Постоянное прямое напряжение. Диоды и выпрямители: принцип работы, характеристики и применение

Что такое диод и как он работает. Как отличается прямое и обратное напряжение диода. Какие бывают типы диодов и для чего они используются. Как работают выпрямители на основе диодов.

Принцип работы диода: прямое и обратное напряжение

Диод — это полупроводниковый элемент, который пропускает электрический ток только в одном направлении. Его работа основана на свойствах p-n перехода.

Основные характеристики диода:

• Прямое напряжение — напряжение, при котором диод начинает проводить ток в прямом направлении (обычно 0.6-0.7 В для кремниевых диодов)
• Обратное напряжение — максимальное напряжение, которое диод может выдержать в обратном направлении без пробоя
• Прямой ток — ток, протекающий через диод в прямом направлении
• Обратный ток — очень малый ток утечки в обратном направлении

Как работает диод при прямом и обратном напряжении?

При подаче прямого напряжения (+ на анод, — на катод):

• Ширина p-n перехода уменьшается
• Барьер для носителей заряда снижается
• При достижении порогового напряжения диод открывается и начинает проводить ток

При подаче обратного напряжения (- на анод, + на катод):

• Ширина p-n перехода увеличивается
• Барьер для носителей заряда возрастает
• Диод закрыт, протекает только очень малый обратный ток

Вольт-амперная характеристика диода

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

Основные участки ВАХ диода:

1. Область обратного напряжения — очень малый обратный ток
2. Область пробоя — резкое возрастание обратного тока при достижении напряжения пробоя
3. Область прямого напряжения — экспоненциальный рост прямого тока после достижения порогового напряжения

Знание ВАХ позволяет определить основные параметры диода и выбрать оптимальный режим его работы в схеме.

Типы диодов и их применение

Существует множество типов диодов, оптимизированных для различных применений:

• Выпрямительные диоды — для преобразования переменного тока в постоянный
• Импульсные диоды — для работы в высокочастотных схемах
• Стабилитроны — для стабилизации напряжения
• Светодиоды — для преобразования электрической энергии в световую
• Фотодиоды — для преобразования световой энергии в электрическую
• Варикапы — для электронной подстройки емкости

Выбор типа диода зависит от конкретной задачи в электронной схеме.

Выпрямители на основе диодов

Выпрямители — это устройства для преобразования переменного тока в постоянный. Их работа основана на свойстве диодов пропускать ток только в одном направлении.

Основные типы выпрямителей:

• Однополупериодный — пропускает только положительные полуволны
• Двухполупериодный — пропускает обе полуволны, используя 4 диода
• Мостовой — наиболее эффективный, использует 4 диода в мостовой схеме

После выпрямления напряжение содержит пульсации, которые сглаживаются с помощью конденсаторов и индуктивностей.

Пробой p-n перехода диода

При превышении максимального обратного напряжения в диоде может произойти пробой p-n перехода. Различают два основных вида пробоя:

Электрический пробой

Электрический пробой возникает при сильном электрическом поле в p-n переходе. Он бывает:

• Туннельный — при тонком p-n переходе электроны «просачиваются» через потенциальный барьер
• Лавинный — ускоренные электроны выбивают новые электроны, вызывая лавинообразный процесс

Электрический пробой обратим и используется в некоторых типах диодов.

Тепловой пробой

Тепловой пробой возникает из-за локального перегрева p-n перехода. Он необратим и приводит к разрушению диода.

Для предотвращения пробоя важно не превышать максимально допустимое обратное напряжение диода, указанное в документации.

Основные параметры диодов

При выборе диода для конкретного применения необходимо учитывать его основные параметры:

• Максимальный прямой ток I_F(max) — предельно допустимый ток в прямом направлении
• Максимальное обратное напряжение V_R(max) — предельное напряжение в обратном направлении
• Прямое напряжение V_F — падение напряжения на открытом диоде
• Обратный ток I_R — ток утечки в закрытом состоянии
• Время обратного восстановления t_rr — время переключения из прямого в обратное состояние

Эти параметры определяют возможности применения диода в различных схемах.

Модели диодов для расчета электрических цепей

Для анализа и расчета электрических цепей с диодами используют различные модели, описывающие их поведение:

Идеальная модель диода

В этой простейшей модели диод представляется как идеальный ключ:

• Нулевое сопротивление при прямом смещении
• Бесконечное сопротивление при обратном смещении

Подходит для приближенных расчетов.

Модель с постоянным напряжением

Учитывает падение напряжения на открытом диоде:

• Постоянное прямое напряжение (обычно 0.7 В для кремниевых диодов)
• Бесконечное сопротивление при обратном смещении

Дает более точные результаты для большинства применений.

Модель Шокли

Наиболее точная модель, описывающая ВАХ диода экспоненциальной зависимостью:

I = I_s(e^qV/nkT — 1)

где I_s — обратный ток насыщения, q — заряд электрона, V — напряжение, n — коэффициент неидеальности, k — постоянная Больцмана, T — температура.

Выбор модели зависит от требуемой точности расчетов и сложности анализируемой схемы.

Особенности применения светодиодов

Светодиоды (LED) — особый тип диодов, преобразующих электрическую энергию в световую. Их характеристики отличаются от обычных диодов:

Прямое напряжение светодиодов

Типичные значения прямого напряжения для разных цветов:

• Инфракрасные: ~1.5 В
• Красные: ~2.0 В
• Желтые: ~2.1 В
• Зеленые: ~2.2 В
• Синие: ~3.0 В
• Белые: ~3.0-3.5 В

Ограничение тока светодиода

Для защиты светодиода от перегорания необходимо ограничивать ток. Обычно это делается с помощью последовательного резистора, рассчитываемого по формуле:

R = (V_source — V_LED) / I_LED

где V_source — напряжение источника питания, V_LED — прямое напряжение светодиода, I

LED — рабочий ток светодиода.

Правильный выбор ограничительного резистора обеспечивает оптимальную яркость и долговечность светодиода.

Прямое и обратное напряжение

Когда диод открыт, на нем имеется прямое напряжение. Обратным напряжением считается величина во время закрытия диода и прохождения через него обратного тока. Сопротивление диода при прямом напряжении очень мало, в отличие от обратного напряжения, возрастающего до тысяч кОм.

Если диоды использовать в работе с переменным током, то при плюсовой полуволне синуса напряжения он будет открыт, а при минусовой – закрыт. Такое свойство диодов применяют для выпрямления напряжения. Поэтому такие устройства называются выпрямителями.

4.3. Вольт-амперная характеристика диода Слайд № 11

Зависимость U = f(I) называется вольт-амперной характеристикой диода.

Характеристика диода выражается графиком, на котором видна зависимость тока, напряжения и его полярности. Вертикальная ось координат в верхней части определяет прямой ток, в нижней части – обратный.

Горизонтальная ось справа обозначает прямое напряжение, слева – обратное. Прямая ветка графика выражает ток пропускания диода, проходит рядом с вертикальной осью, так как выражает повышение прямого тока.

Вторая ветка графика показывает ток при закрытом диоде, и проходит параллельно горизонтальной оси. Чем круче график, тем лучше диод выпрямляет ток. После возрастания прямого напряжения, медленно повышается ток. Достигнув области скачка, его величина резко нарастает.

На обратной ветви графика видно, что при повышении обратного напряжения, величина тока практически не возрастает. Но, при достижении границ допустимых норм происходит резкий скачок обратного тока. Вследствие этого диод перегреется и выйдет из строя.

4.4. Пробой р-n-перехода Слайд № 12

Пробоем p-n-перехода называется явление резкого увеличения обратного тока при достижении обратным напряжением определенного критического значения. Различают электрический и тепловой пробои p-n-перехода.

Электрический пробой

Электрический пробой возникает в результате воздействия сильного электрического поля в p-n-переходе. Такой пробой является обратимым, то есть он не приводит к повреждению перехода, и при снижении обратного напряжения свойства диода сохраняются. Благодаря этому электрический пробой используют в качестве рабочего режима в полупроводниковых диодах.

В свою очередь, электрический пробой разделяется на туннельный и лавинный пробои.

Туннельный пробой

Туннельный пробой происходит в результате явления туннельного эффекта, который проявляется в том, что при сильной напряженности электрического поля, действующего в

p-n-переходе малой толщины, некоторые электроны проникают (просачиваются) через переход из области p—типа в область n—типа без изменения своей энергии. Р-n-переходы малой толщины возможны только при высокой концентрации примесей в молекуле полупроводника.

Лавинный пробой

Лавинный пробой заключается в том, что под действием сильного электрического поля неосновные носители зарядов под действием тепла в p-n-переходе ускоряются на столько, что способны выбить из атома один из его валентных электронов и перебросить его в зону проводимости, образовав при этом пару электрон – дырка. Образовавшиеся носители зарядов тоже начнут разгоняться и сталкиваться с другими атомами, образуя следующие пары электрон – дырка. Процесс приобретает лавинообразный характер, что приводит к резкому увеличению обратного тока при практически неизменном напряжении.

Диодные характеристики — CoderLessons.com

Существуют различные текущие шкалы для операций прямого и обратного смещения. Передняя часть кривой показывает, что диод проводит просто, когда P-область становится положительной, а N-область отрицательной.

Диод почти не проводит ток в направлении высокого сопротивления, то есть когда прегион становится отрицательным, а N-область – положительным. Теперь дырки и электроны отводятся от соединения, что приводит к увеличению барьерного потенциала. Это условие обозначено частью кривой обратного тока.

Пунктирный участок кривой показывает идеальную кривую , которая получилась бы, если бы не было лавинного пробоя. На следующем рисунке показана статическая характеристика переходного диода.

ДИОД IV Характеристики

Характеристики прямого и обратного токового напряжения (IV) диода обычно сравниваются на одной характеристической кривой. Рисунок, изображенный в разделе «Прямая характеристика», показывает, что прямое напряжение и обратное напряжение обычно отображаются на горизонтальной линии графика.

Прямые и обратные значения тока показаны на вертикальной оси графика. Прямое напряжение отображается справа, а обратное напряжение слева. Точка начала или нулевого значения находится в центре графика. Прямой ток удлиняется над горизонтальной осью, а обратный ток распространяется вниз.

Объединенные значения прямого напряжения и прямого тока находятся в верхней правой части графика, а обратное напряжение и обратный ток – в левом нижнем углу. Различные шкалы обычно используются для отображения прямых и обратных значений.

Вперед Характеристика

Когда диод смещен в прямом направлении, он проводит ток (IF) в прямом направлении. Значение IF напрямую зависит от величины прямого напряжения. Соотношение прямого напряжения и прямого тока называется ампер-вольт или IV характеристикой диода. Типичная диодная прямая IV характеристика показана на следующем рисунке.

Ниже приведены наблюдения –

• Прямое напряжение измеряется через диод, а прямой ток – это мера тока через диод.

• Когда прямое напряжение на диоде равно 0 В, прямой ток (IF) равен 0 мА.

• Когда значение начинается с начальной точки (0) графика, если VF постепенно увеличивается с шагом 0,1 В, IF начинает расти.

• Когда значение VF достаточно велико для преодоления барьерного потенциала PN-перехода, происходит значительное увеличение IF. Точку, в которой это происходит, часто называют напряжением колена V _K. Для германиевых диодов V _K составляет приблизительно 0,3 В, а для кремния – 0,7 В.

• Если значение IF значительно превышает V _K , прямой ток становится довольно большим.

Прямое напряжение измеряется через диод, а прямой ток – это мера тока через диод.

Когда прямое напряжение на диоде равно 0 В, прямой ток (IF) равен 0 мА.

Когда значение начинается с начальной точки (0) графика, если VF постепенно увеличивается с шагом 0,1 В, IF начинает расти.

Когда значение VF достаточно велико для преодоления барьерного потенциала PN-перехода, происходит значительное увеличение IF. Точку, в которой это происходит, часто называют напряжением колена V _K. Для германиевых диодов V _K составляет приблизительно 0,3 В, а для кремния – 0,7 В.

Если значение IF значительно превышает V _K , прямой ток становится довольно большим.

Эта операция вызывает чрезмерное нагревание через переход и может разрушить диод. Чтобы избежать этой ситуации, защитный резистор соединен последовательно с диодом. Этот резистор ограничивает прямой ток до максимального номинального значения. Обычно резистор ограничения тока используется, когда диоды работают в прямом направлении.

Обратная характеристика

Когда диод смещен в обратном направлении, он проводит обратный ток, который обычно довольно мал. Типичная обратная IV характеристика диода показана на рисунке выше.

Вертикальная линия обратного тока на этом графике имеет значения тока, выраженные в микроамперах. Количество неосновных носителей тока, которые принимают участие в проведении обратного тока, довольно мало. В общем, это означает, что обратный ток остается постоянным в течение большей части обратного напряжения. Когда обратное напряжение диода увеличивается с самого начала, наблюдается очень небольшое изменение обратного тока. В точке напряжения пробоя (VBR) ток очень быстро увеличивается. В это время напряжение на диоде остается достаточно постоянным.

Эта характеристика постоянного напряжения приводит к ряду применений диода в условиях обратного смещения. Процессы, которые отвечают за проводимость тока в диоде с обратным смещением, называются пробой лавины и пробой стабилитрона .

Диод Технические характеристики

Как и любой другой выбор, выбор диода для конкретного применения должен быть рассмотрен. Производитель обычно предоставляет этот тип информации. Спецификации, такие как максимальные значения напряжения и тока, обычные условия эксплуатации, механические характеристики, идентификация проводов, процедуры монтажа и т. Д.

Ниже приведены некоторые важные характеристики.

Максимальный прямой ток (IFM) – абсолютный максимальный повторяющийся прямой ток, который может проходить через диод.

Максимальное обратное напряжение (VRM) – Абсолютное максимальное или пиковое напряжение обратного смещения, которое может быть приложено к диоду.

Обратное напряжение пробоя (VBR) – минимальное установившееся обратное напряжение, при котором произойдет пробой.

Максимальный прямой импульсный ток (IFM-импульс) – максимальный ток, допустимый в течение короткого интервала времени. Это текущее значение намного больше, чем IFM.

Максимальный обратный ток (IR) – Абсолютный максимальный обратный ток, который допускается при рабочей температуре устройства.

Прямое напряжение (VF) – максимальное падение прямого напряжения для данного прямого тока при рабочей температуре устройства.

Рассеиваемая мощность (PD) – максимальная мощность, которую устройство может безопасно поглощать непрерывно в свободном воздухе при температуре 25 ° C.

Обратное время восстановления (Trr) – максимальное время, которое требуется устройству для включения и выключения стат.

Напряжение пробоя – это минимальное напряжение обратного смещения, при котором PN-переход размыкается при внезапном увеличении обратного тока.

Напряжение колена – это прямое напряжение, при котором ток через соединение начинает быстро увеличиваться.

Пиковое обратное напряжение – это максимальное обратное напряжение, которое можно приложить к PN-соединению, не повреждая его.

Maximum Forward Rating – максимальный мгновенный прямой ток, который может пройти PN-переход, не повредив его.

Максимальная мощность – это максимальная мощность, которая может рассеиваться от соединения без повреждения соединения.

Мне нужна помощь в понимании модели постоянного напряжения для диода

спросил 4 года, 7 месяцев назад

Изменено 3 года, 6 месяцев назад

Просмотрено 8к раз

\$\начало группы\$

Итак, я запутался в модели с постоянным напряжением (которая предполагает, что диод имеет падение на 0,7 вольта).

На картинке ниже я запутался в третьем случае. Что делать, если источник напряжения имеет напряжение менее 0,7 В, но диод находится в прямом смещении? Означает ли это, что это разомкнутая цепь и, следовательно, падение напряжения на диоде будет равно падению напряжения источника? (В последних двух случаях — на схемах справа — я просто придумал числа, чтобы проиллюстрировать концепцию)

• диоды

\$\конечная группа\$

1

\$\начало группы\$

Если вы моделируете диод как постоянное напряжение, тогда да, если напряжение источника меньше 0,7 В, это будет напряжение на диоде. Похоже, вы прекрасно это понимаете. При обратном смещении и при прямом смещении <0,7 В цепь разомкнута. В противном случае это выглядит как батарея на 0,7 В.

Такая простая модель подходит для одних целей, но не для других.

Помните, что все модели ошибочны, но некоторые модели полезны Джордж Бокс

Если константа 0,7 В слишком неверна для ваших целей, скажем, вы хотите оценить падение напряжения на диоде в 1 нА, тогда вам следует использовать лучшую модель.

Популярным является уравнение диода Шокли. Следите за «фактором идеальности», фактором скрипки, который позволяет вам согласовать модель с измерениями по широкому диапазону параметров. При больших токах вам нужно будет добавить некоторое последовательное сопротивление. На высоких частотах вам понадобится некоторая параллельная емкость (зависит от напряжения) и, возможно, некоторая последовательная индуктивность. И вы до сих пор не учли накопление заряда, что так же важно для предотвращения использования 1N4004 в SMPS, как и для работы диодов с ступенчатым восстановлением ГГц.

Вы прекращаете разработку модели, когда она достаточно хороша для ваших целей.

\$\конечная группа\$

6

\$\начало группы\$

Я думаю, вы можете запутаться в базовой концепции и в том, как используются эти простые модели диодов. Вы должны использовать другую модель для диода в зависимости от того, смещен ли он в прямом или обратном направлении. При прямом смещении диод выглядит примерно как идеальный источник напряжения 0,7 В, а при обратном смещении диод выглядит примерно как идеальный источник тока 0 А (разомкнутая цепь).

Если вы не уверены, какой использовать, просто выберите один. Если вы предполагаете, что диод смещен в прямом направлении, проанализируйте схему и определите, что ток диода отрицателен, тогда ваше предположение было неверным, и на самом деле диод смещен в обратном направлении. Если вы предполагаете, что диод смещен в обратном направлении, проанализируйте схему и определите, что напряжение на диоде больше 0,7 В, тогда ваше предположение было неверным, и на самом деле диод смещен в прямом направлении.

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Рассмотрим это, где график представляет собой логарифмический вертикальный ток диода и линейное горизонтальное напряжение диода

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Простой ответ: диод не может служить источником напряжения. Если внешнее напряжение (Vext) больше 0,7 В, то падение на диоде равно 0,7 В, а если Vext < 0,7 В, то падение на диоде не может быть больше, чем Vext. Итак, если вы посмотрите на диаграмму I-V этого приближения, вы увидите, что до напряжения включения (0,7 В) ток (Id) равен нулю.

Аналогичная аналогия: Предположим, что ящик стоит на земле (с максимальной силой трения, скажем, 10 Н)

Случай 1: Если мы толкнем его с силой 20 Н, тогда действующая сила трения составит 10 Н, чтобы противодействовать движению.
Случай 2: Если мы толкнем его с силой 3 Н, то действующая сила трения будет только 3 Н, иначе, если она больше 3 Н, ящик будет двигаться.

Таким образом, сила трения противодействует движению, она не может заставить коробку двигаться (аналогично диод не может быть источником).

\$\конечная группа\$

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

.

led — Что такое «прямое» и «обратное» напряжение при работе с диодами?

спросил 12 лет, 2 месяца назад

Изменено 5 лет, 9 месяцев назад

Просмотрено 271 тысяч раз

\$\начало группы\$

В чем разница между «прямым» и «обратным» напряжением при работе с диодами и светодиодами?

Я понимаю, что на этот вопрос есть ответы в других местах в Интернете, таких как Википедия, но я ищу краткое изложение, которое не столько носит техническое обсуждение, сколько является полезным советом для тех, кто использует диоды в схемах для хобби.

• светодиод
• диод

\$\конечная группа\$

4

\$\начало группы\$

Прямое напряжение — это падение напряжения на диоде, если напряжение на аноде больше положительного, чем напряжение на катоде (если подключить + к аноду).

Это значение будет использоваться для расчета рассеиваемой мощности диода и напряжения после диода.

Обратное напряжение — это падение напряжения на диоде, если напряжение на катоде больше положительного, чем напряжение на аноде (если подключить + к катоду).

Обычно это намного выше, чем прямое напряжение. Как и в случае с прямым напряжением, ток будет течь, если подключенное напряжение превысит это значение. Это называется «разрыв». Обычные диоды обычно разрушаются, но с диодами Z и Зенера этот эффект используется преднамеренно.

\$\конечная группа\$

6

\$\начало группы\$

Обычно прямое напряжение — это напряжение, при котором ток начинает течь в нормальном направлении (как упоминалось выше, оно находится в диапазоне 0,3–0,6 В)

Обратное напряжение — это то же самое — это напряжение, при котором ток начинает течь, когда диод находится в обычно непроводящей области — это также точка, в которой диод, вероятно, превратится в обугленное месиво, так как все внутренние полупроводниковые материалы превратятся в кашу (выберите значение несколько больше, чем самый большой ПИК). [не среднеквадратичное значение] Напряжение переменного тока, которое диод увидит)

\$\конечная группа\$

1

\$\начало группы\$

Прямое смещение — это когда анод (заостренная часть символа) положительный, а катод (полоса) отрицательный. Обратное смещение — это когда анод отрицательный, а катод положительный. Большой ток протекает, когда диод смещен в прямом направлении, при условии, что напряжение выше 0,6 В или около того для кремниевого диода или 0,3 В или около того для германиевого устройства. Если диод смещен в обратном направлении, протекает очень небольшое количество тока.

Если у вас есть DVM и несколько диодов, вы можете проверить это сами. Катодные выводы диода обычно обозначаются лентой, поэтому, если вы переключите цифровой мультиметр на настройку низкого сопротивления и подключите выводы к диоду в обоих направлениях, вы должны увидеть низкое сопротивление в одном направлении и высокое сопротивление в другом направлении. , при условии, что DVM подает достаточно высокое напряжение. Некоторые цифровые вольтметры имеют специальные настройки проверки диодов, которыми проще пользоваться.

Светодиоды обычно имеют плоский вывод катода.

\$\конечная группа\$

2

\$\начало группы\$

_{Раскопки в 3… 2… 1…}

Просто чтобы информация была здесь сжатой, и я хотел бы знать, где найти свое потомство, я бы добавил типичные прямые напряжения для обычных светодиодов как краткий справочник для всех. (А также потому, что мне нравится копаться в старой теме от 18 декабря.)

Согласно Википедии:

Обычно прямое напряжение светодиода составляет около 1,8–3,3 вольта; это зависит от цвета светодиода. Красный светодиод обычно падает на 1,8 вольта, но падение напряжения обычно увеличивается с увеличением частоты света, поэтому синий светодиод может падать примерно на 3,3 вольта.

Краткий справочник по прямому напряжению светодиода

• ИК Падение напряжения светодиода около 1,5 В
• Красный : ~2 В
• Янтарный : ~2 В
• Желтый : ~2 В
• Зеленый : ~2,5 В
• Синий : ~3,5 В
• Белый : ~3,5 В
• Лазерные диоды : ~1,5 В, но могут сильно различаться в зависимости от длины волны (например, от 375 до 3300 нм)

\$\конечная группа\$

4

\$\начало группы\$

Хотя вы упомянули «напряжение», я полагаю, вы имеете в виду смещение . Если это верно, то «прямое смещение» представляет собой приложение напряжения таким образом, что диод «показывает» низкое сопротивление . «Обратное смещение» заставляет диод показывать высокое сопротивление .

\$\конечная группа\$

1

\$\начало группы\$

Прямое напряжение заставляет диод проводить ток, а обратное напряжение делает диод очень плохим проводником или почти разомкнутой цепью, если только диод не «пробит».

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Для диодов с идеальным переходом существует связь между током и напряжением, определяемая уравнением Шокли для диода I = Is(exp(Vd q/nkT). Вы можете решить это, чтобы получить Vd, напряжение на диоде, как функцию от I , Но когда у вас есть резистор последовательно с диодом, вы НЕ можете решить схему, вы должны использовать последовательные приближения (если, конечно, у вас нет калькулятора WP-34 со встроенной функцией Lambert W).