Направление тока в диоде: особенности работы и применение полупроводниковых приборов

Как устроен диод и почему он проводит ток только в одном направлении. Какие виды диодов существуют и где они применяются. Почему диоды не подчиняются закону Ома.

Что такое диод и как он работает

Диод — это полупроводниковый прибор с двумя электродами, который проводит электрический ток преимущественно в одном направлении. Основным элементом диода является p-n переход, образованный на границе двух типов полупроводников:

• p-типа (с избытком положительных носителей заряда — «дырок»)
• n-типа (с избытком отрицательных носителей заряда — электронов)

При подключении диода в прямом направлении (плюс к p-области, минус к n-области) через него протекает значительный ток. В обратном направлении ток практически не идет. Это свойство называется односторонней проводимостью.

Как определить направление тока в диоде? Ток течет от анода (положительного электрода) к катоду (отрицательному электроду). На схемах диод обозначается треугольником, направленным острием в сторону протекания тока.

Виды диодов и их применение

Существует несколько основных типов диодов:

1. Выпрямительные диоды — используются для преобразования переменного тока в постоянный
2. Стабилитроны — поддерживают постоянное напряжение на участке цепи
3. Светодиоды — излучают свет при прохождении тока
4. Фотодиоды — генерируют ток под действием света
5. Варикапы — работают как конденсаторы с переменной емкостью

Где применяются диоды? Основные области применения:

• Выпрямление переменного тока в блоках питания
• Защита от обратного тока в электрических цепях
• Стабилизация напряжения
• Детектирование радиосигналов
• Генерация и прием оптического излучения

Вольт-амперная характеристика диода

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода показывает зависимость тока через диод от приложенного напряжения. Она имеет ярко выраженный нелинейный характер:

• В прямом направлении ток резко возрастает после достижения порогового напряжения (0,3-0,7 В для кремниевых диодов)
• В обратном направлении ток очень мал вплоть до напряжения пробоя

Почему диоды не подчиняются закону Ома? Из-за нелинейности ВАХ сопротивление диода не является постоянным, а зависит от приложенного напряжения. Поэтому для диодов не выполняется линейная зависимость тока от напряжения, характерная для закона Ома.

Как определить исправность диода

Простейший способ проверки диода — измерение его сопротивления мультиметром в обоих направлениях. У исправного диода:

• Сопротивление в прямом направлении должно быть низким (сотни Ом)
• Сопротивление в обратном направлении — высоким (мегаомы)

Какие неисправности могут возникнуть у диода?

1. Пробой p-n перехода — диод проводит в обоих направлениях
2. Обрыв — диод не проводит ток ни в одном направлении
3. Утечка — повышенный обратный ток

Особенности включения диодов в электрические цепи

При использовании диодов в схемах важно учитывать следующие моменты:

• Правильная полярность включения — анод к положительному потенциалу, катод к отрицательному
• Соблюдение максимально допустимых значений тока и напряжения
• Учет падения напряжения на диоде в прямом направлении (0,6-0,7 В для кремниевых диодов)
• Необходимость ограничения тока через диод внешним резистором

Как рассчитать ограничительный резистор для диода? Используется формула:

R = (U — Uд) / I

где U — напряжение источника питания, Uд — падение напряжения на диоде, I — требуемый ток через диод.

Применение диодов в выпрямителях

Одно из важнейших применений диодов — выпрямление переменного тока. Какие схемы выпрямителей используются?

• Однополупериодный выпрямитель — простейшая схема с одним диодом
• Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой трансформатора
• Мостовая схема — наиболее эффективный четырехдиодный выпрямитель

Чем отличаются эти схемы? Однополупериодная пропускает только половину периода синусоиды, что приводит к большим пульсациям. Двухполупериодные схемы используют оба полупериода, обеспечивая более качественное выпрямление.

Светодиоды: принцип работы и применение

Светодиод (LED) — это полупроводниковый прибор, излучающий свет при прохождении через него электрического тока. Как работает светодиод?

1. При подаче прямого напряжения электроны из n-области инжектируются в p-область
2. Происходит рекомбинация электронов и дырок с выделением энергии в виде фотонов
3. Цвет излучения зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника

Где применяются светодиоды?

• Световая индикация в электронных устройствах
• Дисплеи и информационные табло
• Современные системы освещения
• Оптические линии связи

Какие преимущества имеют светодиоды по сравнению с другими источниками света? Высокая эффективность, длительный срок службы, малые размеры, механическая прочность, возможность получения различных цветов излучения.

Диоды в схемах защиты электронных устройств

Диоды широко используются для защиты электронных схем от перенапряжений и неправильной полярности подключения. Какие схемы защиты применяются?

• Защитный диод параллельно нагрузке — ограничивает напряжение на уровне пробоя диода
• Последовательный диод — защищает от обратной полярности питания
• Диодный ограничитель — обрезает пики входного сигнала
• Супрессор — защищает от мощных импульсных помех

Как работает защита от перенапряжения на диоде? При превышении напряжением допустимого уровня диод открывается и шунтирует избыточное напряжение на землю, защищая нагрузку.

Таким образом, диоды играют важнейшую роль в современной электронике, обеспечивая выпрямление тока, защиту цепей, генерацию света и множество других функций. Понимание принципов работы и особенностей применения диодов необходимо для грамотного проектирования электронных устройств.

виды, как определяется в проводе, способы, обозначение

Что такое электрический ток простыми словами

Определение

Электрическим током в физике называют упорядоченное движение заряженных частиц.

Ток может возникать в различных средах: металлах, жидкостях, газах. Приведем условия, при которых движение зарядов можно считать током:

1. Согласно определению, ток — это перенос электрического заряда из одной точки в другую. Это можно сравнить с течением воды по трубе или течением реки, когда масса воды перемещается из одного места в другое. Хаотичное движение заряженных частиц (например, тепловое) нельзя считать электрическим током.
2. Любое тело состоит из множества заряженных частиц (протонов, электронов, атомных ядер и пр.). Однако при движении тела в пространстве мы не говорим о существовании тока, поскольку тело нейтрально (не имеет заряда). Электрический ток возникает при перемещении избыточного положительного или отрицательного заряда.

В каком направлении течет ток, обозначение

Считают, что направление тока совпадает с направлением движения положительного заряда, от «плюса» к «минусу».

 Формула 1

При обозначении на электрических схемах положительная клемма источника имеет вид длинной черты, отрицательная — короткой. Направление тока указывают стрелкой от положительного полюса.

Добавим в цепь еще одно устройство – полупроводник или полупроводниковый диод с p-n переходом и рассмотрим два способа его подключения:

Формула 2

 

Как определяется в проводе, способы

Наличие тока в проводнике нельзя определить визуально. Способы его обнаружения основываются на его воздействии на окружающую среду:

1. Тепловое воздействие. Если ток протекает через провод, то последний будет нагреваться. Это свойство реализуется в лампах накаливания (вольфрамовая нить накаляется и светится при пропускании через нее тока), утюгах и электроплитах. Такой тип воздействия описывается законом Джоуля-Ленца:

Формула 3

2. Химическое воздействие. Это свойство часто применяется в различных растворах. При пропускании тока через подкисленную воду она распадается на составляющие: водород и кислород. Если пропустить ток через раствор медного купороса, в нем выделятся положительные ионы меди. На химическом воздействии основан электролиз, используемый в гальванопластике, для получения алюминия и др.

3. Магнитное воздействие основано на том, что движущиеся заряды создают вокруг себя магнитное поле. Отметим, что это утверждение справедливо и в случае постоянного тока, и в случае переменного.

Обнаружить ток можно, поместив рядом два провода. При прохождении тока проводники начнут либо притягиваться друг к другу, либо отталкиваться. Если векторы плотности тока являются сонаправленными, провода начнут сближаться, если противоположно направлены — отталкиваться.

На явлении магнетизма основана работа электромагнитов. Простейший электромагнит представляет собой катушку, сердечник которой выполнен из ферромагнитного материала, а по обмотке протекает электрический ток. В результате возникает магнитное поле.

Как найти направление тока, формула, правило буравчика

Формула 4

Запись закона в скалярной форме будет зависеть от формы проводника (прямой провод, соленоид и т. д.).

Направления составляющих векторного произведения можно определить по правилу буравчика.

Правило 1

Из правила буравчика можно сделать вывод о том, что вектор B всегда лежит в плоскости, перпендикулярной направлению тока.

При протекании тока по проводнику линии индукции B охватывают проводник, сформулируем правило буравчика и правило правой руки для этого случая.

Правило 2

Правило буравчика для проводника с током. Буравчик направить так, чтобы при совершении оборота направление вращения совпадало с направлением линий магнитного поля. Направление тока в этом случае будет совпадать с поступательным движением буравчика.

Правило 3

Правило правой руки. Ладонью правой руки охватывают проводник так, чтобы четыре пальца совпадали с силовыми линиями магнитного поля. Отогнутый большой палец укажет направление движения зарядов.

Источник: i2.wp.com

В соленоиде направление линий магнитного поля и тока также определяются по правилу буравчика: если ток в витках направлен по часовой стрелке, вектор В направлен вниз, если против — вверх.

Примеры решения задач

Задача 1

Имеется источник, полупроводниковый диод и лампа накаливания. Собрать электрическую схему так, чтобы:

• при включении источника лампа загорелась;
• при включении источника лампа не загоралась.

Решение.

Для первого вариант необходимо включить диод по прямой схеме. Для этого положительную клемму источника подключаем к аноду, отрицательную — к катоду.

 

При втором варианте диод подключается по обратной схеме: положительная клемма подключается к катоду, отрицательная — к аноду. Возникающий при этом запирающий ток не дает заряду дойти до лампы.

Задача 2

Определить направление тока в проводе АС и указать полюсы источника, если линии магнитного поля направлены согласно рисунку.

 

Решение.

 Задача 3

Имеется электрическая цепь, представленная на рисунке. Известно направление линий магнитного поля. Необходимо:

• указать полюсы источника;
• определить, по какой ветке пойдет ток при включении источника;
• предложить способы изменить схему так, чтобы ток протекал по другой ветке.

Решение.

Сначала по правилу буравчика определим направление тока и обозначим клеммы источника. Теперь посмотрим на подключение диодов. Диод № 1 имеет обратное подключение, следовательно, ток не будет проходить по ветке 1. Диод № 2 подключен по прямой схеме, значит, ток в цепи будет проходить по ветке 2.

 

Есть два возможных варианта изменить цепь так, чтобы ток проходил по ветке 1. Первый – изменить подключение источника. Тогда диод № 1 будет включен по прямой схеме, а диод № 2 — по обратной. Второй – изменить схему подключения диодов.

Задача 4

По проводнику диаметром 2 см протекает ток 10 А. Определить величину магнитной индукции.

Решение.

Применим ли закон Ома к диоду? — Asutpp

Задавались ли вы вопросом, выполняется ли известный закон Ома, который гласит, что ток, протекающий через проводник, пропорционален напряжению, действующему между концами проводника, например, для полупроводников? Оказывается, что не все элементы электрической цепи подчиняются этому закону. В этой статье вы узнаете больше об этом.

Что такое диод и как он работает?

Диод (англ. diode) — это двухконтактный (двухэлектродный) электронный компонент, который проводит электричество асимметрично, то есть больше в одном направлении, чем в другом. Исторически первыми диодами были кристаллические детекторы и вакуумные диоды. Сегодня наиболее распространенным типом являются полупроводниковые диоды, построенные из двух слоев по-разному легированного полупроводника, которые вместе образуют p-n-переход.

Диод (рис. 1.) — это электронный компонент, основным свойством которого является неравномерное проведение тока в двух направлениях. В направлении хорошей проводимости, при электрическом напряжении постоянной величины, электрический ток может быть более чем в миллион раз больше, чем в противоположном направлении — так называемом направлении прекращения проводимости.

Рис. 1. Графический символ выпрямительного диода. Стрелка указывает направление хорошей проводимости через диод.

Работа диода хорошо иллюстрируется характеристикой ток-напряжение, т.е. зависимостью тока, протекающего через диод, от приложенного электрического напряжения — рис. 2. Эта характеристика выглядит одинаково для большинства типов диодов.

Рис. 2. Зависимость электрического тока протекающего через диод от приложенного электрического напряжения

Из рисунка видно, что в направлении проводимости (положительные напряжения) уже при небольшом напряжении — обычно ниже — 1 В через диод начинает протекать достаточно большой электрический ток. Напряжение, при котором диоды работают в направлении проводимости, составляет от примерно 0,3 В для германиевых диодов до примерно 4 В для фиолетовых светоизлучающих диодов.

Рабочие токи, используемые на практике, могут варьироваться от нескольких десятков миллиампер в светодиодах до нескольких килоампер в диодах, используемых в электротехнике. Все диоды имеют определенный максимальный ток, превышение которого чревато разрушением структуры диода.

В обратном направлении через диоды протекает очень маленький электрический ток, даже меньше 10^-6 A. После достижения напряжения пробоя ток быстро увеличивается и мало зависит от приложенного электрического напряжения.

Напряжение пробоя варьируется от нескольких вольт для обычного диода до нескольких тысяч вольт для диодов, используемых в электротехнике.

Почему диоды не подчиняются закону Ома?

Закон Ома гласит, что сила тока, протекающего через проводник или другой элемент электрической цепи, прямо пропорциональна напряжению, приложенному к этому проводнику (другому элементу цепи). Мы можем выразить этот закон формулой:

I = U / R

где U — электрическое напряжение, приложенное к проводнику, I — электрический ток, протекающий под действием этого электрического напряжения, а R — электрическое сопротивление проводника (или другого элемента цепи).

Закон Ома выполняется для тех элементов цепи, для которых сопротивление постоянно и не зависит от напряжения.

Закон Ома выполняется для металлических проводников, но не во всем диапазоне тока. При больших электрических токах проводники начинают нагреваться в результате протекания электрического тока, и повышение температуры приводит к увеличению их электрического сопротивления.

Для элементов цепи, в диапазоне напряжений, при которых выполняется закон Ома, график зависимости электрического тока от напряжения представляет собой прямую линию (рис. 3.), независимо от направления приложенного напряжения. Наклон графика зависит от электрического сопротивления рассматриваемого элемента.

Рис. 3. Зависимость между током и напряжением для материалов удовлетворяющих закону Ома

Если график зависимости электрического тока от напряжения не является прямой линией, то данный элемент цепи не подчиняется закону Ома — электрическое сопротивление этих элементов изменяется с изменением напряжения (рис. 4.).

Рис. 4. Примеры характеристик тока и напряжения для материалов не подчиняющихся закону Ома. Для этих материалов ток не является линейной функцией напряжения.

Как видно из характеристики ток-напряжение диода, показанной на рис. 2, диоды не подчиняются закону Ома, и их электрическое сопротивление изменяется в очень широком диапазоне и зависит как от величины электрического напряжения, так и от направления, в котором оно приложено. Причина таких свойств диода кроется в явлениях, происходящих на p-n переходе.

ОШИБКА — 404 — НЕ НАЙДЕНА

• Главная
• ЭТО ЛОВУШКА!

Наши серверные гномы не смогли найти страницу, которую вы ищете.

Похоже, вы неправильно набрали URL-адрес в адресной строке или перешли по старой закладке.

Возможно, некоторые из них могут вас заинтересовать?

Шаговый двигатель — 68 унций дюйма (400 шагов/об)

Нет в наличии РОБ-10846

19,50 $

17

Избранное Любимый 33

Список желаний

Заголовок — 8-контактный разъем (SMD, 0,1 дюйма)

В наличии ПРТ-11543

Избранное Любимый 4

Список желаний

Спектральный щит SparkFun

31 в наличии DEV-13116

28,95 $

15

Избранное Любимый 21

Список желаний

МИКРОЭ ccRF 2 Click

Нет в наличии WRL-20425

35,95 $

Избранное Любимый 0

Список желаний

Как обновить прошивку GNSS-приемника u-blox

29 апреля 2021 г.

С помощью этого нового руководства вы всего за несколько шагов обновите приемник u-blox GNSS до новейших функций!

Избранное Любимый 1

Время прямой трансляции!

25 января 2022 г.

Присоединяйтесь к нам в первый вторник месяца для специальной прямой трансляции, посвященной нашим любимым продуктам, выпущенным в прошлом месяце, а также интересным новостям и разработкам в электронной промышленности.

Избранное Любимый 1

Machine Learning @ Home Kit Руководство по подключению

16 июля 2021 г.

Живое руководство по подключению с тремя различными приложениями машинного обучения, которые помогут вам по дому, а также научат основам использования примеров машинного обучения, которые вы найдете в курсе DLI, и работы над развертыванием этих проектов за его пределами. пример в Jupyter Notebooks!

Избранное Любимый 2

• Электроника SparkFun®
• 6333 Dry Creek Parkway, Niwot, Colorado 80503
• Настольный сайт

• Ваш счет
• Авторизоваться
• регистр

ОШИБКА — 404 — НЕ НАЙДЕНА

• Главная
• Это не луна!

Наши серверные гномы не смогли найти страницу, которую вы ищете.

Похоже, вы неправильно набрали URL-адрес в адресной строке или перешли по старой закладке.

Возможно, некоторые из них могут вас заинтересовать?

Электронные ножницы

В наличии ТОЛ-10447

16,50 $ $14,03

6

Избранное Любимый 9

Список желаний

Двусторонний кабель USB A-C — 0,8 м

В наличии CAB-15425

2

Избранное Любимый 6

Список желаний

MIKROE MAC-адрес Нажмите

Нет в наличии DEV-20246

Избранное Любимый 0

Список желаний

МИКРОЭ нРФ С Click

Нет в наличии WRL-20410

19,95 $

Избранное Любимый 0

Список желаний

Просыпайтесь со своим собственным персонализированным IoT

27 мая 2021 г.

Интернет вещей сейчас вездесущ, но даже через двадцать два года после его появления большая его часть, даже самые простые части, остаются гораздо менее настраиваемыми, чем хотелось бы многим из нас. К счастью, большинство из нас (да, вы!) можете что-то с этим поделать.

Избранное Любимый 0

Заставьте комплект Machine Learning @ Home Kit работать на вас

21 сентября 2021 г.

Мы добавили дополнительные семинары в руководство по подключению Machine Learning @ Home Kit!

Избранное Любимый 0

SparkFun Thing Plus — руководство по подключению NINA-B306

23 марта 2023 г.

Краткое руководство по началу работы с SparkFun Thing Plus — NINA-B306. Этот Thing Plus оснащен процессором Arm Cortex-M4 в NINA-B306, а также встроенными датчиками движения и окружающей среды в ISM330DHCX 6DoF и датчиком давления и температуры BME280.