодов с барьером Шоттки можно отнести то, что даже при кратковременном превышении обратного напряжения они мгновенно выходят из строя и главное необратимо. В то время как кремниевые силовые вентили после прекращения действия превышенного напряжения прекрасно самовосстанавливаются и продолжают работать. Кроме того обратный ток диодов очень сильно зависит от температуры перехода. На большом обратном токе возникает тепловой пробой.

К положительным качествам диодов Шоттки кроме высокого быстродействия, а, следовательно, малого времени восстановления можно отнести малую ёмкость перехода (барьера), что позволяет повысить рабочую частоту. Это позволяет использовать их в импульсных выпрямителях на частотах в сотни килогерц. Очень много диодов Шоттки находят своё применение в интегральной микроэлектронике. Выполненные по нано технологии диоды Шоттки входят в состав интегральных схем, где они шунтируют переходы транзисторов для повышения быстродействия.

В радиолюбительской практике прижились диоды Шоттки серии 1N581x (1N5817, 1N5818, 1N5819). Все они рассчитаны на максимальный прямой ток (I_F(AV)) – 1 ампер и обратное напряжение (V_RRM) от 20 до 40 вольт. Падение напряжения (V_F) на переходе составляет от 0,45 до 0,55 вольт. Как уже говорилось, прямое падение напряжения (Forward voltage drop) у диодов с барьером Шоттки очень мало.

Также достаточно известным элементом является 1N5822. Он рассчитан на прямой ток в 3 ампера и выполнен в корпусе DO-201AD.

Также на печатных платах можно встретить диоды серии SK12 – SK16 для поверхностного монтажа. Они имеют довольно небольшие размеры. Несмотря на это SK12-SK16 выдерживают прямой ток до 1 ампера при обратном напряжении 20 – 60 вольт. Прямое падение напряжения составляет 0,55 вольт (для SK12, SK13, SK14) и 0,7 вольт (для SK15, SK16). Также на практике можно встретить диоды серии SK32 – SK310, например, SK36, который рассчитан на прямой ток 3 ампера.

Применение диодов Шоттки в источниках питания.

Диоды Шоттки активно применяются в блоках питания компьютеров и импульсных стабилизаторах напряжения. Среди низковольтных питающих напряжений самыми сильноточными (десятки ампер) являются напряжения +3,3 вольта и +5,0 вольт. Именно в этих вторичных источниках питания и используются диоды с барьером Шоттки. Чаще всего используются трёхвыводные сборки с общим катодом. Именно применение сборок может считаться признаком высококачественного и технологичного блока питания.

Выход из строя диодов Шоттки одна из наиболее часто встречающихся неисправностей в импульсных блоках питания. У него может быть два «дохлых» состояния: чистый электрический пробой и утечка. При наличии одного из этих состояний блок питания компьютера блокируется, так как срабатывает защита. Но это может происходить по-разному.

В первом случае все вторичные напряжения отсутствуют. Защита заблокировала блок питания. Во втором случае вентилятор «подёргивается» и на выходе источников питания периодически то появляются пульсации напряжения, то пропадают.

То есть схема защиты периодически срабатывает, но полной блокировки источника питания при этом не происходит. Диоды Шоттки гарантированно вышли из строя, если радиатор, на котором они установлены, разогрет очень сильно до появления неприятного запаха. И последний вариант диагностики связанный с утечкой: при увеличении нагрузки на центральный процессор в мультипрограммном режиме блок питания самопроизвольно отключается.

Следует иметь в виду, что при профессиональном ремонте блока питания после замены вторичных диодов, особенно с подозрением на утечку, следует проверить все силовые транзисторы выполняющие функцию ключей и наоборот: после замены ключевых транзисторов проверка вторичных диодов является обязательной процедурой. Всегда необходимо руководствоваться принципом: беда одна не приходит.

Проверка диодов Шоттки мультиметром.

Проверить диод Шоттки можно с помощью рядового мультиметра. Методика такая же, как и при проверке обычного полупроводникового диода с p-n переходом. Но и тут есть подводные камни. Особенно трудно проверить диод с утечкой. Прежде всего, элемент необходимо выпаять из схемы для более точной проверки. Достаточно легко определить полностью пробитый диод. На всех пределах измерения сопротивления неисправный элемент будет иметь бесконечно малое сопротивление, как в прямом, так и в обратном включении. Это равносильно короткому замыканию.

Сложнее проверить диод с подозрением на «утечку». Если проводить проверку мультиметром DT-830 в режиме «диод», то мы увидим совершенно исправный элемент. Можно попробовать измерить в режиме омметра его обратное сопротивление. На пределе «20кОм» обратное сопротивление определяется как бесконечно большое. Если же прибор показывает хоть какое-то сопротивление, допустим 3 кОм, то этот диод следует рассматривать как подозрительный и менять на заведомо исправный. Стопроцентную гарантию может дать полная замена диодов Шоттки по шинам питания +3,3V и +5,0V.

Где ещё в электронике используются диоды Шоттки? Их можно обнаружить в довольно экзотических приборах, таких как приёмники альфа и бета излучения, детекторах нейтронного излучения, а в последнее время на барьерных переходах Шоттки собирают панели солнечных батарей. Так, что они питают электроэнергией и космические аппараты.

Что такое диод Шоттки? Это полупроводниковый элемент, название которого соответствует фамилии знаменитого физика и изобретателя, работавшего в Германии. Специфика диода Шоттки заключается в минимальном снижении напряжения. Эта низкая динамика наблюдается при прямом введении компонента в цепь. На практике используется при обратном напряжении с небольшими значениями (в среднем 3-10В), при возможности применять в промышленности с гораздо большими величинами значение может достигать до 1200В.

Внешний вид

Разновидности диодов Шоттки

Все полупроводниковые элементы, работающие по принципу барьера Шоттки, делятся по мощности на:

Сдвоенный диод

На рисунке показан сдвоенный элемент, являющий собой по сути два элемента. Они расположены в едином корпусе, в одно целое соединены катодом или анодом. В этом случае чаще всего имеется три вывода диода. При идентичных параметрах собранных таким образом элементов обеспечивается надежность работы всего устройства, в первую очередь, за счет единой температуры.

Особенности и принцип работы диода Шоттки

Как работает диод Шоттки? В чем принципиальные отличия его работы от аналогов с другим барьерным переходом?

Устройство диода Шоттки имеет отличие от других элементов того же назначения использованием барьером в виде перехода между металлом и полупроводником. У аналогов обычно работает с этой же целью p-n переход. Так в первом случае имеется односторонняя электропроводность. В зависимости от того, какой конкретно металл выбран для перехода в элементе, различаются и характеристики элемента. Чаще всего выбирается кремний, возможно применение арсенида галлия. Реже могут применяться сплавы вольфрама, платины и других материалов.

Кремний — самый распространенный и надежный элемент в диодах Шоттки, с ним конструкция надежно работает в условиях высокой мощности. Изделие стабильнее в работе, чем другие полупроводниковые аналоги, а простота изготовления и устройства диода Шоттки делают его очень доступным вариантом.

Структура элемента

Принцип работы диода Шоттки основан на особенностях барьера. Эффект Шоттки при контакте компонентов, из которых выполнен непосредственно полупроводник и металл заключается в образовании бедного электронами участка. Последний имеет вентильные характеристики, аналогичные p-n взаимодействию. Контактный слой останавливает носителей заряда. По сравнению с другими типами полупроводниковых вентилей такое решение обладает:

• минимальным обратным током;
• стремящейся к нулю собственной емкостью;
• обратным напряжением самой низкой допустимой величины;
• при прямом включении — меньшим снижением напряжения (до 0.5 В в сравнении с 2-3 В в случае аналога).

В переходной зоне нет лишних носителей заряда. Благодаря этому там не возникают диффузии и рекомбинации, что наблюдается в контактных слоях p-n перехода. Так обеспечивается минимальная собственная емкость диода Шоттки, что делает возможным с большей эффективностью использовать его в устройствах с высокими и сверхчастотами.

Преимущества и недостатки диода Шоттки

Несомненными преимуществами подобных полупроводниковых изделий являются:

• надежное удерживание электротока;
• минимальная емкость барьера обеспечивает длительную эксплуатацию;
• быстродействие.

Высокие показатели обратного тока — основной недостаток устройств с диодом Шоттки. Из-за этого при скачке обратного тока диод может выйти из строя.

Важно! При внедрении подобных диодов в цепи с высокой мощностью электротока создается риск теплового пробоя.

Маркировка и схема диода Шоттки

На схеме преподносится почти как стандартный полупроводниковый диод, но имеются и отличия.

Обозначения диодов

В маркировке используется набор символов, они всегда обозначаются сбоку изделия. Используются международные стандарты, но в зависимости от производителя маркировка может отличаться.

Сочетание цифр и букв на корпусе не всегда понятно, но в радиотехнических справочниках всегда можно найти точную расшифровку.

Работа в ИБП

Подобные элементы очень широко используются в импульсных схемах, в приборах для стабилизации напряжения, а также в блоках питания. Преимущественно выбираются сдвоенные элементы, имеющие в одном корпусе общий катод.

Использование в ИБП сдвоенного диода Шоттки с общим катодом является признаком высокого качества и надежности блока питания.

При этом сгоревший элемент относится к частым и типовым неисправностям импульсного устройства. Нерабочее состояние возникает при:

• утечке на корпус;
• электроприборе.

Встроенная защита приводит к блокировке ИБП в обоих случаях. При утечке возможно присутствие незначительных нестабильных пульсаций напряжения на выходе, а также слабые «подергивания» вентилятора. В случае пробоя напряжения в блоке питания полностью исключены. Так можно определить вероятную причину нерабочего состояния диода Шоттки, но для окончательного решения понадобится диагностика.

Для диагностики следует выполнить шаги:

1. Выпаять элемент и схемы.
2. Осмотреть на предмет механических повреждений, присутствия следов разрушительных химических реакций.
3. Выполнить проверку мультиметром.

Проверка мультиметром

Отличие процедуры от диагностики обычных диодов заключается в необходимости демонтажа сборки или элемента, иначе проверить его состояние будет очень сложно. Утечку диагностировать сложнее. При использовании типичного мультиметра может отображаться полная работоспособность элемента при работе прибора в режиме «диод». Потому лучше устанавливать режим «омметр» и заменить элемент при демонстрации сопротивления. Показатель 5 кОм не устанавливает точно неисправность диода, но лучше считать его подозрительным и выполнить замену. Доступная стоимость диодов Шоттки позволяет сделать это практически в любой момент без особых трат.

Важно! Если для проверки работоспособности диода Шоттки используется типовой мультиметр, нужно учитывать указанный сбоку показатель электротока.

Применение

Отличительные особенности и принцип работы диода Шоттки обусловливают его широкое применение в быту и в промышленности. Кроме блоков питания компьютера, его часто можно встретить в схемах:

• бытовых электроприборов;
• стабилизаторов напряжения;
• во всем спектре радио- и телеаппаратуры;
• в другой электронике.

Подобные элементы используются в современных батареях и транзисторах, работа которых обеспечивается сенечной энергией.

Такое универсальное использование элемента связано с способностью полупроводникового диода с эффектом Шоттки во много раз усиливать работоспособность любого прибора и увеличивать его эффективность. Обратное сопротивление электротока восстанавливается, за счет чего он сохраняется в электрической сети. Потери динамики напряжения минимизируются. Также диод Шоттки вбирает несколько видов излучений.

Диод с барьером Шоттки — неприхотливый и простой элемент, обеспечивающий бесперебойную работу множества современных приборов. Доступный, надежный, отличается широкой сферой применения благодаря особенностям в своей конструкции.

Диод Шоттки, принцип работы которого мы опишем сегодня, является очень удачным изобретением немецкого ученого Вальтера Шоттки. В его честь устройство и было названо, а встретить его можно при изучении самых разных электрических схем. Для тех, кто еще только начинает знакомиться с электроникой, будет полезным узнать о том, зачем его используют и где он чаще всего применяется.

Что это такое

Это полупроводниковый диод с минимальным падением уровня напряжения во время прямого включения. Он имеет две главные составляющие: собственно, полупроводник и металл.
Как известно, допустимый уровень обратного напряжения в любых промышленных электронный устройствах составляет 250 В. Такое U находит практическое применение в любой низковольтной цепи, препятствуя обратному течению тока.

Структура самого устройства несложна и выглядит следующим образом:

• полупроводник;
• стеклянная пассивация;
• металл;
• защитное кольцо.

При прохождении электрического тока по цепи положительные и отрицательные заряды скапливаются по всему периметру устройства, включая защитное кольцо. Скопление частиц происходит в различных элементах диода. Это обеспечивает возникновение электрического поля с последующим выделением определенного количества тепла.

Отличие от других полупроводников

Главное его отличие от других полупроводников состоит в том, что преградой служит металлический элемент с односторонней проводимостью.

Такие элементы изготавливают из целого ряда ценных металлов:

• арсенида галлия;
• кремния;
• золота;
• вольфрама;
• карбида кремния;
• палладия;
• платины.

От того, какой металл выбирается в качестве материала, зависят характеристики нужного показателя напряжения и качество работы электронного устройства в целом. Чаще всего применяют кремний — по причине его надежности, прочности и способности работать в условиях большой мощности. Также используется и арсенид галлия, соединенный с мышьяком, либо германий.

Плюсы и минусы

При работе с устройствами, включающими в себя диод Шоттки, следует учитывать их положительные и отрицательные стороны. Если подключить его в качестве элемента электрической цепи, он будет прекрасно удерживать ток, не допуская его больших потерь.

К тому же, металлический барьер обладает минимальной емкостью. Это значительно увеличивает износостойкость и срок службы самого диода. Падение напряжения при его использовании минимально, а действие происходит очень быстро — стоит только провести подключение.

Однако большой процент обратного тока является очевидным недостатком. Поскольку многие электроприборы обладают высокой чувствительностью, нередки случаи, когда небольшое превышение показателя, всего лишь на пару А, способно надолго вывести прибор из строя. Также, при небрежной проверке напряжения полупроводника, может произойти утечка самого диода.

Сфера применения

Диод Шоттки может включать в себя любой аккумулятор.

Он входит в устройство солнечной батареи. Солнечные панели, которые уже давно успешно работают в условиях космического пространства, собираются именно на основании барьерных переходов Шоттки. Такие гелиосистемы устанавливаются на космических аппаратах (спутниках и телескопах, проводящих работу в жестких условиях безвоздушного пространства).

Устройство незаменимо при работе компьютеров, бытовой техники, радиоприемников, блоков электропитания. При правильном использовании диод Шоттки увеличивает производительность любого устройства, предотвращает потери тока. Он способен принимать на себя альфа-, бета- и гамма-излучение. Именно поэтому он незаменим в условиях космоса.

С помощью такого устройства можно осуществить параллельное соединение диодов, используя их в качестве сдвоенных выпрямителей. Таким образом можно объединить межлу собой два параллельных источника питания. Один корпус включает в себя два полупроводника, а концы положительного и отрицательного зарядов связываются друг с другом. Есть и более простые схемы, где диоды Шоттки очень малы. Это характерно для очень мелких деталей в электронике.

Диод Шоттки является незаменимым элементом во многих электронных устройствах. Главное — понимать специфику его работы и использовать его корректно.

6. Использование диодов в выпрямлении переменного тока. Виды, принцип работы, расчет выпрямителей

Тут требуется некоторое пояснение по поводу двух источников напряжения. С помощью трансформатора, один источник можно преобразовать в два. Для чего это делается ─ уже отдельный вопрос. Здесь же показано, как можно выпрямить напряжение в таком случае. Давайте опять уберем конденсатор и подключим щуп осциллографа на выходе диодов, а также соединим в нагрузку величиной 100 Ом:

Давайте сравним данную осциллограмму с полученным результатом при однополупериодном выпрямителе:

  В двухполупериодном выпрямителе есть две положительные полуволны, одна проходит через верхний диод верхнего источника, вторая ─ через нижний диод нижнего источника. При этом, частота на выходе диодов увеличилась в 2 раза, по сравнению с однополупериодной схемой. Чем выше частота, тем меньше можно ставить емкость на выходе, поскольку она будет чаще запасать энергию, чем ее будут расходовать. Недостаток есть и у этой схемы. Он заключается в использовании дополнительного источника (в случае с трансформатором приходится использовать дополнительную обмотку).

Расчет сглаживающего конденсатора 

C≈(Iн*△t)/△U,                                                                                  (1)

где С ─ емкость сглаживающего конденсатора, Iн ─ ток нагрузки, △t ─ время, проходящее за один период переменного напряжения, △U ─ величина пульсаций напряжения на выходе. Данная формула применима, если считать процесс разряда конденсатора линейным.-3)/1=3100 (мкФ)                                                              

Подключим к мостовой схеме генератор переменного напряжения частотой 50 Герц, а также рассчитанную емкость и сопротивление нагрузки 1 килоом. Схема и осциллограмма напряжения на выходе будут иметь вид:

На осциллограмме видно, что на выходе сформировалось постоянное напряжение (красная полоса) величиной 305, 4 Вольт (показания VB1 и VB2). Поскольку ожидаемые пульсации в районе 1 Вольта, на фоне трехсот вольт их практически не видно, поэтому, с помощью осциллографа мы уберем показания  величины постоянной составляющей напряжения, что позволит нам приблизить форму сигнала на экране, чтобы детально его рассмотреть:

Убрав постоянную составляющую напряжения, и приблизив сигнал, стало четко видно пульсации напряжения. Для их обнаружения, флажок «1» (красный цвет) установлен в максимальный пик пульсации, а флажок «2» (синий цвет) ─ в минимальный. Видно, что данная пульсация составила 724,5 милливольт (параметр VB2-VB1 на панели осциллографа). Итак, полученная на выходе пульсация оказалась меньше требуемой (724,5 милливольт против 1 Вольта). Получился небольшой запас в лучшую сторону!

Как работают и используются диоды | Тех

Дата: 2021-11-10

Как работают диоды

Диод — это электронный компонент, который направляет электрический ток в одном направлении. Их называют «активными компонентами», так же, как транзисторы и ИС. Это основной компонент из полупроводников. Он может регулировать поток электричества, поддерживать постоянное напряжение и обнаруживать волны.

Во-первых, давайте рассмотрим свойства «полупроводника», используемого в диодах.»Может ли этот материал проводить электричество?» Он подразделяется на «проводник», «полупроводник» и «изолятор» на основе вопроса. «Полупроводник» — это материал со свойствами между проводником, который хорошо проводит электричество, и изолятором, который этого не делает.

В общем, металлы хорошо проводят электричество, потому что электроны каждого атома становятся свободными электронами, когда металлические элементы связываются друг с другом. Когда подается напряжение, свободные электроны в металлическом кристалле перемещаются и несут электрический заряд, по которому течет электричество.

Полупроводники могут вести себя как проводники или изоляторы в зависимости от состояния протекающего через них электричества. В полупроводниках не так много свободных электронов, как в металлах. Когда подается напряжение, электроны по очереди движутся, чтобы заполнить недостающие дыры, или они переносят электричество с меньшим количеством свободных электронов, чем металлические связи.

Полупроводники делятся на полупроводники P-типа и полупроводники N-типа в зависимости от различий в механизме потока электричества; Полупроводники P-типа — это те, в которых электроны первых движутся последовательно, чтобы заполнить недостающие дырки.Четырехвалентный элемент, такой как кремний, смешанный с трехвалентной добавкой, такой как бор или бор, становится полупроводником P-типа. Поскольку в нем отсутствует один электрон, он считается заряженным положительно.

Полупроводники N-типа — это те, которые переносят электричество с меньшим количеством свободных электронов, чем последние металлические связи. Четырехвалентный элемент, такой как кремний, смешанный с одновалентной добавкой, такой как фосфор, становится полупроводником N-типа. Поскольку у него есть один дополнительный электрон, он считается отрицательно заряженным.

В PN-диоде электрод, подключенный к полупроводнику P-типа, называется анодом (A), а электрод, подключенный к полупроводнику N-типа, называется катодом (K). (Рисунок 1)

Когда «-» подключен к анодной стороне, а «+» подключен к катодной стороне PN-диода, электричество в полупроводнике притягивается к стороне электрода, и на PN-переходе генерируется пустая зона электричества. . В результате нет электричества. (Рисунок 2)

И наоборот, если «+» подключен к анодной стороне, а «-» — к катодной стороне, «+» и «-» электричество в полупроводнике будут склеиваться в P- и N-переходах и нейтрализовать друг друга, но следующее электричество будет отправлено от электрода, поэтому электричество будет течь.(Рисунок 3)

Таким образом, диоды обладают свойством проводить электричество только в фиксированном направлении. Светодиоды, которые мы часто видим в повседневной жизни, спроектированы так, чтобы излучать свет, когда электричество проходит через PN-переход. Диоды также используются в различных местах, где мы их не видим, поддерживая нашу повседневную жизнь.

Роль диодов

Диоды выполняют следующие четыре основные функции.

(1) Исправление

Направление тока всегда меняется из-за переменного тока в обычных источниках питания.Диоды имеют свойство пропускать электричество только в определенном направлении, поэтому из переменного тока можно извлечь только прямой ток. Это называется выпрямляющим действием диода.

(2) Обнаружение радиоволн

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

(3) Контроль напряжения

Обычно диоды пропускают ток только в определенном направлении, но когда напряжение в противоположном направлении превышает определенное значение, напряжение начинает течь.Однако, когда напряжение в обратном направлении превышает определенное значение, напряжение начинает течь, и даже если ток увеличивается, напряжение не изменяется. Это называется явлением пробоя, а напряжение, при котором происходит явление пробоя, называется «напряжением пробоя» или «напряжением стабилитрона».
Явление текучести используется при контроле напряжения диодов, а используемые таким образом диоды называются стабилитронами.

(4) Текущее преобразование

Когда свет попадает на PN-переход, электроны на стороне N рядом с переходом перемещаются.В результате электричество будет продолжать течь, пока светит свет. Это то, из чего сделан солнечный элемент.
Когда внешнее напряжение не подается, он действует как батарея, но при подаче напряжения действует как диод. Некоторые диоды реагируют на видимый свет, тогда как те, которые реагируют на невидимый свет, используются в таких приложениях, как светоприемная часть инфракрасных пультов дистанционного управления.

Типы диодов

Существуют различные типы диодов. Ниже приводится список некоторых из наиболее распространенных типов.

Кремниевые диоды

Самый распространенный тип PN диода. Чаще всего относится к выпрямительным диодам.

Германиевые диоды

Как и кремниевые диоды, это диоды, которые объединяют PN. Они часто используются для обнаружения волн из-за их низкого прямого падающего напряжения, особенно в области, где протекающий ток составляет всего 0,1 мА. Однако из-за высокой стоимости германия в настоящее время широко используются диоды с барьером Шоттки.

Диод Шоттки

Это диод, сделанный путем соединения металла и полупроводника. Эти диоды имеют превосходные характеристики переключения по сравнению с кремниевыми диодами и поэтому используются в высокоскоростных схемах.

Диод переключения

Диод, используемый для размыкания и замыкания силовой цепи, например выключателя. Он включается, когда напряжение подается в направлении потока мощности, и выключается, когда напряжение подается в направлении, где мощность не течет.

Диод Эсаки

Диод, использующий туннельный эффект, открытый лауреатом Нобелевской премии Леоной Эсаки. Эффект туннелирования — это свойство диодов с PN-переходом с высокой концентрацией примесей, которое позволяет току течь, даже если этого не должно происходить из-за квантово-механических эффектов. Из-за чрезвычайно быстрого времени отклика они используются для генерации микроволн.

Светодиод (LED)

Диод, в котором переход излучает свет, когда ток течет через PN переход.Когда электричество проходит через полупроводник, дырки и электроны в полупроводнике P-типа объединяются, и энергия излучается в виде света. Иногда его используют и как силовую лампу, и как выпрямитель.

Стабилитрон

Диод, используемый для подачи напряжения в направлении, противоположном тому, в котором обычно течет ток. Он используется для получения постоянного напряжения, а также для защиты схемы от перенапряжения.

Соответствующие технические знания

Как подключить диоды | Sciencing

Обновлено 27 декабря 2020 г.

Автор: S.Hussain Ather

Вы можете задаться вопросом, что позволяет электронным устройствам в вашем доме использовать электричество по-своему. Электрики, которые создают эти приборы, а также другие инструменты, используемые в промышленности, должны знать, как подключать диоды для этих целей.

Установка диода

При подключении диода в электрическую цепь убедитесь, что анод и катод соединены в цепи так, что заряд течет от положительно заряженного анода к отрицательно заряженному катоду.

Вы можете запомнить это, вспомнив, что на принципиальной схеме диода вертикальная линия рядом с треугольником выглядит как отрицательный знак, указывая на то, что конец диода заряжен отрицательно. Вы можете представить, что это означает, что заряды перетекают с положительного конца на отрицательный. Это позволяет вам помнить, как электроны текут в переходе диода.

Помните о потенциале и токе цепи и о том, как это влияет на размещение диода. Вы можете представить диод как переключатель, который размыкается или замыкается, замыкая цепь.Если есть достаточный потенциал, чтобы поток заряда через диод, переключатель закрывается таким образом, что ток течет через. Это означает, что диод смещен в прямом направлении.

Затем вы можете использовать закон Ома

V = IR

для расчета напряжения В , тока I и сопротивления R для измерения разницы в напряжении между напряжениями. источник и сам диод.

Если вы подключите диод в другом направлении, это приведет к обратному смещению диода, поскольку ток будет течь от катода к аноду.В этом сценарии вы бы увеличили обедненную область диода, область на одной стороне диодного перехода, которая не имеет ни электронов, ни дырок (области без электронов).

Движение электронов в отрицательно заряженной области заполнит дырки в положительно заряженной области. При подключении диодов обратите внимание на то, как диод будет меняться в зависимости от направления, в котором он подключен.

Схема диода

При использовании в электрических цепях диоды обеспечивают протекание тока в одном направлении.Они построены с использованием двух электродов, анода и катода, разделенных материалом.

Электроны текут от анода, где происходит окисление или потеря электронов, к катоду, где происходит восстановление или усиление электронов. Обычно диоды изготавливаются из полупроводников, которые пропускают заряд в присутствии электрического тока или контролируют их сопротивление с помощью процесса, известного как легирование.

Легирование — это метод добавления примесей в полупроводник для создания дырок и превращения полупроводника в n-тип (как «отрицательный заряд») или p-типа (как в «положительный заряд»).

Полупроводник n-типа содержит избыток электронов, расположенных так, что заряд может свободно протекать через него, оставаясь управляемым. Обычно они производятся из мышьяка, фосфора, сурьмы, висмута и других элементов, которые имеют пять валентных электронов. С другой стороны, полупроводник p-типа имеет положительный заряд из-за дырок и состоит из галлия, бора, индия и других элементов.

Распределение электронов и дырок позволяет заряду течь между полупроводниками p-типа и n-типа, и при соединении вместе они образуют P-N переход .Электроны из полупроводника n-типа устремляются к полупроводнику p-типа в диодах, которые пропускают ток в одном направлении.

Диоды обычно изготавливаются из кремния, германия или селена. Инженеры, создающие диоды, могут использовать металлические электроды в камере без какого-либо другого газа или с газом под низким давлением.

Характеристики диодов

Эти особенности диодов, транспортирующих электроны в одном направлении, делают их идеальными для выпрямителей, ограничителей сигналов, регуляторов напряжения, переключателей, модуляторов сигналов, смесителей сигналов и генераторов. Выпрямители преобразуют переменный ток в постоянный. Пределы сигнала позволяют передавать сигналы определенной мощности.

Регуляторы напряжения поддерживают постоянное напряжение в цепях. Модуляторы сигналов изменяют фазовый угол входного сигнала. Смесители сигналов изменяют проходящую частоту, и генераторы сами генерируют сигнал.

Установка диода для защиты

Вы также можете использовать диоды для защиты чувствительных или важных компонентов электронных устройств.Вы можете использовать диод, который не проводит ток в нормальных условиях, когда возникает внезапный всплеск напряжения, известный как переходное напряжение, или какое-либо другое резкое изменение сигнала, которое может причинить вред, диод будет подавлять напряжение, не нанося вреда устройству. остальная часть схемы. В противном случае эти удары электрическим током из-за всплесков повредили бы цепь из-за приложения слишком большого напряжения, не позволяя цепи соответствующим образом адаптироваться к нему.

Эти диоды являются ограничителями переходного напряжения (TVS), и вы можете использовать их либо для уменьшения переходного напряжения, либо для его направления в другое место от схемы.Кремниевый переход P-N может выдерживать переходное напряжение и после этого возвращаться в нормальное состояние после прохождения скачка напряжения. В некоторых ТВС используются радиаторы, которые могут выдерживать скачки напряжения в течение длительных периодов времени.

Типы диодных цепей

В цепях, преобразующих мощность от переменного тока (AC) до постоянного тока (DC) может использовать либо один диод, либо группу из четырех диодов. В то время как устройства постоянного тока используют заряд, который течет в одном направлении, мощность переменного тока переключается между прямым и обратным направлениями через равные промежутки времени.

Это важно для преобразования электроэнергии постоянного тока от электростанций в мощность переменного тока, которая принимает форму синусоидальной волны, используемой в большинстве бытовых приборов. Выпрямители, которые делают это, делают это либо с помощью одного диода, который пропускает только половину волны, либо используя подход двухполупериодного выпрямителя, который использует обе половины формы волны переменного тока.

Схема диода демонстрирует, как происходит такое поведение. Когда демодулятор удаляет половину сигнала переменного тока от источника питания, он использует два основных компонента.Первый — это сам диод или выпрямитель, который увеличивает сигнал на половину цикла переменного тока.

Второй — это фильтр нижних частот, который избавляется от высокочастотных составляющих источника питания. Он использует резистор и конденсатор, устройство, которое накапливает электрический заряд с течением времени, и использует частотную характеристику самой схемы, чтобы определить, какие частоты пропускать.

Эти диодные схемы обычно удаляют отрицательную составляющую сигнала переменного тока. Он применяется в радиоприемниках, в которых используется система фильтрации для обнаружения определенных радиосигналов от обычных несущих волн.

Другие типы применения диодов

Диоды также используются для зарядки электронных устройств, таких как сотовые телефоны или ноутбуки, путем переключения с источника питания от аккумулятора электронного устройства на питание от внешнего источника питания. Эти методы отводят ток от источника, а также гарантируют, что в случае разрядки аккумулятора устройства вы сможете принять другие меры для зарядки устройств.

Этот метод применим и к автомобилям. Если аккумулятор вашего автомобиля должен был выйти из строя, вы можете использовать соединительные кабели, чтобы изменить распределение красного и черного кабелей, чтобы использовать диоды, чтобы предотвратить протекание тока в неправильном направлении.

Компьютеры, использующие двоичную информацию в виде нулей и единиц, также используют диоды для работы с деревьями двоичных решений. Они принимают форму логических вентилей , основных блоков цифровых схем, которые пропускают информацию на основе сравнения двух разных значений. Они построены с использованием диодов любого типа, которые намного мельче, чем диоды в других приложениях.

Диоды — обзор | Темы ScienceDirect

1.2.2 КОНФИГУРАЦИИ РЕАКТОРА

Диодные реакторы могут питаться от ВЧ или постоянного электрического поля.В случае высокочастотного возбуждения осаждение обычно происходит на заземленном электроде. Поскольку общая площадь заземленного электрода и стенок реактора обычно больше, чем площадь электрода с питанием, возникает самосмещение постоянного тока, как показано на рисунке 4b. Падение потенциала на электроде под напряжением намного больше, чем на заземленном. Электрод с питанием более отрицательный по отношению к земле, поэтому его часто называют катодом. В этом случае заземленный электрод является анодом. Для тлеющего разряда постоянного тока распределение потенциала аналогично тому, которое показано для ВЧ-разряда на рисунке 4b.В обоих случаях ионная бомбардировка катода больше, чем анода. Вследствие этого нанесение пленок на катод или анод приводит к различным микроструктурным свойствам. Скорость осаждения на катоде обычно выше, чем на аноде. Пленки, осажденные на катоде, плотные, но также напряженные. Анодные пленки более пористые. В разрядах постоянного тока иногда используют сетку, расположенную над катодом, которая имеет тот же потенциал, что и катод [134]. Таким образом, ионы замедляются из-за столкновений газовой фазы в области между сеткой и катодом, и получается гораздо лучший материал [135].Кроме того, сетка служит экраном для активных радикалов. Радикал SiH ₂ имеет большую вероятность прилипания и легко прилипает к сетке. Как следствие, радикал SiH ₂ будет отфильтрован, и SiH ₃ будет преобладать в осаждении. Было показано, что качество получаемого материала в триодных разрядах ВЧ было улучшено [136–139].

Плоские триодные ВЧ-разряды, используемые в исследованиях, как правило, асимметричны; площадь электрода с питанием намного меньше, чем площадь всех заземленных частей вместе взятых (заземленный электрод может составлять лишь небольшую часть заземленной области).Поэтому самосмещение постоянного тока велико. Уменьшить асимметрию можно, ограничив разряд заземленной сеткой [140, 141] или стенкой [142]. Такое ограничение также обеспечивает более высокую плотность мощности в разряде, что приводит к увеличению скорости осаждения.

Внешнее магнитное поле также использовалось для удержания плазмы [143]. Схема, в которой электромагниты расположены под катодом, известна как управляемый плазменный магнетрон , метод [144]. Диффузии электронов к стенкам препятствует магнитное поле между катодом и анодом.Это приводит к увеличению электронной плотности и, следовательно, к более быстрому разложению силана и более высокой скорости осаждения. При скорости осаждения 1 нм / с получается материал приборного качества [144]. Кроме того, рядом с анодом расположена сетка, и анод может смещаться извне, как для удержания плазмы, так и для управления ионной бомбардировкой.

Горячие стенки реактора иногда используются как средство увеличения плотности пленок, осаждаемых на стенках.Это уменьшает количество адсорбированных загрязняющих веществ на стенах и приводит к снижению скорости дегазации. Горячая стена особенно интересна для однокамерных систем без камеры с замком нагрузки. Качество материала аналогично качеству, полученному с холодной стенкой реактора [145],

. Другие конфигурации, которые используются, включают установку концентрических электродов в трубчатом реакторе, где разряд все еще имеет емкостную связь. Также использовалась индуктивная связь с катушкой, окружающей трубчатый реактор [146, 147].

Об. III — Полупроводники — Диоды и выпрямители

Глава 3: ДИОДЫ И ВЫПРЯМИТЕЛИ

Если мы подключим диод и резистор последовательно с источником постоянного напряжения, то что диод смещен в прямом направлении, падение напряжения на диоде будет оставаться довольно постоянным в широком диапазоне напряжений источника питания как на рисунке ниже (а).

Согласно «уравнению диода» здесь, ток через смещенный в прямом направлении PN-переход пропорционален e возведен в степень прямого падения напряжения.Потому что это экспоненциальная функция, ток нарастает довольно быстро при небольшом увеличении в падении напряжения. Другой способ рассмотреть это — сказать, что напряжение падение через диод, смещенный в прямом направлении, мало меняется при больших вариации тока диода. В схеме, показанной на рисунке ниже (а) ток диода ограничен напряжением источника питания, последовательный резистор и падение напряжения на диоде, которое, как мы знаем, не сильно различаются от 0,7 вольт. Если бы напряжение источника питания было увеличится, падение напряжения на резисторе увеличится почти так же количество, и падение напряжения на диоде совсем немного.И наоборот, a снижение напряжения питания привело бы к почти равному уменьшение падения напряжения на резисторе при небольшом уменьшении диода падение напряжения. Одним словом, мы могли бы резюмировать это поведение, сказав что диод регулирует падение напряжения примерно на 0,7 вольт.

Регулировка напряжения — это полезное свойство диодов. Предположим, мы строили какую-то схему, которая не могла допускать вариаций по напряжению источника питания, но должен питаться от химической батареи, напряжение которого меняется в течение срока его службы.Мы могли бы сформировать схему как как показано, и подключите схему, требующую постоянного напряжения на диоде, где он получил бы неизменные 0,7 вольт.

Это, безусловно, сработает, но большинство практичных схем любого типа требуется напряжение источника питания выше 0,7 вольт для правильного функция. Один из способов увеличения точки стабилизации напряжения — это состоит в том, чтобы соединить несколько диодов последовательно, чтобы их отдельные падение напряжения в прямом направлении на 0,7 В каждое добавило бы для создания большего общий.Например, если бы у нас было десять последовательно включенных диодов, регулируемый напряжение будет в десять раз 0,7 или 7 вольт на рисунке ниже (b).

Кремниевый эталон с прямым смещением: (а) одиночный диод, 0,7 В, (б) 10 последовательно соединенных диодов, 7,0 В.

До тех пор, пока напряжение аккумулятора не опускается ниже 7 вольт, всегда должно быть около 7 вольт, падающих на «стек» из десяти диодов.

Если требуются более высокие регулируемые напряжения, мы могли бы использовать больше диоды последовательно (на мой взгляд, неэлегантный вариант), или попробуйте принципиально иной подход.Мы знаем, что прямое напряжение на диоде равно довольно постоянный показатель в широком диапазоне условий, но также и напряжение обратного пробоя , и напряжение пробоя обычно намного больше, чем прямое Напряжение. Если мы поменяли полярность диода в нашем одиночном диоде схема регулятора и увеличила напряжение блока питания до точки где диод «сломался» (перестал выдерживать обратное смещение напряжение, приложенное к нему), диод аналогичным образом регулирует напряжение в этой точке пробоя, не позволяя ему расти дальше, как на рисунке ниже (а).

(a) Кремниевый малосигнальный диод с обратным смещением выходит из строя при напряжении около 100 В. (b) Символ стабилитрона.

К сожалению, когда нормальные выпрямительные диоды «выходят из строя», они обычно сделать это деструктивно. Однако можно построить особый тип диод, который может справиться с пробоем без полного выхода из строя. Этот тип диода называется стабилитрон , и его символ выглядит как на рисунке выше (b).

При прямом смещении стабилитроны ведут себя так же, как стандартные. выпрямительные диоды: они имеют прямое падение напряжения, которое следует за «Уравнение диода» и составляет около 0.7 вольт. В режиме обратного смещения они делают не проводить до тех пор, пока подаваемое напряжение не достигнет или не превысит так называемое напряжение стабилитрона , в этот момент диод может проводить значительный ток, а в при этом будет предпринята попытка ограничить падение напряжения на нем до этого стабилитрона. точка напряжения. Пока мощность, рассеиваемая этим обратным током не превышает тепловые пределы диода, диод не будет пострадал.

Стабилитроны производятся с напряжением стабилитрона в диапазоне от от нескольких вольт до сотен вольт.Напряжение стабилитрона немного меняется. с температурой и аналогичными значениям обычных резисторов из углеродного состава, ошибка может составлять от 5 до 10 процентов от спецификации производителя. Однако эта стабильность и точность в целом достаточно хорош для использования стабилитрона в качестве напряжения устройство регулятора в общей цепи питания на рисунке ниже.

Схема стабилитрона, напряжение стабилитрона = 12,6 В).

Обратите внимание на ориентацию стабилитрона в приведенной выше схеме: диод с обратным смещением , и намеренно так.Если бы мы сориентировали диод в «нормальном» положении Таким образом, чтобы быть смещенным вперед, он упал бы только на 0,7 вольт, как и штатный выпрямительный диод. Если мы хотим использовать обратную сторону этого диода пробивные свойства, мы должны управлять им в режиме обратного смещения. Так пока напряжение источника питания остается выше напряжения стабилитрона (12,6 вольт, в этом примере), падение напряжения на стабилитроне будет оставаться на уровне примерно 12,6 вольт.

Как и любой полупроводниковый прибор, стабилитрон чувствителен к температура.Избыточная температура приведет к выходу из строя стабилитрона и поскольку он одновременно снижает напряжение и проводит ток, он производит собственное тепла в соответствии с законом Джоуля (P = IE). Следовательно, надо быть Будьте осторожны, чтобы спроектировать схему регулятора таким образом, чтобы диод допустимая мощность рассеивания не превышена. Интересно, что когда стабилитроны выходят из строя из-за чрезмерного рассеивания мощности, обычно выходят из строя закорочены а не открывать. Такой отказ диода легко обнаруживается: он падает почти нулевое напряжение при смещении в любую сторону, как кусок провод.

Рассмотрим математически схему стабилизации стабилитрона. определение всех напряжений, токов и рассеиваемой мощности. Принимая в той же форме схемы, показанной ранее, мы выполним расчеты, предполагая, что напряжение стабилитрона 12,6 вольт, напряжение источника питания 45 вольт, а номинальное сопротивление последовательного резистора 1000 Ом (мы будем считать, что напряжение стабилитрона составляет , точно 12,6 вольт, чтобы избежать необходимости квалифицировать все цифры как «приблизительные» на рисунке ниже (а)

Если напряжение стабилитрона 12.6 вольт и блок питания напряжение 45 вольт, на резистор (45 В — 12,6 В = 32,4 В). 32,4 вольта упало через 1000 Ом дает 32,4 мА тока в цепи. (Рисунок ниже (б))

(a) Стабилитрон напряжения с резистором 1000 Ом. (б) Расчет падений напряжения и тока.

Мощность рассчитывается путем умножения тока на напряжение (P = IE), поэтому мы можем рассчитать рассеиваемую мощность как для резистора, так и для стабилитрона довольно легко:

Стабилитрон с номинальной мощностью 0.5 Вт будет достаточно, как и резистор, рассчитанный на рассеивание 1,5 или 2 Вт.

Если чрезмерное рассеивание мощности вредно, почему бы не спроектировать схема для наименьшего возможного рассеивания? Почему не просто размер резистор для очень высокого значения сопротивления, поэтому сильно ограничение тока и сохранение очень низких показателей рассеиваемой мощности? Брать эта схема, например, с резистором 100 кОм вместо 1 кОм резистор. Обратите внимание, что как напряжение питания, так и стабилитрон диода напряжения на рисунке ниже идентичны последнему примеру:

Стабилитрон стабилитрона с резистором 100 кОм.

Только при 1/100 тока, который был у нас раньше (324 мкА вместо 32,4 мкА). мА) оба значения рассеиваемой мощности должны быть в 100 раз меньше:

Кажется идеальным, не правда ли? Меньшая рассеиваемая мощность означает более низкие эксплуатационные расходы температуры как для диода, так и для резистора, а также меньше потерь энергия в системе, верно? Более высокое значение сопротивления соответствует снизить уровень рассеиваемой мощности в цепи, но, к сожалению, вводит другую проблему.Помните, что цель регулятора цепь должна обеспечивать стабильное напряжение для другой цепи . В другими словами, мы в конечном итоге собираемся запитать что-то с напряжением 12,6 вольт, и у этого чего-то будет собственный текущий розыгрыш. Рассмотрим наши первая цепь регулятора, на этот раз с нагрузкой 500 Ом, подключенной в параллельно стабилитрону на рисунке ниже.

Стабилитрон с последовательным резистором 1000 Ом и нагрузкой 500 Ом.

Если 12.6 В поддерживается на нагрузке 500 Ом, нагрузка потребляет 25,2 В. мА тока. Для того, чтобы резистор серии 1 кОм «сбрасывался» на падение 32,4 вольт (снижение напряжения блока питания с 45 вольт до 12,6 через стабилитрон), он все равно должен проводить ток 32,4 мА. Этот оставляет 7,2 мА тока через стабилитрон.

Теперь рассмотрим нашу схему «энергосберегающего» регулятора с сопротивлением 100 кОм. падающий резистор, передающий мощность на ту же нагрузку 500 Ом. Что это должен поддерживать 12.6 вольт на нагрузке, как и последний контур. Однако, как мы увидим, не может выполнить эту задачу. (Рисунок ниже)

Нерегуляторный стабилитрон с последовательным резистором 100 кОм и нагрузкой 500 Ом.>

При большем значении понижающего резистора на месте будет только около 224 мВ напряжения на нагрузке 500 Ом, что намного меньше, чем ожидаемое значение 12,6 вольт! Почему это? Если бы у нас действительно было 12,6 вольт через нагрузку, он потреблял бы 25.2 мА тока, как и раньше. Этот ток нагрузки должен пройти через понижающий резистор. как и раньше, но с новым (гораздо большим!) понижающим резистором в место, напряжение на этом резисторе упало при токе 25,2 мА через это будет 2520 вольт! Поскольку у нас явно нет такое большое напряжение, подаваемое батареей, этого не может произойти.

Ситуацию легче понять, если на время убрать стабилитрон. диод из схемы и проанализируем поведение двух резисторов только на рисунке ниже.

Нерегулятор со снятым стабилитроном.

И понижающий резистор 100 кОм, и сопротивление нагрузки 500 Ом находятся в последовательно друг с другом, что дает общее сопротивление цепи 100,5 кОм. При полном напряжении 45 В и общем сопротивлении 100,5 кОм, Закон Ома (I = E / R) говорит нам, что ток будет 447,76 мкА. Фигурируя падение напряжения на обоих резисторах (E = IR), получаем 44,776 вольт и 224 мВ соответственно. Если бы мы переустановили стабилитрон на в этой точке он также «увидит» 224 мВ, находясь параллельно с нагрузочным сопротивлением.Это намного ниже напряжения пробоя стабилитрона. диода, и поэтому он не будет «ломаться» и проводить ток. Для это важно, при таком низком напряжении диод не будет проводить, даже если он были предвзяты! Таким образом, диод перестает регулировать напряжение. В для его «активации» необходимо упасть минимум 12,6 вольт.

Аналитическая методика удаления стабилитрона из схемы и увидеть, достаточно ли присутствует напряжения, чтобы заставить его проводить, — это звук один. Просто потому, что стабилитрон подключен к схема не гарантирует, что полное напряжение стабилитрона всегда будет упал на него! Помните, что стабилитроны работают по принципу , ограничивая напряжение до некоторого максимального уровня; они не могут заменить из-за отсутствия напряжения.

Таким образом, любая схема стабилизации стабилитрона будет работать до тех пор, пока сопротивление нагрузки равно некоторому минимальному значению или превышает его. Если сопротивление нагрузки слишком низкое, он будет потреблять слишком большой ток, падение слишком большого напряжения на последовательном понижающем резисторе, в результате чего недостаточное напряжение на стабилитроне, чтобы он проводил. Когда стабилитрон перестает проводить ток, он больше не может регулировать напряжение, и напряжение нагрузки упадет ниже точки регулирования.

Наша схема регулятора с понижающим резистором 100 кОм должна быть пригодна для однако некоторое значение сопротивления нагрузки. Чтобы найти эту приемлемую нагрузку значение сопротивления, мы можем использовать таблицу для расчета сопротивления в Последовательная схема с двумя резисторами (без диода), вставка известных значений полное напряжение и сопротивление падающего резистора, и расчет для ожидаемое напряжение нагрузки 12,6 вольт:

При общем напряжении 45 В и нагрузке 12,6 В у нас должно получиться 32.4 вольта на R _{, падение} :

При 32,4 В на падающем резисторе и сопротивлении 100 кОм ток через него будет 324 мкА:

Поскольку это последовательная цепь, ток одинаков во всех компонентах в любой момент времени:

Расчет сопротивления нагрузки теперь является простым делом закона Ома (R = E / I), что дает нам 38,889 кОм:

Таким образом, если сопротивление нагрузки равно 38.889 кОм, будет 12,6 напряжение на нем, диод или без диода. Любое сопротивление нагрузки меньше, чем 38,889 кОм приведет к напряжению нагрузки менее 12,6 вольт, диод или нет диода. При установленном диоде напряжение нагрузки будет регулироваться. до максимум 12,6 В для любого сопротивления нагрузки больше , чем 38,889 кОм.

При исходном значении падающего резистора 1 кОм наш регулятор схема смогла адекватно регулировать напряжение даже под нагрузкой сопротивление всего 500 Ом.Мы видим компромисс между мощностью рассеивание и приемлемое сопротивление нагрузки. Падение более высоких ценностей резистор дал нам меньше рассеиваемой мощности за счет увеличения допустимое минимальное значение сопротивления нагрузки. Если мы хотим регулировать напряжение для малых сопротивлений нагрузки, цепь должна быть подготовлена ​​к обрабатывать более высокое рассеивание мощности.

Стабилитроны регулируют напряжение, действуя как дополнительные нагрузки, рис. больший или меньший ток по мере необходимости для обеспечения постоянного падения напряжения поперек нагрузки.Это аналогично регулированию скорости автомобиль путем торможения, а не путем изменения положения дроссельной заслонки: не только это расточительно, но тормоза должны быть сконструированы так, чтобы справиться со всеми мощность двигателя, когда этого не требуют условия движения. Несмотря это принципиальная неэффективность конструкции, схемы стабилизаторов стабилитрона широко используются благодаря своей простоте. В мощных приложения, в которых неэффективность была бы неприемлема, другие применяются методы регулирования напряжения.Но даже тогда маленький Схемы на основе стабилитрона часто используются для обеспечения «эталонного» напряжения для управляйте более эффективной схемой усилителя, управляющей основной мощностью.

Стабилитроны производятся со стандартными номинальными напряжениями, указанными в таблице ниже. В таблице «Общие напряжения стабилитрона» указаны стандартные напряжения для 0,3 Вт. и детали мощностью 1,3 Вт. Мощность соответствует размеру кристалла и корпуса и составляет мощность, которую диод может рассеивать без повреждений.

Напряжение общего стабилитрона

Ограничитель на стабилитроне: Схема ограничения, которая фиксирует пики формы волны приблизительно при напряжении стабилитрона диодов.Схема на рисунке ниже имеет два стабилитрона, соединенных последовательно, противоположных симметрично зажиму форма волны при напряжении, близком к стабилитрону. Резистор ограничивает потребляемый ток. стабилитронами до безопасного значения.

 * СПЕЦИЯ 03445.eps
D1 4 0 диод
D2 4 2 диода
R1 2 1 1.0k
V1 1 0 SIN (0 20 1k)
.модель диода d bv = 10
.tran 0,001м 2м
.конец
 

Ограничитель стабилитрона:

Напряжение пробоя стабилитрона для диодов устанавливается равным 10 В параметром модели диода «bv = 10» в списке spice net на рисунке выше.Это приводит к срезанию стабилитронов при напряжении около 10 В. обрежьте обе вершины. Для положительного полупериода верхний стабилитрон обратный смещен, пробой при напряжении стабилитрона 10 В. Нижний стабилитрон падает примерно на 0,7 В, так как он смещен в прямом направлении. Таким образом, более точный уровень отсечения составляет 10 + 0,7 = 10,7 В. Аналогичный отрицательный полупериод происходит отсечение -10,7 В. (Рисунок ниже) показывает уровень ограничения чуть более ± 10 В.

Ограничитель стабилитрона: вход v (1) ограничивается формой волны v (2).

• ОБЗОР:
Стабилитроны
• предназначены для работы в режиме обратного смещения, обеспечивая относительно низкий стабильный пробой, или стабилитрон , при котором они начинают проводить значительный обратный ток.
• Стабилитрон может функционировать как регулятор напряжения, действуя как вспомогательная нагрузка, потребляющая больше тока от источника, если напряжение слишком высоко, и меньше, если слишком низко.

3.1: Введение в диоды и выпрямители

Все о диоде

Диод представляет собой электрическое устройство, позволяющее току проходить через него в одном направлении с гораздо большей легкостью, чем в другом.Наиболее распространенным типом диодов в современной схемотехнике является полупроводниковый диод , хотя существуют и другие диодные технологии. Полупроводниковые диоды обозначены на схематических диаграммах, таких как рисунок ниже. Термин «диод» обычно зарезервирован для малосигнальных устройств, I ≤ 1 A. Термин выпрямитель используется для силовых устройств, I> 1 A.

Схематический символ полупроводникового диода: стрелки указывают направление потока электронного тока.

При включении в простую схему «батарея-лампа» диод пропускает или предотвращает прохождение тока через лампу, в зависимости от полярности приложенного напряжения.(Рисунок ниже)

Работа диода: а) ток разрешен; диод смещен в прямом направлении. (b) Текущий поток запрещен; диод имеет обратное смещение.

Когда полярность батареи такова, что электроны могут проходить через диод, говорят, что диод с прямым смещением . И наоборот, когда батарея находится «в обратном направлении» и диод блокирует ток, говорят, что диод имеет обратное смещение . Диод можно рассматривать как переключатель: «замкнут» при прямом смещении и «разомкнут» при обратном смещении.

Как ни странно, направление стрелки диодного символа указывает на против в направлении потока электронов. Это связано с тем, что символ диода был изобретен инженерами, которые преимущественно используют условное обозначение flow в своих схемах, показывая ток как поток заряда от положительной (+) стороны источника напряжения к отрицательной (-). Это соглашение справедливо для всех символов полупроводников, имеющих «стрелки»: стрелка указывает в разрешенном направлении обычного потока и против разрешенного направления потока электронов.

Гидравлический обратный клапан Аналог

Поведение диода аналогично поведению гидравлического устройства, называемого обратным клапаном . Обратный клапан позволяет жидкости проходить через него только в одном направлении, как показано на рисунке ниже.

Аналогия с гидравлическим обратным клапаном: (a) Допускается прохождение электронного тока. (b) Текущий поток запрещен.

Обратные клапаны — это, по сути, устройства, работающие под давлением: они открываются и пропускают поток, если давление на них имеет правильную «полярность» для открытия задвижки (в показанной аналогии давление жидкости справа больше, чем слева).Если давление имеет противоположную «полярность», перепад давления на обратном клапане закроется и будет удерживать заслонку, так что потока не будет.

Как и обратные клапаны, диоды, по сути, являются устройствами, работающими от давления (напряжения). Существенная разница между прямым и обратным смещением заключается в полярности падения напряжения на диоде. Давайте подробнее рассмотрим простую схему батарея-диод-лампа, показанную ранее, на этот раз исследуя падение напряжения на различных компонентах на рисунке ниже.

Измерения напряжения диодной цепи: (a) Прямое смещение. (b) Обратное смещение.

Диод с прямым смещением проводит ток и понижает на нем небольшое напряжение, в результате чего большая часть напряжения батареи падает на лампе. Если полярность батареи меняется, диод становится смещенным в обратном направлении и сбрасывает всех напряжения батареи, не оставляя лампе ничего. Если мы считаем диод самодействующим переключателем (замкнутым в режиме прямого смещения и разомкнутым в режиме обратного смещения), такое поведение имеет смысл.Наиболее существенное различие состоит в том, что диод при проводке падает намного больше напряжения, чем средний механический переключатель (0,7 вольт против десятков милливольт).

Это падение напряжения прямого смещения, проявляемое диодом, связано с действием области обеднения, образованной P-N переходом под влиянием приложенного напряжения. Если на полупроводниковый диод не подается напряжение, вокруг области P-N-перехода существует тонкая обедненная область, предотвращающая протекание тока. (Рисунок ниже (а)) Область обеднения почти лишена доступных носителей заряда и действует как изолятор:

Изображения диодов: модель PN-перехода, схематическое обозначение, физическая часть.

Схематический символ диода показан на рисунке выше (b), так что анод (указывающий конец) соответствует полупроводнику P-типа в точке (a). Катодный стержень, не указывающий конец, в точке (b) соответствует материалу N-типа в точке (a). Также обратите внимание, что катодная полоса на физической части (c) соответствует катоду на символе.

Если напряжение обратного смещения приложено к переходу P-N, эта область истощения расширяется, дополнительно сопротивляясь любому току через нее.(Рисунок ниже)

Область истощения расширяется с обратным смещением.

И наоборот, если напряжение прямого смещения приложено к переходу P-N, область обеднения сжимается, становясь тоньше. Диод становится менее резистентным к проходящему через него току. Для того, чтобы через диод шел устойчивый ток; тем не менее, область истощения должна быть полностью сжата под действием приложенного напряжения. Для этого требуется определенное минимальное напряжение, называемое прямым напряжением , как показано на рисунке ниже.

Увеличение прямого смещения от (a) к (b) уменьшает толщину обедненной области.

Для кремниевых диодов типичное прямое напряжение составляет 0,7 В, номинальное. Для германиевых диодов прямое напряжение составляет всего 0,3 вольта. Химическая составляющая P-N перехода, составляющего диод, определяет его номинальное значение прямого напряжения, поэтому кремниевые и германиевые диоды имеют такие разные прямые напряжения. Прямое падение напряжения остается примерно постоянным для широкого диапазона токов диодов, что означает, что падение напряжения на диоде не похоже на падение напряжения на резисторе или даже на обычном (замкнутом) переключателе.Для наиболее упрощенного анализа схемы падение напряжения на проводящем диоде можно считать постоянным при номинальном значении и не связанным с величиной тока.

Диодное уравнение

На самом деле, прямое падение напряжения более сложное. Уравнение описывает точный ток через диод с учетом падения напряжения на переходе, температуры перехода и нескольких физических констант. Это широко известно как уравнение диода :

Термин kT / q описывает напряжение, возникающее внутри P-N перехода из-за воздействия температуры, и называется тепловым напряжением или V _t перехода.При комнатной температуре это примерно 26 милливольт. Зная это и принимая коэффициент «неидеальности» равным 1, мы можем упростить уравнение диода и переписать его как таковое:

Вам не нужно знать «уравнение диода» для анализа простых диодных цепей. Просто поймите, что падение напряжения на токопроводящем диоде действительно влияет на значение в зависимости от протекающего через него тока, но это изменение довольно мало в широком диапазоне токов.Вот почему во многих учебниках просто говорится, что падение напряжения на проводящем полупроводниковом диоде остается постоянным и составляет 0,7 В для кремния и 0,3 В для германия. Однако некоторые схемы намеренно используют присущее P-N-переходу экспоненциальное соотношение тока / напряжения и, таким образом, могут быть поняты только в контексте этого уравнения. Кроме того, поскольку температура является фактором в уравнении диода, смещенный в прямом направлении P-N переход может также использоваться в качестве устройства измерения температуры и, таким образом, может быть понят, только если у человека есть концептуальное представление об этой математической зависимости.

Диод с обратным смещением предотвращает прохождение тока через него из-за расширенной области обеднения. На самом деле очень небольшой ток может проходить и проходит через диод с обратным смещением, называемый током утечки , но его можно игнорировать для большинства целей. Способность диода выдерживать напряжения обратного смещения ограничена, как и любого изолятора. Если приложенное напряжение обратного смещения становится слишком большим, диод испытывает состояние, известное как пробой (рисунок ниже), которое обычно является разрушительным.Максимальное номинальное напряжение обратного смещения диода известно как Peak Inverse Voltage или PIV , и его можно получить у производителя. Как и прямое напряжение, рейтинг PIV диода зависит от температуры, за исключением того, что PIV увеличивается на с повышением температуры и уменьшается на , когда диод становится холоднее, что в точности противоположно значению прямого напряжения.

Диодная кривая: показывает излом при прямом смещении 0,7 В для Si и обратный пробой.

Обычно рейтинг PIV обычного «выпрямительного» диода составляет не менее 50 В при комнатной температуре. Диоды с рейтингом PIV в несколько тысяч вольт доступны по скромным ценам.

Обзор

• Диод представляет собой электрический компонент, действующий как односторонний клапан для тока.
• Когда напряжение подается на диод таким образом, что диод пропускает ток, говорят, что диод смещен в прямом направлении .
• Когда на диод подается напряжение таким образом, что диод запрещает ток, говорят, что диод имеет обратное смещение .
• Напряжение, падающее на проводящий диод с прямым смещением, называется прямым напряжением . Прямое напряжение диода изменяется незначительно при изменении прямого тока и температуры и фиксируется химическим составом P-N перехода.
Кремниевые диоды
• имеют прямое напряжение примерно 0,7 В.
Прямое напряжение германиевых диодов
• составляет примерно 0,3 В.
• Максимальное обратное напряжение смещения, которое диод может выдержать без «пробоя», называется номинальным значением обратного обратного напряжения или PIV .

Что такое силовой диод?

Силовой диод — это кристаллическое полупроводниковое устройство, используемое в основном для преобразования переменного тока (AC) в постоянный (DC), процесс, известный как выпрямление. Силовой диод, присутствующий в цепях питания практически всего современного электрического и электронного оборудования, сродни механическому одностороннему клапану. Он проводит электрический ток с минимальным сопротивлением в одном направлении, известном как его прямое направление, предотвращая протекание тока в противоположном направлении.Обычно способные пропускать вперед до нескольких сотен ампер, силовые диоды имеют гораздо большие P-N переходы и, следовательно, более высокую пропускную способность по прямому току, чем их меньшие родственники сигнальных диодов, используемые в бытовой электронике для регулирования и уменьшения тока. Это делает силовые диоды более подходящими для приложений, в которых задействованы более высокие токи и более высокие напряжения.