Диод на схеме: Диоды и их разновидности

Диодный мост | Принцип работы, обозначение, виды

Что такое диодный мост

Словосочетание “диодный мост” образуется от слова “диод“. Значит, диодный мост – это радиодеталь, которая состоит из диодов. Здесь очень важно то, как соединены эти диоды, иначе диодный мост превратится просто в кучку из диодов.

Диод на электрических схемах обозначается вот так.

Самый простой диодный мост состоит из 4 диодов, которые соединяются вот так.

Эта рисунок также является самой распространенным обозначением диодного моста на электрических схемах.

Упрощенный вариант выглядит вот так.

Можно увидеть на схемах даже что-то типа этого.

 

Для правильной эксплуатации диодного моста, мы должны его правильно подсоединить. Правильное подключение диодного моста выглядит таким образом.

Как вы видите, на вход диодного моста мы подаем переменное напряжение, а на выходе диодного моста снимаем постоянное напряжение. Отсюда можно сделать вывод:

Диодный мост используется в схемах для того, чтобы получить из переменного тока постоянный ток.

Принцип работы диодного моста

Диод в цепи переменного напряжения

Итак, в статье про диод мы рассматривал, что будет на выходе диода, если подать на него переменный ток. Для этого мы даже собирали вот такую схему, где G – это синусоидальный генератор. С клемм X1 и X2 уже снимали сигнал.

Мы на диод подавали переменное напряжение.

А на выходе после диода получали уже вот такой сигнал.

То есть у нас получилось вот так.

Да, мы получили постоянный ток из переменного, но стоило ли это того? В этом случае у нас получился постоянный пульсирующий ток, где половина мощности сигнала была вообще вырезана.

Как работает диодный мост в теории

Как вы знаете, переменный ток меняет свое направление несколько раз в секунду. Поэтому, его можно разбить на положительные полуволны и отрицательные полуволны. Положительные полуволны я пометил красным, а отрицательные – синим.

Для того, чтобы диодный мост работал, ему нужна какая-либо нагрузка. Пусть это будет резистор. Следовательно, когда на диодный мост приходит положительная полуволна, протекание тока через него будет выглядеть вот так.

Как вы видите, при положительной полуволне не задействованы диоды, которые я показал штриховой линией.

После положительной полуволны приходит отрицательная полуволна, и в этом случае протекание тока в диодном мосте выглядит так.

В этом случае, диоды, которые работали при положительной полуволне, при отрицательной полуволне они отдыхают). Эстафету принимает на себя другая пара диодов. Можно даже сказать, что в диодном мосте они работают попарно. Одна пара диодов работает на положительную полуволну, а другая пара – на отрицательную.

Обратите внимание на нагрузку. На нее всегда приходит одна и та же полярность тока при любом стечении обстоятельств.

Работа диодного моста на практике

Давайте и мы посмотрим, что получается на выходе диодного моста, если подать на него переменное напряжение. Для этого возьмем 4 простых кремниевых диода и соединим их в диодный мост. Важно, чтобы диоды были одной марки.

На вход диодного моста будем подавать переменное напряжение, и посмотрим, что у нас получается на выходе.

Итак, на вход я подаю вот такой сигнал.

 

На выходе получаю постоянное пульсирующее напряжение.

Здесь мы видим, что отрицательная полуволна в диодном мосте не срезается, а превращается в положительную. Мощность сигнала при этом не теряется, так как отрицательная полуволна просто инвертируется в положительную полуволну. Ну разве не чудо?

Наблюдательный читатель также может заметить, что амплитуда сигнала чуть-чуть просела. Если мы на вход подавали синусоидальный сигнал с амплитудой в 6 Вольт, то на выходе диодного моста имеем чуть меньше 6 Вольт, а точнее где-то 4,8 Вольта. Почему так произошло? Дело все в том, что на кремниевом диоде падает напряжение 0,6-0,7 Вольт. Так как переменное напряжение проходит через 2 диода при каждой полуволне, то на каждом диоде падает по 0,6 Вольт. 2×0,6=1,2 Вольта. 6-1,2=4,8 Вольта.

Теперь можно с гордостью нарисовать рисунок.

Виды диодных мостов

Примерно так выглядит импортный и советский диодные мосты.

 

Например, на советском показаны контакты, на которые надо подавать переменное напряжение значком ” ~ “, а контакты, с которых сниамем постоянное пульсирующее напряжение значком “+” и “-“.

Существует множество видов диодных мостов в разных корпусах.

Есть даже диодный мост для трехфазного напряжения.

Как вы могли заметить, такой трехфазный выпрямитель имеет пять выводов. Три вывода на фазы, а два другие – на постоянное напряжение.

Он собирается по так называемой схеме Ларионова и состоит из 6 диодов.

В основном трехфазные мосты используются в силовой электронике.

Характеристики диодного моста

Как мы уже с вами разобрали, в электронике встречаются диодные мосты в разных корпусах и имеют разные габариты.

Почему так? Дело в том, что каждый диодный мост обладает какими-то своими характеристиками, о которых мы и поговорим в этой главе.

Чтобы далеко не ходить, давайте рассмотрим диодный мост GBU6K и рассмотрим на его примере, как читать характеристики.

Для того, чтобы понять, что это за фрукт и с чем его едят, надо скачать на него техническое описание (даташит). Вот ссылка на этот диодный мост. Ниже рассмотрим основные характеристики диодного моста, которых будет достаточно для рядового электронщика.

Распиновка и корпус

Итак, на главной странице мы видим распиновку выводов. Распиновка – это какие выводы за что отвечают и как правильно их соединять с внешней цепью.

Как вы видите, на средний выводы подаем переменное напряжение, а с крайних выводов снимаем постоянное напряжение. Также на рисунке показано, как соединяются диоды в этом диодном мосте. Нам эта информация еще очень пригодится.

Чуть ниже мы видим вот такую табличку, которая показывает нам самые главные первичные характеристики.

Package – тип корпуса. Корпуса GBU выглядят вот так.

Максимальный ток

Итак, с этим разобрались. Далее следующий параметр. I_F(AV) – максимальный ток, который может “протащить” через себя этот диодный мост. В даташите есть таблички и графики, какие условия должны соблюдаться, чтобы мост смог протащить через себя этот ток без вреда для своего здоровья.

Поэтому, диодные мосты в больших металлических корпусах способны “протащить” через себя очень большую силу тока. Если же маленький диодный мост вставить в какой-нибудь мощный блок питания, то скорее всего он просто-напросто сгорит.

В промышленности в силовой электронике стараются использовать диодные моста большой мощности, например, вот такой диодный мост может “протащить” через себя силу тока в 50 Ампер.

 

Максимальное пиковое обратное напряжение

Грубо говоря, это обратное напряжение диода. Если его превысить, то произойдет пробой и диоду, а следовательно и диодному мосту, придет “кирдык”. Этому параметру также следует уделять внимание, когда вы будете выпрямлять сетевое напряжение. Если вы будете подавать на диодный мост 220 Вольт, то его пиковое значение будет составлять 310 Вольт (220 × √2). Так как у меня диодный мост GBU6K, то надо смотреть табличку ниже. Как вы видите, пиковое обратное напряжение диодов составляет 800 Вольт. Значит, такой диодный мост вполне подойдет для выпрямления сетевого напряжения.

 

Как проверить диодный мост

1-ый способ.

Как вы теперь знаете, однофазный диодный мост состоит из 4 диодов. Для того, чтобы узнать их расположение, мы должны скачать даташит на данный диод и посмотреть, как расположены диоды в данном диодном мосте. Например, для моего моста GBU6K диоды расположены вот так.

То есть все, что мне надо сделать – это просто прозвонить каждый диод с помощью мультиметра. Как это сделать, я писал еще в этой статье.

Второй способ.

Он же 100%. Но для этого потребуется осциллограф, ЛАТР или понижающий трансформатор, а также резистор, желательно 5-10 КОм. После того, как мы нашли его расположение выводов, на “+” и “-”  припаиваем резистор 5-10 КОм. С этих же выводов снимаем осциллограмму.

То есть все должно выглядеть вот так.

 

 

Смотрим осциллограмму

Значит, диодный мост исправен.

Диодный мост генератора

Диодный мост генератора в автомобилях выпрямляет переменное напряжение, которое поступает от обмоток статора генератора. То есть грубо говоря, без диодного моста получается трехфазный мини-генератор.

Диодный мост генератора ВАЗ 2110

В этой статье будем рассматривать диодный мост от генератора ВАЗ 2110.

Он сделан по схеме Ларионова с некоторым дополнением в виде 3 дополнительных диодов.

Как проверить диодный мост генератора

Для проверки диодного моста генератора есть два способа.

Проверка с помощью лампы накаливания

Этот способ считается самым простым, и все его могут применить, так как под рукой всегда найдется аккумулятор и лампа на 12 В. Иначе откуда у вас автомобильный генератор?)

Предварительно лучше запаять или прикрепить к лампе два провода, чтобы было проще производить проверку. Итак, собираем наш прибор для проверки диодного моста генератора из лампы и аккумулятора вот по такой схеме.

Далее, все что нам надо сделать – это просто проверить каждый диод. Итак, вспоминаем, что диод в одном направлении проводит электрический ток, а в другом нет. Получается, нам надо в каждый диод “тыкнуться” два раза, чтобы узнать исправен ли он. Так мы и сделаем.

Вместо аккумулятора у меня будет лабораторный блок питания на 12 Вольт, что в принципе не играет никакой роли. Мой “прибор” для проверки диодов выглядит вот так.

Красные крокодил – это плюс от аккумулятора, в моем случае – от блока питания, а черный – это минус.

Поехали! У нас имеется 9 диодов. Начнем, пожалуй, с больших диодов-таблеток, которые вмонтированы в металлические пластины. Цепляюсь одним выводом-крокодилом к пластине, на которой вмонтирован один конец диода

 

а другим выводом, который идет от лампы накаливания касаюсь другого вывода диода и вуаля! Лампа зажглась!

Теперь надо обязательно поменять выводы наших проводов с самопального прибора местами и снова повторить это действие.

Как вы видите, наша лампа не горит, и это замечательно! Потому что мы сейчас только что убедились в том, что наш диод абсолютно здоров и готов выполнять свою задачу на 100%.

Таким же образом проверяем все диоды таблетки.

Маленькие черные диоды проверяются точь-в-точь таким же способом.

Меняем выводы и убеждаемся, что диод рабочий.

Правила:

1) Если лампочка не горит ни так ни сяк, значит диод неисправен.

2) Если лампочка горит и так и сяк, значит диод тоже неисправен.

3) Если лампочка горит, а при смене щупов не горит, значит диод исправен.

Проверка с помощью мультиметра

Не у всех есть такой замечательный прибор, как мультиметр, но он должен быть у каждого уважающего себя электрика и электронщика.

В каждом хорошем мультиметре есть функция прозвонки диодов. Как я уже говорил, наш автомобильный диодный мост будет исправен, если все его диоды будут исправны.

Берем в руки мультиметр и ставим его в режим прозвонки диодов.

И начинаем проверять все диоды друг за другом на исправность. В одном направлении диод должен показать значение от 0,4 и до 0,7 Вольт. В нашем случае 0,552 Вольта, что вполне приемлемо.

Далее меняем щупы местами и видим, что мультиметр показывает нам OL, что говорит нам о том, что превышен предел измерения. Значит, диод жив и здоров).

Таким же образом проверяем все оставшиеся диоды.

Похожие статьи по теме “диодный мост”

Автомобильное зарядное устройство

Как получить постоянное напряжение из переменного

Как проверить диод и светодиод мультиметром

Простой блок питания

 

Прекращаем ставить диод 2 / Хабр

Несколько лет назад мною была опубликована статья под аналогичным заголовком. Если кратко, то в ней я рассказал о процессе разработки с нуля устройства, выполняющего функции «идеального диода» для предотвращения разряда буферного аккумулятора на обесточенный блок питания.

Устройство получилось относительно сложным, хотя и довольно экономичным (ток потребления при использовании современной версии компаратора LM393 получился около 0.5 mA). Читатели обратили внимание на эту сложность и в комментариях предложили другой вариант «идеального диода», который выглядит на порядок более простым. К своему стыду, на тот момент я не был знаком с такой схемой, поэтому решил при удобном случае разобраться с ней подробнее. После серии экспериментов, которые начались с компьютерной симуляции, а закончились макетной платой, было выяснено, что при своей кажущейся простоте, эта схема очень нетривиальна как с позиции понимания всех протекающих в ней процессов, так и с точки зрения подводных камней, которые она в себе таит.

В общем, предлагаю вашему вниманию другой вариант реализации «идеального диода» с подробным описанием его особенностей.

Канонический вариант, предложенный в комментариях, имеет такой вид:

Всего четыре (или пять, смотря как считать) деталей и «идеальный диод» готов. Вроде бы все очень просто. Однако первое, что бросается в глаза, это использование сборки вместо обычных дискретных транзисторов. Может показаться, что это прихоть автора данного конкретного исполнения. Однако после изучения других вариантов обнаруживается, что такой подход используется почти во всех схемах, которые можно найти в сети. Тут мы и подходим к разбору принципа действия этой схемы.
Для понимания принципа начинать лучше с момента, когда все переходные процессы уже завершены, и нагрузка потребляет некоторый ток от блока питания. Этот ток течет через ключ и из-за ненулевого сопротивления канала, напряжение в точке 1 немного больше, чем в точке 2. В этом случае ток из точки 1 через эмиттерный переход T1 попадает в цепь баз обоих транзисторов, а затем через R1 стекает на «землю». В результате на базах транзисторов устанавливается напряжение, равное напряжению открытия эмиттерного pn-перехода. Но из-за того, что эмиттер T2 находится под более низким потенциалом, чем эмиттер T1, ток через его базу почти не течет потому что напряжение между его эмиттером и базой меньше, чем необходимо для открытия перехода. А раз базового тока нет, то T2 закрыт, сопротивление эмиттер-коллектор высокое, затвор силового ключа заземлен через R2, что создает условия для его открытия. Как итог, ток течет из точки 1 в точку 2 через открытый канал силового ключа (а не просто через технологический диод) и падение напряжения на этом участке измеряется милливольтами.

При обесточивании блока питания напряжение в точке 1 очень быстро станет ниже, чем в точке 2. При этом ток прекратит течение через эмиттерный переход T1 и вместо этого начнет протекать через эмиттерный переход T2, открывая его. В итоге сопротивление эмиттер-коллектор транзистора T2 сильно уменьшится, затвор силового ключа окажется соединенным с истоком, и канал будет закрыт.

Исходя из вышесказанного, необходимым условием работы схемы является тождественность транзисторов T1 и T2. Особенно это касается напряжения открытия эмиттерных переходов. Оно, во-первых, должно совпадать с точностью не хуже единиц милливольт, а во-вторых, любые его колебания под действием температурного фактора должны быть синхронными для обоих транзисторов.

Именно поэтому использование дискретных транзисторов в этой схеме недопустимо. Только изготовленная в рамках единого технологического цикла пара может считаться достаточно тождественной. А их размещение на общей подложке гарантирует необходимую температурную связь.

И уж тем более лишен смысла вариант схемы, который тоже можно найти на просторах интернета, где вместо одного из транзисторов используется диод.

Такая схема при определенном везении заработает, но ни о какой надежности работы тут речи просто не идет.

Кстати, некоторые авторы идут дальше, и кроме транзисторной сборки используют так же и резисторную (либо дискретные резисторы с допуском 1% или лучше), мотивируя это необходимостью дальнейшего соблюдения симметрии схемы. На самом деле резисторы совершенно не нуждаются в точном подборе, но об этом ниже.

Приведенное выше объяснения принципа действия является сильно упрощенным, оно дает краткий ответ на вопрос «как работает», но не дает понимания глубинных процессов, происходящих в схеме, и, в частности, никак не обосновывает выбор номиналов элементов.

Так что, если кому интересны подробности, то читаем дальше, а кому достаточно практической схемы, просто скрольте до последнего изображения статьи.

Для наглядности давайте сначала перевернем схему, заменим PNP-транзисторы более привычными NPN, и, наконец, немного усложним, чтобы было понятно, откуда вообще взялся конечный вариант.

Итак, что мы тут видим? Два простых усилительных каскада по схеме ОЭ и общая цепь смещения через резистор Rs. Если транзисторы одинаковые, то ток, текущий через резистор смещения, поровну разделится между базами обоих транзисторов и приоткроет их на одинаковую величину. В результате через коллекторные нагрузочные резисторы потекут одинаковые токи, и выходные напряжения в точках OUT1 и OUT2 будут тоже равны.

Теперь вернемся к нашим баранам и вспомним, что эмиттеры транзисторов не соединены вместе, напротив, между ними может возникать разность потенциалов, равная падению напряжения на открытом канале силового ключа. Учитывая величину сопротивления канала, разность напряжений между эмиттерами может составлять от единиц до сотен милливольт. Вот как это выглядит на нашей схеме.

В результате смещения эмиттер T2 оказывается немного «выше над землей», чем эмиттер T1, а значит напряжение Ube2 будет ниже, чем Ube1. Теперь вспомним, как выглядит ВАХ эмиттерного pn-перехода.
Если рабочая точка находится в области максимального наклона характеристики, то даже незначительное изменение приложенного напряжения ведет к очень сильному изменению протекающего тока, т.е. чем ниже прямое напряжение, тем больше эквивалентное сопротивление перехода.

Снова посмотрим на схему. Напряжение на эмиттерном переходе T2 уменьшилось, его эквивалентное сопротивление увеличилось, а значит ток смещения, текущий через Rs уже не разделяется симметрично между базами транзисторов, а течет преимущественно через эмиттерный переход T1. От этого T1 открывается, а T2, соответственно, закрывается на ту же величину. Распределение токов теряет симметрию и схему как-бы «перекашивает». Причем абсолютная величина перекоса равна коэффициенту передачи тока транзисторов (не суммарно, а каждого в отдельности, при условии, что транзисторы одинаковые).

Если мы перевернем разность потенциалов эмиттеров на обратную, схему аналогично перекосит в противоположную сторону: чем больше коллекторный ток у одного транзистора, тем меньше у второго и наоборот. В итоге имеем «обратное» токовое зеркало, где под влиянием одного входного сигнала происходит симметрично-противоположное изменение токов в плечах схемы.

Классическое «прямое» токовое зеркало (как те, что входят в состав операционных усилителей и компараторов) отличается тем, что в нем наоборот под влиянием двух однополярных входных величин в противоположные стороны изменяется ток одного транзистора.

Идем дальше. Полученная схема дает нам понятие о ролях резисторов. Коллекторные резисторы R1 и R2 являются нагрузкой транзисторов. Их роль – питание тех цепей, которые подключаются к нашей схеме, как к источнику управляющего сигнала. А значит, их сопротивление должно быть таким, чтобы протекающего через них тока было достаточно для активации входных цепей нагрузки. В данном конкретном случае нагрузкой является затвор MOS-транзистора, который имеет входное сопротивление многие мегаомы.

В даташитах обычно указывается не входное сопротивление, а ток утечки затвора при заданном напряжении. Из этого тока можно определить оммическое сопротивление изоляции затвора и защитных диодов. Например, для транзистора IRF5305 заявлен ток утечки не более 100 нано-ампер при напряжении 20 вольт. Простой подсчет дает нам величину входного сопротивления по меньшей мере 200 МОм.

При таком входном сопротивлении потребителя можно было бы использовать очень высокоомные нагрузочные резисторы, уменьшив таким образом собственное потребление транзисторов до наноамперного уровня. Однако лучше не «шиковать» слишком сильно, потому что высокоимпедансные цепи становятся чувствительными к разнообразным наводкам. А кроме того, при субмикроамперных коллекторных токах падает коэффициент усиления биполярного транзистора. Наиболее уместным сопротивлением нагрузок в данном случае можно считать сотни кОм. Это оптимальное сопротивление с точки зрения надежности, и при этом достаточно высокое с позиции экономичности.

С коллекторными резисторами разобрались. Теперь перейдем к резистору смещения Rs. Что зависит от его сопротивления? От него зависят начальные токи коллекторов, то есть токи полностью сбалансированной схемы. Причем эти токи зависят и от выбранных ранее номиналов нагрузочных резисторов, и от коэффициента усиления транзисторов. Так какое же значение этого сопротивления все-таки будет оптимальным? А такое, при котором режимы транзисторов окажутся в точках наименьшей устойчивости.

Ведь чем проще схема поддается влиянию дисбалансирующих факторов, тем выше получается ее чувствительность ко входному сигналу. Именно поэтому в отсутствие входного сигнала транзисторы не должны быть полностью открытыми или полностью закрытыми, они должны быть в промежуточном состоянии.

Тут уместна аналогия с простейшими качелями-балансирами. Если такие качели находится в равновесии, то вывести их из этого состояния проще всего: легкий толчок, и они наклоняются в нужную сторону. А вот если они уже перекошены грузом на одном из плечей, выведение из такого устойчивого состояния требует значительных усилий.

Поэтому наилучшим сопротивлением Rs является такое, при котором напряжения на коллекторах транзисторов примерно равны половине питающего напряжения. Это условие не нужно воспринимать буквально и подбирать сопротивление до ома. Более того, для уменьшения рабочих токов вполне допустимо сознательно увеличить Rs так, чтобы напряжения на коллекторах было примерно на 5 вольт ниже питающего. Это оставит достаточный запас для надежного управления силовым ключом, но при этом до минимума уменьшит токи во всех цепях, а значит и потребление схемы.

Для управления современным силовым MOSFET-том на его затвор нужно подавать напряжение, не менее того, что заявлено в строке «Gate threshold voltage» даташита. Для типичного современного транзистора это напряжение равно 3-4 вольта, отсюда и выбранное значение 5 вольт, которого гарантировано хватит чтобы полностью открыть транзистор при минимальном входном сигнале.

Что касается конкретного номинала Rs, то натурный эксперимент показал, что, например, для сборки BC807DS его сопротивление должно быть примерно 5 MОм. Для других транзисторов эта величина может отличаться, но есть еще один фактор, который играет нам на руку и уменьшает необходимость в тонком подборе сопротивлений.

Дело в том, что в реальной схеме, когда через силовой ключ начнет идти ток, выводящий схему из равновесия, напряжение на затворе начнет изменяться, а значит, начнет изменяться и сопротивление канала. И вот эта обратная связь носит усиливающий характер, когда падение напряжения на канале приводит к дисбалансу схемы, от чего изменяется напряжение на затворе так, что сопротивление канала меняется еще сильнее, что ведет к еще большему перекосу. И так продолжается до достижения крайнего положения, в котором силовой ключ больше не реагирует изменением сопротивления канала на изменение напряжения затвора. Однако, если коэффициент усиления транзистора достаточно большой, то процесс идет дальше, вплоть до достижения напряжения питания или нуля (в зависимости от соотношения напряжений в точках 1 и 2).

Таким образом, реальная схема, которую можно нарисовать с учетом сказанного выше, может иметь такой вид:

И в таком виде она действительно изредка встречается на сайтах, посвященных электронике. Однако начинали мы с другой вполне рабочей схемы, которая и проще и встречается гораздо чаще. Что отличает эти два варианта? Давайте снова на короткое время вернемся к прототипу, с которого начинали подробный разбор.
Что в этой схеме лишнее? По той причине, что управляющее напряжение для затвора силового ключа мы снимаем с коллектора одного из транзисторов (точка OUT2), напряжение на коллекторе второго (OUT1) нас совершенно не волнует. А по той причине, что наличие или отсутствие малого коллекторного тока весьма слабо сказывается на вольт-амперной характеристике эмиттерного перехода, нагрузочный резистор R1 спокойно можно удалить из схемы. А чтобы коллекторный вывод T1 не болтался воздухе и не собирал наводки, его лучше соединить с базой T1 (хотя делать это не обязательно, схема отлично работает и с оборванным выводом коллектора).
Итоговая схема принимает до боли знакомый вид:
Причем я специально сохранил расположение резисторов как в прототипе, чтобы подчеркнуть тот факт, что резисторы эти выполняют совершенно разные функции. Это не очевидно на исходной схеме, зато хорошо видно здесь, особенно после всех объяснений и выкладок. Левый резистор – это резистор смещения Rs, а правый – нагрузочный резистор R2 из схемы прототипа. Они не то что не должны быть совершенно одинаковыми (как думают некоторые авторы), их номиналы вообще взаимосвязаны очень косвенно и в общем случае не обязаны даже иметь общий порядок.

Именно поэтому нет никакой надобности использовать в этом месте резисторную сборку или дискретные резисторы малого допуска.

А еще из этой схемы следует, что питание устройство получает из точки 2, а точка 1 – просто источник входного сигнала. Таким образом, когда напряжение присутствует только в точке 2, питание подается непосредственно, а если только в точке 1, то сначала запитка происходит через технологический диод силового транзистора, а затем, когда схема проснется и начнет работать, уже через открытый канал.

С принципом действия и номиналами разобрались, результат на схеме:
Именно в таком виде схему массово рекомендуют на разных форумах, но есть пара нюансов, которые сильно ограничивают ее практическое применение. Первая проблема заключается в одном параметре биполярных транзисторов, о котором не принято вспоминать в большинстве практических применений. Вот он:
Оказывается, что максимальное обратное напряжение эмиттерного перехода большинства маломощных транзисторов составляет единицы вольт, и вот чем это грозит нашей схеме. Если напряжение есть только в точке 2, а точка 1 через небольшое сопротивление соединена с землей (как раз так себя ведет обесточенный блок питания), то ток из точки 2 через прямосмещенный эмиттерный переход T2 попадает на обратносмещенный эмиттерный переход T1, за которым уже почти земля. То есть почти все напряжение точки 2 оказывается приложено к эмиттерному переходу T1.
И вот тут и происходит самое интересное. Если напряжение в точке 2 выше предельно допустимого, то эмиттерный переход T1 входит в режим лавинного пробоя, и при достаточно малом значении RL, транзистор просто выходит из строя.

Таким образом, надежная эксплуатация этой схемы возможна только при рабочих напряжениях не выше, чем то, что заявлено в даташите на выбранный транзистор, т.е. на практике это не более 5-8 вольт. Даже 12-вольтовый источник формально уже не может быть подключен к такой схеме.

Тут кстати, интересный факт. Я перепробовал несколько сборок разного типа, у которых заявлено максимальное напряжение эмиттерного перехода от 5 до 8 вольт, и все они показали напряжение лавинного пробоя аж 12-13 вольт. Однако не стоит на это рассчитывать в практических схемах, не зря же говорят, что спецификации пишутся дымом сгоревших компонентов.

Если нужно коммутировать относительно высокое напряжение, то транзистор T1 нуждается в защите. Проще всего это сделать, просто внеся дополнительное сопротивление, которое ограничит обратный ток через переход.
Этот резистор внесет некоторый дисбаланс в схему, однако по той причине, что его сопротивление довольно мало по сравнению с сопротивлением резистора смещения, влияние будет минимальным и на практике не ощутимым. Кроме того, через этот резистор потечет небольшой ток утечки из точки 2 в точку 1, который сделает наш диод не таким идеальным, как хотелось бы. Но тут приходится идти на некоторый компромисс.

Некоторые авторы (те немногие, которые осознали саму необходимость защиты) предлагают дополнительно оградить эмиттерный переход при помощи прямо включенного диода.

Этот диод позволяет вообще не достигать порогового значения напряжения, ограничив его величиной прямого падения, то есть менее одного вольта.

Однако по моему скромному мнению, скрипач диод не нужен. Дело в том, что лавиный пробой для любого pn-перехода является совершенно нормальным режимом работы и с ним не нужно бороться.

Старая поговорка гласит: убивает не напряжение, убивает ток. И это относится не только к случаю поражению человека электрическим током. С диодами и транзисторами ситуация аналогичная. Лавинный пробой сам по себе полностью обратим и штатным образом используется, например, в стабилитронах. А дурная слава закрепилась за ним из-за того, что в силовых схемах это явление как правило сопровождается неконтролируемым ростом тока, протекающего через переход, сильным нагревом, и следующим за ним уже необратимым тепловым пробоем.

Если схему планируется использовать при напряжениях около 12 вольт, то все можно оставить как есть и наслаждаться. Но ситуации в жизни бывают разные и рано или поздно напряжение может оказаться и выше, например 24-27 вольт, как в бортовой сети больших автомобилей.

И вот тут всплывает еще одно ограничение, о котором тоже не часто приходится вспоминать при проектировании маловольтажных схем. Дело в том, что затвор MOSFET отделен от канала тончайшей оксидной пленкой. Ее толщина определяет передаточные свойства транзистора и на практике составляет единицы атомов оксида кремния. Естественно, что электрическая прочность такого тонкого диэлектрика оказывается весьма невысокой. Заглянем в даташит типового мощного «полевика».

Тут мы видим, что предельное напряжение завтора – 20 вольт. А теперь снова посмотрим на конечную схему нашего устройства и подумаем, что будет, когда транзистор T2 окажется полностью закрыт. В этом случае затвор полевого транзистора через R2 окажется заземлен. А так как сопротивление затвора, как мы выяснили выше, имеет порядок сотен мегаом, потенциалы распределятся так, что почти все напряжение питания будет приложено к изоляции затвора.

При питании напряжением выше 20 вольт получаем риск пробоя затвора силового ключа. Чтобы этого не произошло, нужно как-то ограничить напряжение между истоком и затвором до допустимой величины. Проще всего сделать это при помощи стабилитрона, шунтирующего выводы истока и затвора.

В этом случае даже если транзистор T2 окажется полностью закрыт, излишний ток возьмет на себя стабилитрон, и напряжение на затворе ограничится напряжением стабилизации D1. Именно поэтому напряжение стабилизации должно быть в диапазоне от параметра «Gate Threshold Voltage» до «Gate-to-Source Voltage», с небольшими отступами, конечно же.

В принципе, в некоторых даташитах в составе силового MOS-транзистора рисуют встречно-последовательную пару стабилитронов между затвором и истоком, которая, надо полагать, как раз и предназначена для ограничения напряжения на затворе. Так что тут каждый пусть решает сам, доверять судьбу транзистора встроенной защитной цепи, или же подстраховаться собственными силами.

Полученное тут устройство отлично выполняет свои функции «идеального диода», обеспечивая прямое сопротивление, полностью соответствующее выбранному силовому «полевику», обратное сопротивление более 100 кОм, и собственное потребление при напряжении 25 вольт не более 150 мкА.

Прекращаем ставить диод / Хабр

Нет, это не очередной «вечняк»

После прочтения статьи о защите электрических схем от неправильной полярности питания при помощи полевого транзистора, я вспомнил о том, что давно имею не решенную проблему автоматического отключения аккумулятора от зарядного устройства при обесточивании последнего. И стало мне любопытно, нельзя ли применить подобный подход в другом случае, где тоже испокон века в качестве запорного элемента использовался диод.

Эта статья является типичным гайдом по велосипедостроению, т.к. рассказывает о разработке схемы, функционал которой уже давно реализован в миллионах готовых устройств. Поэтому просьба не относится к данному материалу, как к чему-то совсем утилитарному. Скорее это просто история о том, как рождается электронное устройство: от осознания необходимости до работающего прототипа через все препятствия.

Зачем все это?

При резервировании низковольтного источника питания постоянного тока самый простой путь включения свинцово-кислотного аккумулятора – это в качестве буфера, просто параллельно сетевому источнику, как это делалось в автомобилях до появления у них сложных «мозгов». Аккумулятор хоть и работает в не самом оптимальном режиме, но всегда заряжен и не требует какой-либо силовой коммутации при отключении или включении сетевого напряжения на входе БП. Далее более подробно о некоторых проблемах такого включения и попытке их решить.

История вопроса

Еще каких-то 20 лет назад подобный вопрос не стоял на повестке дня. Причиной тому была схемотехника типичного сетевого блока питания (или зарядного устройства), которая препятствовала разряду аккумулятора на его выходные цепи при отключении сетевого напряжения. Посмотрим простейшую схему блока с однополупериодным выпрямлением:

Совершенно очевидно, что тот же самый диод, который выпрямляет переменное напряжение сетевой обмотки, будет препятствовать и разряду аккумулятора на вторичную обмотку трансформатора при отключении питающего напряжения сети. Двухполупериодная мостовая схема выпрямителя, несмотря на несколько меньшую очевидность, обладает точно такими же свойствами. И даже использование параметрического стабилизатора напряжения с усилителем тока (такого, как широко распространенная микросхема 7812 и ее аналоги), не меняет ситуацию:

Действительно, если посмотреть на упрощенную схему такого стабилизатора, становится понятно, что эмиттерный переход выходного транзистора исполняет роль все того же запорного диода, который закрывается при пропадании напряжения на выходе выпрямителя, и сохраняет заряд аккумулятора в целости и сохранности.

Однако в последние годы все изменилось. На смену трансформаторным блокам питания с параметрической стабилизацией пришли более компактные и дешевые импульсные AC/DC-преобразователи напряжения, которые обладают гораздо более высоким КПД и соотношением мощность/вес. Вот только при всех достоинствах, у этих источников питания обнаружился один недостаток: их выходные цепи имеют гораздо более сложную схемотехнику, которая обычно никак не предусматривает защиту от обратного затекания тока из вторичной цепи. В результате, при использовании такого источника в системе вида “БП -> буферный аккумулятор -> нагрузка”, при отключении сетевого напряжения аккумулятор начинает интенсивно разряжаться на выходные цепи БП.

Простейший путь (диод)

Простейшее решение состоит в использовании диода с барьером Шоттки, включенного в разрыв положительного провода, соединяющего БП и аккумулятор:

Однако основные проблемы такого решения уже озвучены в упомянутой выше статье. Кроме того, такой подход может быть неприемлемым по той причине, что для работы в буферном режиме 12-вольтовому свинцово-кислотному аккумулятору нужно напряжение не менее 13.6 вольт. А падающие на диоде почти пол вольта могут сделать это напряжение банально недостижимым в сочетании с имеющимся блоком питания (как раз мой случай).

Все это заставляет искать альтернативные пути автоматической коммутации, которая должна обладать следующими свойствами:

1. Малое прямое падение напряжения во включенном состоянии.
2. Способность без существенного нагрева выдерживать во включенном состоянии прямой ток, потребляемый от блока питания нагрузкой и буферным аккумулятором.
3. Высокое обратное падение напряжения и низкое собственное потребление в выключенном состоянии.
4. Нормально выключенное состояние, чтобы при подключении заряженного аккумулятора к изначально обесточенной системе не начинался его разряд.
5. Автоматический переход во включенное состояние при подаче напряжения сети вне зависимости от наличия и уровня заряда аккумулятора.
6. Максимально быстрый автоматический переход в выключенное состояние при пропадании напряжения сети.

Если бы диод являлся идеальным прибором, то он без проблем выполнил все эти условия, однако суровая реальность ставит под сомнение пункты 1 и 2.

Наивное решение (реле постоянного тока)

При анализе требований, любому, кто хоть немного «в теме», придет мысль использовать для этой цели электромагнитное реле, которое способно физически замыкать контакты при помощи магнитного поля, создаваемого управляющим током в обмотке. И, наверное, он даже набросает на салфетке что-то типа этого:

В этой схеме нормально разомкнутые контакты реле замыкаются только при прохождении тока через обмотку, подключенную к выходу блока питания. Однако если пройтись по списку требований, то окажется, что эта схема не соответствует пункту 6. Ведь если контакты реле были однажды замкнуты, пропадание напряжения сети не приведет к их размыканию по той причине, что обмотка (а с ней и вся выходная цепь БП) остается подключенной к аккумулятору через эти же контакты! Налицо типичный случай положительной обратной связи, когда управляющая цепь имеет непосредственную связь с исполнительной, и в итоге система приобретает свойства бистабильного триггера.

Таким образом, подобный наивный подход не является решением проблемы. Более того, если проанализировать сложившуюся ситуацию логически, то легко можно прийти к выводу, что в промежутке “БП -> буферный аккумулятор” в идеальных условиях никакое другое решение кроме вентиля, проводящего ток в одном направлении, быть просто не может. Действительно, если мы не будем использовать какой-либо внешний управляющий сигнал, то что бы мы не делали в этой точке схемы, любой наш коммутирующий элемент, однажды включившись, сделает неотличимым электричество, создаваемое аккумулятором, от электричества, создаваемого блоком питания.

Окольный путь (реле переменного тока)

После осознания всех проблем предыдущего пункта, «шарящему» человеку обычно приходит в голову новая идея использования в качестве односторонне проводящего вентиля самого блока питания. А почему бы и нет? Ведь если БП не является обратимым устройством, и подведенное к его выходу напряжение аккумулятора не создает на входе переменного напряжения 220 вольт (как это и бывает в 100% случаев реальных схем), то эту разницу можно использовать в качестве управляющего сигнала для коммутирующего элемента:

Бинго! Выполняются все пункты требований и единственное, что для этого нужно – это реле, способное замыкать контакты при подаче на него сетевого напряжения. Это может быть специальное реле переменного тока, рассчитанное на сетевое напряжение. Или обычное реле со своими мини-БП (тут достаточно любой беcтрансформаторной понижающей схемы с простейшим выпрямителем).

Можно было бы праздновать победу, но мне это решение не понравилось. Во-первых, нужно подключать что-то непосредственно к сети, что не есть гуд с точки зрения безопасности. Во-вторых, тем, что коммутировать это реле должно значительные токи, вероятно, до десятков ампер, а это делает всю конструкцию не такой тривиальной и компактной, как могло показаться изначально. Ну и в-третьих, а как же такой удобный полевой транзистор?

Первое решение (полевой транзистор + измеритель напряжения аккумулятора)

Поиски более элегантного решения проблемы привели меня к осознанию того факта, что аккумулятор, работающий в буферном режиме при напряжении около 13.8 вольта, без внешней «подпитки» быстро теряет исходное напряжение даже в отсутствии нагрузки. Если же он начнет разряжаться на БП, то за первую минуту времени он теряет не менее 0.1 вольта, чего более чем достаточно для надежной фиксации простейшим компаратором. В общем, идея такова: затвором коммутирующего полевого транзистора управляет компаратор. Один из входов компаратора подключен к источнику стабильного напряжения. Второй вход подключен к делителю напряжения блока питания. Причем коэффициент деления подобран так, чтобы напряжение на выходе делителя при включенном БП было примерно на 0.1..0.2 вольта выше, чем напряжение стабилизированного источника. В результате, при включенном БП напряжение с делителя всегда будет преобладать, а вот при обесточивании сети, по мере падения напряжения аккумулятора, оно будет уменьшаться пропорционально этому падению. Через некоторое время напряжение на выходе делителя окажется меньше напряжения стабилизатора и компаратор при помощи полевого транзистора разорвет цепь.

Примерная схема такого устройства:

Как видно, к источнику стабильного напряжения подключен прямой вход компаратора. Напряжение этого источника, в принципе, не важно, главное, чтобы оно было в пределах допустимых входных напряжений компаратора, однако удобно, когда оно составляет примерно половину напряжения аккумулятора, то есть около 6 вольт. Инверсный вход компаратора подключен к делителю напряжения БП, а выход – к затвору коммутирующего транзистора. Когда напряжение на инверсном входе превышает таковое на прямом, выход компаратора соединяет затвор полевого транзистора с землей, в результате чего транзистор открывается и замыкает цепь. После обесточивания сети, через некоторое время напряжение аккумулятора понижается, вместе с ним падает напряжение на инверсном входе компаратора, и когда оно оказывается ниже уровня на прямом входе, компаратор «отрывает» затвор транзистора от земли и тем самым разрывает цепь. В дальнейшем, когда блок питания снова «оживет», напряжение на инверсном входе мгновенно повысится до нормального уровня и транзистор снова откроется.

Для практической реализации данной схемы была использована имеющаяся у меня микросхема LM393. Это очень дешевый (менее десяти центов в рознице), но при этом экономичный и обладающий довольно неплохими характеристиками сдвоенный компаратор. Он допускает питание напряжением до 36 вольт, имеет коэффициент передачи не менее 50 V/mV, а его входы отличаются довольно высоким импедансом. В качестве коммутирующего транзистора был взят первый из доступных в продаже мощных P-канальных MOSFET-ов FDD6685. После нескольких экспериментов была выведена такая практическая схема коммутатора:

В ней абстрактный источник стабильного напряжения заменен на вполне реальный параметрический стабилизатор из резистора R2 и стабилитрона D1, а делитель выполнен на основе подстроечного резистора R1, позволяющего подогнать коэффициент деления под нужное значение. Так как входы компаратора имеют весьма значительный импеданс, величина гасящего сопротивления в стабилизаторе может составлять более сотни кОм, что позволяет минимизировать ток утечки, а значит и общее потребление устройства. Номинал подстроечного резистора вообще не критичен и без каких-либо последствий для работоспособности схемы может быть выбран в диапазоне от десяти до нескольких сотен кОм. Из-за того, что выходная цепь компаратора LM393 построена по схеме с открытым коллектором, для ее функционального завершения необходим также нагрузочный резистор R3, сопротивлением несколько сотен кОм.

Регулировка устройства сводится к установке положения движка подстроечного резистора в положение, при котором напряжение на ножке 2 микросхемы превышает таковое на ножке 3 примерно на 0.1..0.2 вольта. Для настройки лучше не лезть мультиметром в высокоимпедансные цепи, а просто установив движок резистора в нижнее (по схеме) положение, подключить БП (аккумулятор пока не присоединяем), и, измеряя напряжение на выводе 1 микросхемы, двигать контакт резистора вверх. Как только напряжение резким скачком упадет до нуля, предварительную настройку можно считать завершенной.

Не стоит стремиться к отключению при минимальной разнице напряжений, потому что это неизбежно приведет к неправильной работе схемы. В реальных условиях напротив приходится специально занижать чувствительность. Дело в том, что при включении нагрузки, напряжение на входе схемы неизбежно просаживается из-за не идеальной стабилизации в БП и конечного сопротивления соединительных проводов. Это может привести к тому, что излишне чувствительно настроенный прибор сочтет такую просадку отключением БП и разорвет цепь. В результате БП будет подключаться только при отсутствии нагрузки, а все остальное время работать придется аккумулятору. Правда, когда аккумулятор немного разрядится, откроется внутренний диод полевого транзистора и ток от БП начнет поступать в цепь через него. Но это приведет к перегреву транзистора и к тому, что аккумулятор будет работать в режиме долгого недозаряда. В общем, окончательную калибровку нужно проводить под реальной нагрузкой, контролируя напряжение на выводе 1 микросхемы и оставив в итоге небольшой запас для надежности.

В результате практического испытания были получены такие результаты. Сопротивление в открытом состоянии соответствует проходному сопротивлению из даташита на транзистор. В закрытом состоянии паразитный ток во вторичной цепи БП измерить не удалось ввиду его незначительности. Потребляемый ток в режиме работы от аккумулятора составил 1.1 мА, причем он практически на 100% состоит из тока, потребляемого микросхемой. После калибровки под максимальную нагрузку, время срабатывания без нагрузки вышло почти 15 минут. Столько времени понадобилось моему аккумулятору, чтобы разрядиться до того напряжения, которое поступает от БП на устройство под полной нагрузкой. Правда, отключение при полной нагрузке происходит почти сразу (менее 10 секунд), но это время зависит от емкости, заряда, и общего «здоровья» аккумулятора.

Существенными недостатками этой схемы являются относительная сложность калибровки и необходимость мириться с потенциальными потерями энергии аккумулятора ради корректной работы.

Последний недостаток не давал покоя и после некоторых обдумываний привел меня к мысли измерять не напряжение аккумулятора, а непосредственно направление тока в цепи.

Второе решение (полевой транзистор + измеритель направления тока)

Для измерения направления тока можно было бы применить какой-нибудь хитрый датчик. Например, датчик Холла, регистрирующий вектор магнитного поля вокруг проводника и позволяющий без разрыва цепи определить не только направление, но и силу тока. Однако в связи с отсутствием такого датчика (да и опыта работы с подобными девайсами), было решено попробовать измерять знак падения напряжения на канале полевого транзистора. Конечно, в открытом состоянии сопротивление канала измеряется сотыми долями ома (ради этого и вся затея), но, тем не менее, оно вполне конечно и можно попробовать на этом сыграть. Дополнительным доводом в пользу такого решения является отсутствие необходимости в тонкой регулировке. Мы ведь будем измерять лишь полярность падения напряжения, а не его абсолютную величину.

По самым пессимистичным расчетам, при сопротивлении открытого канала транзистора FDD6685 около 14 мОм и дифференциальной чувствительности компаратора LM393 из колонки “min” 50 V/mV, мы будем иметь на выходе компаратора полный размах напряжения величиной 12 вольт при токе через транзистор чуть более 17 mA. Как видим, величина вполне реальная. На практике же она должна быть еще примерно на порядок меньше, потому что типичная чувствительность нашего компаратора равна 200 V/mV, сопротивление канала транзистора в реальных условиях с учетом монтажа вряд ли будет меньше 25 мОм, а размах управляющего напряжения на затворе может не превышать трех вольт.

Абстрактная реализация будет иметь примерно такой вид:

Тут входы компаратора подключены непосредственно к плюсовой шине по разные стороны от полевого транзистора. При прохождении тока через него в разных направлениях, напряжения на входах компаратора неизбежно будут отличаться, причем знак разницы будет соответствовать направлению тока, а величина – его силе.

На первый взгляд схема оказывается предельно простой, однако тут возникает проблема с питанием компаратора. Заключается она в том, что мы не можем запитать микросхему непосредственно от тех же цепей, которые она должна измерять. Согласно даташиту, максимальное напряжение на входах LM393 не должно быть выше напряжения питания минус два вольта. Если превысить этот порог, компаратор прекращает замечать разницу напряжений на прямом и инверсном входах.

Потенциальных решений возникшей проблемы два. Первое, очевидное, заключается в повышении напряжения питания компаратора. Второе, которое приходит в голову, если немного подумать, заключается в равном понижении управляющих напряжений при помощи двух делителей. Вот как это может выглядеть:

Эта схема подкупает своей простотой и лаконичностью, однако в реальном мире она, к сожалению, не реализуема. Дело в том, что мы имеем дело с разницей напряжений между входами компаратора всего в единицы милливольт. В то же время разброс сопротивлений резисторов даже самого высокого класса точности составляет 0.1%. При минимально приемлемом коэффициенте деления 2 к 8 и разумном полном сопротивлении делителя 10 кОм, погрешность измерения будет достигать 3 mV, что в несколько раз превышает падение напряжения на транзисторе при токе 17 mA. Применение «подстроечника» в одном из делителей отпадает по той же причине, ведь подобрать его сопротивление с точностью более 0.01% не представляется возможным даже при использовании прецизионного многооборотного резистора (плюс не забываем про временной и температурный дрейф). Кроме того, как уже писалось выше, теоретически эта схема вообще не должна нуждаться в калибровке из-за своей почти «цифровой» сущности.

Исходя из всего сказанного, на практике остается только вариант с повышением напряжения питания. В принципе, это не такая уж и проблема, если учесть, что существует огромное количество специализированных микросхем, позволяющих при помощи всего нескольких деталей соорудить stepup-преобразователь на нужное напряжение. Но тогда сложность устройства и его потребление возрастет почти вдвое, чего хотелось бы избежать.

Существует несколько способов соорудить маломощный повышающий преобразователь. Например, большинство интегральных преобразователей предполагают использование напряжения самоиндукции небольшого дросселя, включенного последовательно с «силовым» ключом, расположенным прямо на кристалле. Такой подход оправдан при сравнительно мощном преобразовании, например для питания светодиода током в десятки миллиампер. В нашем случае это явно избыточно, ведь нужно обеспечить ток всего около одного миллиампера. Нам гораздо более подойдет схема удвоения постоянного напряжения при помощи управляющего ключа, двух конденсаторов, и двух диодов. Принцип ее действия можно понять по схеме:

В первый момент времени, когда транзистор закрыт, не происходит ничего интересного. Ток из шины питания через диоды D1 и D2 попадает на выход, в результате чего на конденсаторе C2 устанавливается даже несколько более низкое напряжение, чем поступает на вход. Однако если транзистор откроется, конденсатор C1 через диод D1 и транзистор зарядится почти до напряжения питания (минус прямое падение на D1 и транзисторе). Теперь, если мы снова закроем транзистор, то окажется, что заряженный конденсатор C1 включен последовательно с резистором R1 и источником питания. В результате его напряжение сложится с напряжением источника питания и, понеся некоторые потери в резисторе R1 и диоде D2, зарядит C2 почти до удвоенного Uin. После этого весь цикл можно начинать сначала. В итоге, если транзистор регулярно переключается, а отбор энергии из C2 не слишком велик, из 12 вольт получается около 20 ценой всего пяти деталей (не считая ключа), среди которых нет ни одного намоточного или габаритного элемента.

Для реализации такого удвоителя, кроме уже перечисленных элементов, нам нужен генератор колебаний и сам ключ. Может показаться, что это уйма деталей, но на самом деле это не так, ведь почти все, что нужно, у нас уже есть. Надеюсь, вы не забыли, что LM393 содержит в своем составе два компаратора? А то, что использовали мы пока только один из них? Ведь компаратор – это тоже усилитель, а значит, если охватить его положительной обратной связью по переменному току, он превратится в генератор. При этом его выходной транзистор будет регулярно открываться и закрываться, отлично исполняя роль ключа удвоителя. Вот что у нас получится при попытке реализовать задуманное:

Поначалу идея питать генератор напряжением, которое тот сам фактически и вырабатывает при работе, может показаться довольно дикой. Однако если присмотреться внимательнее, то можно увидеть, что изначально генератор получает питание через диоды D1 и D2, чего ему вполне достаточно для старта. После возникновения генерации начинает работать удвоитель, и напряжение питания плавно возрастает примерно до 20 вольт. На этот процесс уходит не более секунды, после чего генератор, а вместе с ним и первый компаратор, получают питание, значительно превышающее рабочее напряжение схемы. Это дает нам возможность непосредственно измерять разность напряжений на истоке и стоке полевого транзистора и достичь-таки своей цели.

Вот окончательная схема нашего коммутатора:

Пояснять по ней уже нечего, все описано выше. Как видим, устройство не содержит ни одного настроечного элемента и при правильной сборке начинает работать сразу. Кроме уже знакомых активных элементов добавились только два диода, в качестве которых можно использовать любые маломощные диоды с максимальным обратным напряжением не менее 25 вольт и предельным прямым током от 10 mA (например, широко распространенный 1N4148, который можно выпаять из старой материнской платы).

Эта схема была проверена на макетной плате, где доказала свою полную работоспособность. Полученные параметры полностью соответствуют ожиданиям: мгновенная коммутация в оба направления, отсутствие неадекватной реакции при подключении нагрузки, потребление тока от аккумулятора всего 2.1 mA.

Один из вариантов разводки печатной платы тоже прилагается. 300 dpi, вид со стороны деталей (поэтому печатать нужно в зеркальном отражении). Полевой транзистор монтируется со стороны проводников.

Собранное устройство, полностью готовое к монтажу:

Разводил старым дедовским способом, поэтому вышло немного криво, однако тем не менее девайс уже несколько дней исправно выполняет свои функции в цепи с током до 15 ампер без всяких признаков перегрева.

Архив с файлами схемы и разводки для EAGLE.

Спасибо за внимание.

ПРИНЦИП РАБОТЫ ДИОДА

   Все мы прекрасно знаем что такое полупроводниковый диод, но мало кто из нас знает о принципе работы диода, сегодня специально для новичков я поясню принцип его работы. Диод как известно одной стороной хорошо пропускает ток, а в обратном направлении — очень плохо. У диода есть два вывода — анод и катод. Ни один электронный прибор не обходится без применения диодов. Диод используют для выпрямлении переменного тока, при помощи диодного моста который состоит из четырех диодов, можно превратить переменной ток в постоянный, или с использованием шести диодов превратить трехфазовое напряжение в однофазовое, диоды применяются в разнообразных блоках питания, в аудио — видео устройствах, практически повсюду. Тут можно посмотреть фотографии некоторых видов диодов. 

   На выходе диода можно заметить спад начального уровня напряжения на 0,5-0,7 вольт. Для более низковольтных устройств по питанию используют диод шоттки, на таком диоде наблюдается наименьший спад напряжения — около 0,1В. В основном диоды шоттки используют в радио передающих и приемных устройствах и в других устройствах работающих в основном на высокой частоте. Принцип работы диода с первого взгляда достаточно простой: диод — полупроводниковый прибор с односторонней проводимостью электрического тока. 

   Вывод диода подключенный к положительному полюсу источника питания называют анодом, к отрицательному — катодом. Кристалл диода в основном делают из германия или кремния одна область которого обладает электропроводимостью п — типа, то есть дырочная, которая содержит искуственно созданный недостаток электронов, друггая — проводимости н — типа, то есть содержит избыток электронов, границу между ними называют п — н переходом, п — в латыни первая буква слова позитив, н — первая буква в слове негатив. Если к аноду диода подать положительное напряжение, а к катоду отрицательное — то диод будет пропускать ток, это называют прямым включением, в таком положении диод открыт, если подать обратное — диод ток пропускать не будет, в таком положении диод закрыт, это называют обратным подключением. 

   Обратное сопротивление диода очень большое и в схемах его принимают ка диэлектрик (изолятор). Продемонстрировать работу полупроводникового диода можно собрать простую схему которая состоит из источника питания, нагрузки (например лампа накаливания или маломощный электрический двигатель) и самого полупроводного диода. Последовательно подключаем все компоненты схемы, на анод диода подаем плюс от источника питания, последовательно диоду, то есть к катоду диода подключаем один конец лампочки, другой конец той же лампы подключаем к минусу источника питания. Мы наблюдаем за свечением лампы, теперь перевернем диод, лампа уже не будет светится поскольку диод подключен обратно, переход закрыт. Надеюсь каким то образом это вам поможет в дальнейшем, новички — А. Касьян (АКА).

   Форум для начинающих

   Обсудить статью ПРИНЦИП РАБОТЫ ДИОДА

Стабилитрон

Работа с принципиальной схемой и приложениями

Диод является одним из основных компонентов электронных схем. Если вы хотите знать о напряжениях, вы должны знать о диодах. Диод в основном состоит из полупроводников, которые имеют две характеристики: тип «P» и тип «N». Полупроводники типа «P» и «N» представляют собой полупроводники положительного и отрицательного типа. Полупроводник P-типа будет иметь избыточное количество дырок в конфигурации, а полупроводник N-типа будет иметь избыточное количество электронов.Если в монокристалле присутствуют оба типа характеристик, то его можно назвать диодом. Положительная клемма батареи соединяется со стороной «P», а отрицательная сторона — со стороной «N». Давайте поговорим о работе стабилитрона. Это не что иное, как простой диод, подключаемый в обратном направлении.

Стабилитрон

Стабилитрон

В основном это особые свойства диода, а не какого-либо специального оборудования. Человек по имени Клиренс Зинер изобрел это свойство диода, поэтому он назван в его честь как память.Особое свойство диода состоит в том, что при подаче напряжения на цепь с обратным смещением произойдет пробой в цепи. Это не позволяет току течь по нему. Когда напряжение на диоде увеличивается, температура также увеличивается, и ионы кристалла колеблются с большей амплитудой, и все это приводит к пробою обедненного слоя. Слой на стыке типа «П» и типа «N». Когда приложенное напряжение превышает определенную величину, происходит пробой Зенера.

Характеристики V-I стабилитрона

Стабилитрон — это не что иное, как одиночный диод, подключенный в режиме обратного смещения, и стабилитрон может быть подключен в положительном положении с обратным смещением в цепи, как показано на рисунке. Мы можем подключать его для различных приложений.

Условное обозначение цепи стабилитрона такое, как показано на рисунке. Для удобства используется нормально. Обсуждая диодные схемы, следует обратить внимание на графическое представление работы стабилитрона.Это называется ВАХ обычного диода с p — n переходом.

Подключение стабилитрона

Характеристики стабилитрона

На приведенной выше диаграмме показаны характеристики V-I поведения стабилитрона. Когда диод подключен в прямом смещении, диод работает как обычный диод. Когда напряжение обратного смещения больше заданного напряжения, возникает напряжение пробоя стабилитрона. Для получения напряжения пробоя контролируется резкое и отчетливое легирование и устраняются дефекты поверхности.В приведенных выше ВАХ Vz — это напряжение стабилитрона. А также напряжение на коленях, потому что в этот момент ток очень быстрый.

Поведение стабилитрона

Применение стабилитрона

Стабилитрон широко используется в качестве шунтирующего регулятора или регулятора напряжения. Изучив первую часть статьи, мы знаем, что такое стабилитрон и каков основной принцип работы. Здесь возникает вопрос, где могут быть полезны диоды этого типа.Основное применение этого типа диодов в качестве защитного напряжения regulator.Over напряжения, в качестве опорного напряжения.

Проверка стабилитрона

Мы обсудили применение стабилитрона в качестве стабилизатора напряжения, а теперь обсудим два других момента.

Защита от перенапряжения осуществляется с помощью стабилитронов, поскольку через диод проходит ток после того, как напряжение обратного смещения превышает определенное значение. Эта схема обеспечивает безопасность оборудования, подключенного к клеммам.Обычно ток не должен превышать нормальный клапан, но если из-за какой-либо неисправности в цепи ток превышает максимально допустимое напряжение, то оборудование системы может быть повреждено. Используется SCR, благодаря которому выходное напряжение быстро снижается и перегорает предохранитель, который отключает питание входного источника. Схемное показан ниже для лучшего понимания,

стабилитрон соединение

опорного напряжения определяет постоянную подачу тока или напряжения питания в качестве работ напряжения Зенера.Если ток такой же, то во избежание нестабильной работы мы используем стабилитроны. Они используются там, где опорное напряжение требуется, как амперметры, омметры и вольтметры.

Стабилитрон как регулятор напряжения

Термин «регулятор» означает то, что регулирует. Стабилитрон может работать как регулятор напряжения, если он включен в схему. Выходной сигнал на диоде будет постоянным. Он приводится в действие источником тока. Как мы знаем, если напряжение на диоде превышает определенное значение, он потребляет чрезмерный ток от источника питания.Базовая схема стабилитрона в качестве регулятора напряжения приведена ниже:

Чтобы зафиксировать ток, проходящий через стабилитрон, вводится последовательное сопротивление R, значение которого может быть выбрано из следующего уравнения

Значение резистора (Ом) = (V1 — V2) / (Ток стабилитрона + ток нагрузки)

На приведенной выше схеме показан шунтирующий регулятор, поскольку регулирующий элемент параллелен нагрузочному элементу. Диод Зенера производит стабильное опорное напряжение на нагрузке, которая удовлетворяет критериям требования регулятора.

Стабилитрон позволяет току течь в прямом направлении так же, как идеальный диод. Он также позволяет течь в обратном направлении, когда напряжение выше определенного значения, известного как напряжение пробоя.

Это устройство названо в честь Зенера. Зинер обнаружил это электрическое свойство. Стабилитрон — это диод, в котором обратный пробой происходит из-за квантового туннелирования электронов под действием высокого электрического поля, называемого эффектом Зенера. Многие диоды, описываемые как стабилитроны, вместо этого полагаются на лавинный пробой.Оба типа используются с преобладанием эффекта Зенера при напряжении 5,6 В и лавинным пробоем выше. Обычные приложения включают в себя обеспечение опорного напряжения для регуляторов напряжения. Это необходимо для защиты устройств от кратковременных импульсов напряжения.

Связь с стабилитроном

Эти устройства также встречаются последовательно с базовым эмиттерным переходом. На транзисторных каскадах, когда выборочный выбор устройства сосредоточен вокруг лавины или точки Зенера. Его можно использовать для введения компенсирующего температурного коэффициента балансировки транзистора.Усилитель ошибки постоянного тока, используемый в системе обратной связи регулируемой цепи питания, является одним из примеров.

Они также используются в устройствах защиты от перенапряжения для ограничения систем с импульсными скачками напряжения, а еще одним применением стабилитрона является использование шума, вызванного его лавинным пробоем в генераторе случайных чисел. Не могли бы вы рассказать мне еще о некоторых применениях стабилитрона? Комментируя….

Фото:

.

Введение в диоды

• Раздел 2.0 Введение в диоды.
• • Обозначения диодных схем.
• • Ток через диоды.
• • Конструкция диодов.
• • PN-переход.
• • Прямое и обратное смещение.
• • Характеристики диодов.
• Раздел 2.1 Кремниевые выпрямители.
• • Маркировка полярности.
• • Параметры выпрямителя.
• Раздел 2.2 Диоды Шоттки.
• • Конструкция диодов Шоттки.
• • Потенциал соединения Шоттки.
• • Высокоскоростное переключение.
• • Выпрямители мощности Шоттки.
• • Ограничения по току Шоттки.
• • Защита от перенапряжения.
• Раздел 2.3 Малосигнальные диоды.
• • Конструкция малосигнального диода.
• • Формирование волн.
• • Вырезание.
• • Зажим / восстановление постоянного тока.
• • ВЧ приложения.
• • Защитные диоды.
• Раздел 2.4 Стабилитроны.
• • Конструкция стабилитрона.
• • Обозначения схем Зенера.
• • Эффект Зенера.
• • Эффект лавины.
• • Практические стабилитроны.
• Раздел 2.5. Светодиоды.
• • Работа светодиода.
• • Световое излучение.
• • Цвета светодиодов.
• • Расчеты цепей светодиодов.
• • Светодиодные матрицы.
• • Тестирование светодиодов.
• Раздел 2.6 Лазерные диоды.
• • Лазерный свет.
• • Основы атома.
• • Конструкция лазерного диода.
• • Лазерная накачка.
• • Контроль лазерных диодов.
• • Лазерные модули.
• • Лазерная оптика.
• • Классы лазерных диодов.
• Раздел 2.7. Фотодиоды.
• • Основы фотодиодов.
• • Приложения.
• • Конструкция лазерного диода.
• • Лазерная накачка.
• • Контроль лазерных диодов.
• • Лазерные модули.
• • Лазерная оптика.
• • Классы лазерных диодов.
• Раздел 2.8 Проверка диодов.
• • Неисправности диодов.
• • Проверка диодов омметрами.
• • Определение соединений диодов.
• • Выявление неисправных диодов.
• Раздел 2.9 Тест диодов.
• • Проверьте свои знания о диодах.

Рисунок 2.0.1.Диоды

Введение

Диоды — одни из самых простых, но наиболее полезных из всех полупроводниковых устройств. Многие типы диодов используются в широком диапазоне приложений. Выпрямительные диоды — жизненно важный компонент в источниках питания, где они используются для преобразования сетевого напряжения переменного тока в постоянное. Стабилитроны используются для стабилизации напряжения, предотвращения нежелательных изменений в подаче постоянного тока в цепи и для подачи точных опорных напряжений для многих схем. Диоды также могут использоваться для предотвращения катастрофического повреждения оборудования с батарейным питанием, когда батареи подключены с неправильной полярностью.

Сигнальные диоды также широко используются при обработке сигналов в электронном оборудовании; они используются для получения аудио- и видеосигналов из передаваемых радиочастотных сигналов (демодуляция), а также могут использоваться для формирования и изменения форм сигналов переменного тока (ограничение, ограничение и восстановление постоянного тока). Диоды также встроены во многие цифровые интегральные схемы, чтобы защитить их от опасных скачков напряжения.

Рис. 2.0.2 Обозначения диодных цепей

Светодиоды

излучают многоцветный свет в очень широком диапазоне оборудования от простых индикаторных ламп до огромных и сложных видеодисплеев.Фотодиоды также производят электрический ток из света.

Диоды изготавливаются из полупроводниковых материалов, в основном кремния, с добавлением различных соединений (комбинаций более чем одного элемента) и металлов в зависимости от функции диода. Ранние типы полупроводниковых диодов были сделаны из селена и германия, но эти типы диодов были почти полностью заменены более современными конструкциями кремния.

На рис. 2.0.1 показаны следующие диоды с общим проводом:

1.Три силовых выпрямителя (мостовой выпрямитель для работы с сетевым (линейным) напряжением и два выпрямительных диода сетевого напряжения).

2. Точечный диод (в стеклянной капсуле) и диод Шоттки.

3. Кремниевый малосигнальный диод.

4. Стабилитроны в корпусе из стекла или черной смолы.

5. Подборка светодиодов. Против часовой стрелки от красного: желтый и зеленый индикаторные светодиоды, инфракрасный фотодиод, теплый белый светодиод 5 мм и синий светодиод высокой яркости 10 мм.

Обозначения диодных цепей

Диод — это односторонний провод. Он имеет два вывода: анод или положительный вывод и катод или отрицательный вывод. В идеале диод будет пропускать ток, когда его анод сделан более положительным, чем его катод, но предотвращать протекание тока, когда его анод более отрицательный, чем его катод. В условных обозначениях схем, показанных на рис. 2.0.2, катод показан в виде стержня, а анод — в виде треугольника. На некоторых принципиальных схемах анод диода может также обозначаться буквой «а», а катод — буквой «к».

В каком направлении течет диодный ток?

Обратите внимание на рис. 2.0.2, что обычный ток течет от положительной (анодной) клеммы к отрицательной (катодной) клемме, хотя движение электронов (электронный поток) происходит в противоположном направлении, от катода к аноду.

Конструкция кремниевого диода

Рис. 2.0.3 Кремниевый планарный диод

Современные кремниевые диоды обычно производятся с использованием одной из различных версий планарного процесса, который также используется для изготовления транзисторов и интегральных схем.Многослойная конструкция, используемая в методах Silicon Planar, дает ряд преимуществ, таких как предсказуемые характеристики и надежность, а также является преимуществом для массового производства.

Упрощенный планарный кремниевый диод показан на рис. 2.0.3. Использование этого процесса для кремниевых диодов позволяет получить два слоя кремния с различным легированием, которые образуют «PN переход». Нелегированный или «собственный» кремний имеет решеточную структуру из атомов, каждый из которых имеет четыре валентных электрона, но кремний P-типа и кремний N-типа легируют путем добавления относительно очень небольшого количества материала, имеющего атомную структуру с тремя валентными электронами (например,грамм. Бор или алюминий), чтобы получить P-тип, или пять валентных электронов (например, мышьяк или фосфор), чтобы получить кремний N-типа. Эти легированные версии кремния известны как «примесный» кремний. Кремний P-типа теперь имеет нехватку валентных электронов в своей структуре, что также можно рассматривать как избыток «дырок» или носителей положительного заряда, тогда как слой N-типа легирован атомами, имеющими пять электронов в его валентной оболочке и поэтому имеет избыток электронов, которые являются носителями отрицательного заряда.

Диод PN переход

Рис. 2.0.4 Слой истощения диода

Когда кремний P- и N-типа объединяются во время производства, создается переход, где встречаются материалы P-типа и N-типа, и отверстия, расположенные рядом с переходом в кремнии P-типа, притягиваются к отрицательно заряженному материалу N-типа на другой стороне. перехода. Кроме того, электроны вблизи перехода в кремнии N-типа притягиваются к положительно заряженному кремнию P-типа. Следовательно, вдоль перехода между кремнием P- и N-типа создается небольшой естественный потенциал между полупроводниковым материалом P и N с отрицательно заряженными электронами, которые теперь находятся на стороне P-типа перехода, и положительно заряженными дырками на стороне N соединение.Этот слой носителей заряда противоположной полярности накапливается до тех пор, пока его не станет достаточно, чтобы предотвратить свободное движение любых дальнейших дырок или электронов. Из-за этого естественного электрического потенциала на переходе между слоями P и N в PN-переходе образовался очень тонкий слой, который теперь обеднен носителями заряда и поэтому называется обедненным слоем. Поэтому, когда диод подключен к цепи, ток не может течь между анодом и катодом, пока анод не станет более положительным, чем катод, с помощью прямого потенциала или напряжения (V _F ), по крайней мере, достаточного для преодоления естественного обратного потенциала соединение.Это значение зависит в основном от материалов, из которых сделаны слои P и N диода, и от количества используемого легирования. Различные типы диодов имеют естественный обратный потенциал в диапазоне примерно от 0,1 В до 2 или 3 В. Кремниевые диоды с PN переходом имеют потенциал перехода от 0,6 В до 0,7 В

Диод прямой проводимости

Рис. 2.0.5 Диод вперед
Проводимость

Как только напряжение, приложенное к аноду, становится более положительным, чем на катоде, на величину, превышающую потенциал обедненного слоя, начинается прямая проводимость от анода к обычному току катода, как показано на рис.2.0.5.

По мере того, как напряжение, прикладываемое между анодом и катодом, увеличивается, прямой ток сначала медленно увеличивается, поскольку носители заряда начинают пересекать обедненный слой, а затем быстро возрастает примерно по экспоненте. Следовательно, сопротивление диода, когда он «включен» или проводит в режиме «прямого смещения», не равно нулю, а очень мало. Поскольку прямая проводимость увеличивается после преодоления потенциала истощения по примерно следующей экспоненциальной кривой, прямое сопротивление (V / I) незначительно изменяется в зависимости от приложенного напряжения.

Диод с обратным смещением

Рис. 2.0.6 Обратный диод
Смещенный

Когда диод смещен в обратном направлении (анод подключен к отрицательному напряжению, а катод — к положительному), как показано на рис. 2.0.6, положительные отверстия притягиваются к отрицательному напряжению на аноде и от перехода. Точно так же отрицательные электроны притягиваются от перехода к положительному напряжению, приложенному к катоду. Это действие оставляет большую площадь в переходе без каких-либо носителей заряда (положительных дырок или отрицательных электронов) по мере расширения обедненного слоя.Поскольку область перехода теперь обеднена носителями заряда, она действует как изолятор, и по мере того, как более высокие напряжения прикладываются с обратной полярностью, обедненный слой становится еще шире, чем больше носителей заряда удаляется от перехода. Диод не будет проводить при приложенном обратном напряжении (обратном смещении), за исключением очень небольшого «обратного тока утечки» (I _R ), который в кремниевых диодах обычно меньше 25 нА. Однако, если приложенное напряжение достигает значения, называемого «обратным напряжением пробоя» (V _RRM ), ток в обратном направлении резко возрастает до точки, где, если ток не ограничен каким-либо образом, диод будет разрушен.

Вольт-амперные характеристики диода

Рис 2.0.7. Типовой диод I / V
Характеристика

Работа диодов, как описано выше, также может быть описана специальным графиком, называемым «характеристической кривой». Эти графики показывают взаимосвязь между фактическими токами и напряжениями, связанными с различными клеммами устройства. Понимание этих графиков помогает понять, как работает устройство.

Для диодов характеристическая кривая называется ВАХ, потому что она показывает взаимосвязь между напряжением, приложенным между анодом и катодом, и результирующим током, протекающим через диод.Типичная ВАХ показана на рис. 2.0.7.

Оси графика показывают как положительные, так и отрицательные значения и поэтому пересекаются в центре. Пересечение имеет нулевое значение как для тока (ось Y), так и для напряжения (ось X). Оси + I и + V (верхняя правая область графика) показывают круто возрастающий ток после области начального нулевого тока. Это прямая проводимость диода, когда анод положительный, а катод отрицательный. Первоначально ток не течет, пока приложенное напряжение не превысит потенциал прямого перехода.После этого ток резко возрастает примерно по экспоненте.

Оси -V и -I показывают состояние обратного смещения (нижняя левая область графика). Здесь можно увидеть, что очень небольшой ток утечки увеличивается с увеличением обратного напряжения. Однако как только достигается обратное напряжение пробоя, обратный ток (-I) резко возрастает.

Начало страницы

.

Диод Шоттки — определение, символы, работа и применение

Шоттки определение диода

Шоттки Диод — это диод на переходе металл-полупроводник, который имеет меньше прямое падение напряжения, чем на диоде P-N перехода, и может быть используется в приложениях с высокоскоростной коммутацией.

Что такое диод шоттки?

В нормальный п-п переходной диод p-типа полупроводник и n-тип полупроводники используются для формирования p-n соединение.Когда полупроводник p-типа соединяется с полупроводник n-типа, между ними образуется переход и полупроводник N-типа. Этот переход известен как P-N. соединение.

В диод Шоттки, металлы, такие как алюминий или платина, заменяют полупроводник P-типа. Диод Шоттки назван в честь Немецкий физик Вальтер Х. Шоттки.

Шоттки диод также известен как диод с барьером Шоттки, поверхностный барьер диод, основной носитель, диод горячих электронов или горячий несущий диод. Диоды Шоттки широко используются в радиотехнике. частотные (RF) приложения.

Когда алюминий или металлическая платина соединяется с полупроводником N-типа, Между металлом и полупроводником N-типа образуется переход.Этот переход известен как переход металл-полупроводник или M-S переход. Переход металл-полупроводник, образованный между металл и полупроводник n-типа создают барьер или истощение слой, известный как барьер Шоттки.

Шоттки диод может включаться и выключаться намного быстрее, чем диод с p-n переходом. Кроме того, диод Шоттки производит меньше нежелательных шумов, чем p-n. переходной диод.Эти две характеристики шоттки диод делает его очень полезным в высокоскоростной коммутации мощности схемы.

Когда достаточно на диод Шоттки подается напряжение, ток начинает течь в прямом направлении. Из-за этого при протекании тока на клеммах возникает небольшая потеря напряжения диода Шоттки.Эта потеря напряжения известна как напряжение падение.

А кремниевый диод имеет падение напряжения от 0,6 до 0,7 вольт, а Диод Шоттки имеет падение напряжения от 0,2 до 0,3 вольт. напряжение потеря или падение напряжения — это количество потраченного впустую напряжения на включение на диоде.

В кремниевый диод, от 0,6 до 0,7 вольт тратится на включение диод, тогда как в диоде Шоттки 0.От 2 до 0,3 вольт тратится впустую включить диод. Следовательно, диод Шоттки потребляет меньшее напряжение для включения.

напряжение, необходимое для включения диода Шоттки, такое же, как и германиевого диода. Но германиевые диоды используются редко. поскольку скорость переключения германиевых диодов очень мала, поскольку по сравнению с диодами Шоттки.

Символ диода Шоттки

Символ диода Шоттки показан на рисунке ниже. В диод Шоттки, металл действует как анод и n-тип полупроводник действует как катод.

Металл-полупроводник (M-S) развязка

Металл-полупроводник (M-S) соединение — это тип соединения, образованного между металлическими и полупроводник n-типа, когда металл соединен с Полупроводник n-типа.Переход металл-полупроводник также иногда его называют соединением M-S.

переход металл-полупроводник может быть либо непрямым, либо исправление. Не выпрямляющий переход металл-полупроводник называется омическим контактом. Выпрямительный металл-полупроводник переход называется неомическим контактом.

Что такое барьер шоттки?

барьер Шоттки это истощение слой, образованный на стыке металла и n-типа полупроводник.Проще говоря, барьер Шоттки — это потенциал энергетический барьер, сформированный на металл-полупроводник соединение. Электроны имеют преодолеть этот потенциальный энергетический барьер, чтобы течь через диод.

исправление переход металл-полупроводник образует выпрямляющий шоттки барьер. Этот выпрямляющий барьер Шоттки используется для создания устройство, известное как диод Шоттки.Неправильный переход металл-полупроводник образует не выпрямляющий шоттки барьер.

Один одной из важнейших характеристик барьера Шоттки является высота барьера Шоттки. Значение высоты этого барьера зависит от сочетания полупроводника и металла.

барьер Шоттки высота омического контакта (не выпрямляющий барьер) очень низкий, тогда как высота барьера Шоттки составляет неомический контакт (выпрямительный барьер) высокий.

В не исправляющий барьер Шоттки, высота барьера недостаточно высока для образовывать истощение область. Таким образом, область истощения незначительна или отсутствует в омический контактный диод.

Вкл. с другой стороны, при устранении барьера Шоттки барьер высота достаточно высока, чтобы образовать область истощения. Так что обедненная область присутствует в неомическом контактном диоде.

не выпрямляющий переход металл-полупроводник (омический контакт) предлагает очень низкое сопротивление электрическому току, тогда как выпрямление перехода металл-полупроводник обеспечивает высокое сопротивление электрическому току по сравнению с омическим контактом.

исправление барьер Шоттки образуется при контакте металла с слаболегированный полупроводник, а не выпрямляющий барьер образуется, когда металл находится в контакте с сильно легированный полупроводник.

омический контакт имеет линейную вольт-амперную кривую (I-V), тогда как неомический контакт имеет нелинейный ток-напряжение (I-V) кривая.

Энергия Зонная диаграмма диода Шоттки

Зонная диаграмма полупроводника N-типа и металла показано на рисунке ниже.

уровень вакуума определяется как уровень энергии электронов, находятся вне материала.В работа выхода определяется как энергия требуется для перемещения электрона с уровня Ферми (E _F ) _{на уровень вакуума (E 0 ).}

работа выхода различна для металла и полупроводника. В работа выхода металла больше, чем работа выхода полупроводник. Следовательно, электроны n-типа полупроводник имеют более высокую потенциальную энергию, чем электроны в металл.

энергетические уровни металла и полупроводника различны. Уровень Ферми на стороне полупроводника N-типа лежит выше металлическая сторона.

ср знать, что электроны на более высоком уровне энергии имеют больше потенциальная энергия, чем электроны на более низком энергетическом уровне. Таким образом, электроны в полупроводнике N-типа имеют больше потенциальная энергия, чем электроны в металле.

зонная диаграмма металла и полупроводника n-типа после контакта показано на рисунке ниже.

Когда металл соединен с полупроводником n-типа, устройство создан известный как диод Шоттки. Встроенное напряжение ( _В, В) для диода Шоттки дается разность работы функции металла и полупроводника n-типа.

Как диод шоттки работает?

Беспристрастный диод шоттки

Когда в металл соединяется с полупроводником n-типа, проводимость зонные электроны (свободные электроны) в полупроводнике n-типа перейдет от полупроводника n-типа к металлу, чтобы установить состояние равновесия.

ср знаю, что когда нейтральный атом теряет электрон, он становится положительным ионом аналогично когда нейтральный атом получает дополнительный электрон, он становится отрицательный ион.

проводимость зонные электроны или свободные электроны, которые пересекают переход, обеспечат лишние электроны к атомам в металле. В результате атомы в металлическом переходе получают дополнительные электроны, и атомы на n-стороннем переходе теряют электроны.

атомы, теряющие электроны на n-стороннем переходе, станут положительные ионы, тогда как атомы, которые получают дополнительные электроны при металлический переход станет отрицательными ионами.Таким образом, положительный ионы создаются n-сторонним переходом, а отрицательные ионы создается на стыке металла. Эти положительные и отрицательные ионы — это не что иное, как обедненная область.

С в металле есть море свободных электронов, ширина которого эти электроны движутся в металл, пренебрежимо тонкий, поскольку по сравнению с шириной внутри полупроводника n-типа.Так что в основном присутствует встроенный потенциал или встроенное напряжение внутри полупроводника n-типа. Встроенное напряжение — это барьер, видимый электронами зоны проводимости n-типа полупроводник при попытке продвинуться в металл.

Кому преодолевая этот барьер, свободным электронам нужна энергия большей чем встроенное напряжение. В несмещенном диоде Шоттки только небольшое количество электронов будет течь из полупроводника n-типа к металлу.Встроенное напряжение предотвращает дальнейший поток электронов из зоны проводимости полупроводника в металл.

перенос свободных электронов из полупроводника n-типа в металл приводит к изгибу энергетической зоны вблизи контакта.

Нападающий смещенный диод Шоттки

Если положительный полюс аккумулятора соединен с металлом а отрицательная клемма аккумулятора подключена к полупроводник n-типа, диод Шоттки называется прямым предвзято.

Когда к диоду Шоттки приложено напряжение прямого смещения, большое количество свободных электронов генерируется в n-типе полупроводник и металл. Однако свободные электроны n-типа полупроводник и металл не могут пересекать переход, если приложенное напряжение больше 0,2 вольт.

Если приложенное напряжение больше 0.2 вольта, бесплатно электроны получают достаточно энергии и преодолевают встроенное напряжение обедненной области. В следствии, электрический ток начинает течь через диод Шоттки.

Если приложенное напряжение постоянно увеличивается, истощение область становится очень тонкой и окончательно исчезает.

Реверс диод Шоттки смещения

Если отрицательная клемма АКБ соединена с металлом а положительный полюс аккумулятора подключен к Полупроводник n-типа, диод Шоттки называется обратным предвзято.

Когда к диоду Шоттки приложено напряжение обратного смещения, ширина истощения увеличивается. В результате электрический ток перестает течь. Однако протекает небольшой ток утечки из-за термически возбужденные электроны в металле.

Если напряжение обратного смещения постоянно увеличивается, электрический ток постепенно увеличивается из-за слабого барьера.

Если напряжение обратного смещения значительно увеличивается, внезапное повышение в электрическом токе имеет место. Этот внезапный подъем электрического ток вызывает разрушение области истощения, что может безвозвратно повредить устройство.

V-I характеристики диода шоттки

Вольт-амперная характеристика диода Шоттки составляет показано на рисунке ниже.Вертикальная линия внизу на рисунке показан ток в диоде Шоттки и горизонтальная линия представляет напряжение, приложенное к диод шоттки.

V-I характеристики диода Шоттки практически аналогичны P-N переходной диод. Однако прямое падение напряжения диод Шоттки очень низкий по сравнению с P-N переходом диод.

прямое падение напряжения на диоде Шоттки от 0,2 до 0,3 вольт тогда как прямое падение напряжения кремниевого диода P-N перехода составляет от 0,6 до 0,7 вольт.

Если напряжение прямого смещения больше 0,2 или 0,3 вольт, электрический ток начинает течь через диод Шоттки.

В диод Шоттки обратный ток насыщения возникает при очень низкое напряжение по сравнению с кремниевым диодом.

Разница между диодом Шоттки и диодом P-N перехода

основное различие между диодом Шоттки и диодом с p-n переходом выглядит следующим образом:

В диод Шоттки, свободные электроны несут большую часть электрического ток. Через отверстия проходит незначительный электрический ток. Так шоттки диод — устройство униполярное.В диоде P-N перехода оба свободны электроны и дырки переносят электрический ток. Итак, диод с P-N переходом — это биполярный аппарат.

Напряжение обратного пробоя диода Шоттки очень мало, так как по сравнению с диодом с p-n переходом.

В диод Шоттки, обедненная область отсутствует или незначительна, тогда как в диоде с p-n переходом область обеднения присутствует.

напряжение включения диода Шоттки очень низкое по сравнению с к диоду p-n перехода.

В диод Шоттки, электроны являются основными носителями в обоих металл и полупроводник. В диоде с P-N переходом электроны большинство носителей в n-области и дырки составляют большинство носители в p-области.

Преимущества диода Шоттки

ср знаю, что емкость это способность хранить электрический заряд.В P-N переходный диод, обедненная область состоит из сохраненных обвинения. Значит, существует емкость. Эта емкость равна присутствует на стыке диода. Так он известен как емкость перехода.

В диод Шоттки, накопленные заряды или область истощения незначительный. Таким образом, диод Шоттки имеет очень низкую емкость.

• Быстрая перемотка назад время восстановления

The время, необходимое диоду, чтобы переключиться из включенного состояния в Состояние ВЫКЛ называется временем обратного восстановления.

В для переключения из состояния ON (проводимость) в состояние OFF (непроводящее) состояние, накопленные заряды в истощении область должна быть сначала разряжена или удалена до диода переключить в состояние ВЫКЛ. (непроводящее).

Диод P-N перехода не сразу переключается из включенного состояния в Состояние ВЫКЛ, потому что для разрядки или удаления требуется некоторое время хранимые заряды в области истощения.Однако в шоттки диода, обедненная область незначительна. Итак, шоттки диод немедленно переключится из состояния ON в состояние OFF.

ср знайте, что область истощения незначительна в Шоттки диод. Таким образом, приложения небольшого напряжения достаточно для получения большого ток.

• Низкий передний падение напряжения или низкое напряжение включения

The напряжение включения диода Шоттки очень мало по сравнению к диоду P-N перехода.Напряжение включения для шоттки диод составляет от 0,2 до 0,3 вольт, тогда как для диода с P-N переходом От 0,6 до 0,7 вольт. Так что достаточно приложить небольшое напряжение, чтобы производят электрический ток в диоде Шоттки.

• Высокая эффективность
• Шоттки диоды работают на высоких частотах.
• Шоттки диод производит меньше нежелательных шумов, чем диод с P-N переходом.

Недостатки из диод шоттки

• Большой обратный ток насыщения

Шоттки диод производит больший обратный ток насыщения, чем p-n переходной диод.

Приложения диодов Шоттки

• Шоттки диоды используются как выпрямители общего назначения.
• Шоттки диоды используются в радиочастотных (RF) приложениях.
• Шоттки диоды широко используются в источниках питания.
• Шоттки диоды используются для обнаружения сигналов.
• Шоттки диоды используются в логических схемах.

Типы диодов

различные типы диодов следующие:

1. стабилитрон диод
2. Лавинный диод
3. Фотодиод
4. Свет Излучающий диод
5. Лазер диод
6. Туннель диод
7. Шоттки диод
8. Варактор диод
9. П-Н переходной диод

.

Диод

Обзор

Диод — это электронный компонент с двумя выводами, который проводит электричество только в одном направлении. Этот термин обычно используется для обозначения полупроводникового диода . Действительно, диоды были первыми электронными компонентами, которые были построены с использованием полупроводниковых материалов (в настоящее время используется в основном кремний, хотя германий также используется для некоторых приложений).Направление, в котором диод пропускает ток, известно как прямое направление диода . В другом направлении (известном как обратное направление диода ) диод предотвращает протекание тока. Полупроводниковый материал в диоде состоит из двух смежных областей , каждая из которых «легирована» химическими примесями для придания ей определенных электрических характеристик.

Одна из областей содержит большое количество отрицательных носителей заряда (свободных электронов) и называется полупроводниковым материалом n-типа .Другая область характеризуется отсутствием электронов (часто называемых «дырками») во многих химических связях между атомами внутри области. Эти отверстия действуют как носителей положительного заряда , и область называется полупроводниковым материалом p-типа . Один вывод диода, известный как катод , подключен к области n-типа. Другой вывод, известный как анод , подключен к области p-типа. Электроны текут от катода к аноду.Обычный ток, конечно, идет в противоположном направлении, поэтому обычный ток выходит из диода через катод. Сама природа диода означает, что он должен быть правильно включен в цепь. По этой причине большинство дискретных компонентов диода маркируются таким образом, чтобы идентифицировать катод (обычно с черной или белой полосой). Типичный диод вместе с обозначением его принципиальной схемы показан ниже. Обратите внимание, что направление стрелки в символе цепи указывает направление обычного тока, протекающего через диод.

Типовой диод и обозначение его принципиальной схемы

В двух схемах, показанных ниже, типичный диод включен последовательно с лампой и батареей. В левом варианте положительный полюс батареи подключен к аноду диода, так что обычный ток будет течь в направлении, указанном стрелкой (то есть от анода к катоду).Свойства диода означают, что он пропускает ток в этом направлении, и лампа загорается. В правом варианте аккумулятор подключается наоборот, то есть отрицательной клеммой подключена к аноду диода. Диод не будет проводить ток в этом направлении, поэтому ток в цепи не течет, и лампа не горит.

Диод позволяет току течь только в одном направлении

Свойства полупроводниковых материалов

Чтобы помочь вам понять, как работает диод, мы попытаемся объяснить свойства полупроводниковых материалов, начав с рассмотрения природы связей , образованных между атомами, составляющими различные материалы.Первое, что нужно понять, — это то, что для каждого элемента периодической таблицы будет определенное количество электронов, вращающихся вокруг ядра атома. Число электронов, вращающихся вокруг атома, будет различным для каждого элемента, но во всех случаях атомы будут расположены на одной или нескольких орбитах, известных как оболочек . Каждая оболочка требует определенного количества электронов, чтобы считаться завершенной, а электроны во внешней оболочке атома известны как валентных электронов.Именно эти валентные электроны придают атому его электрические свойства, которые, в свою очередь, определяют, как атом может сочетаться с другими атомами. Валентные электроны образуют ковалентных связей с валентными электронами других атомов. В твердых телах атомы обычно объединяются в регулярно повторяющуюся трехмерную структуру, известную как кристаллическая решетка . Полупроводниковые материалы, такие как кремний или германий, имеют четыре валентных электрона. Структура атома кремния проиллюстрирована ниже.

Модель атома кремния (слева) и в упрощенном виде (справа)

На внешней оболочке атома кремния четыре электрона. Чтобы оболочка была полной (и, следовательно, стабильной), внешней оболочке потребовалось бы восемь электронов. В структуре кристаллической решетки кремния каждый валентный электрон совместно с ближайшим атомом кремния образует четыре ковалентные связи, как показано ниже.Таким образом, каждый атом имеет половину доли в восьми валентных электронах. Такое количество валентных электронов придает кристаллической решетке очень стабильную структуру, а также очень затрудняет выход электронов из своих атомов. В результате полупроводниковые элементы, такие как кремний и германий, в чистом виде являются очень хорошими изоляторами. Структура кристаллической решетки чистого полупроводникового материала показана ниже.

Ковалентные связи в кристаллической решетке

При нормальных температурах атомы в кристаллической решетке будут вибрировать, вызывая разрыв некоторых ковалентных связей и освобождение валентных электронов.Когда электрон таким образом разрывает свою связь, на внешней оболочке атома, откуда он пришел, создается область положительного заряда (называемая дыркой ), как показано ниже. Атом становится положительным ионом . Дырку можно представить как положительный заряд, равный по величине отрицательному заряду электрона. Свободные электроны в полупроводниковом материале будут притягиваться к дыркам из-за их противоположного (положительного) заряда, и если электрон падает в дыру и заполняет ее, ион снова становится нейтральным атомом.

Кристаллическая решетка кремния со свободными электронами и дырками

Когда батарея подключается через чистый полупроводниковый материал, она притягивает свободные электроны внутри кристаллической структуры к положительному выводу и поставляет больше свободных электронов на отрицательный вывод. Свободные электроны от разорванных ковалентных связей движутся через полупроводник, «прыгая» от одного отверстия к другому по направлению к положительному выводу, заставляя его казаться , как если бы положительно заряженные дырки движутся к отрицательному выводу.Ток, протекающий в чистом полупроводниковом материале, очень мал, и его можно рассматривать как потоки свободных электронов и дырок, идущие в противоположных направлениях, как показано ниже. Этот поток тока называется собственной проводимостью , потому что носители заряда (свободные электроны и дырки) приходят изнутри самого материала. Степень, в которой возникает проводимость, также зависит от температуры, поскольку ковалентные связи легче разрываются при повышении температуры, создавая больше свободных электронов и дырок и снижая сопротивление полупроводникового материала.

Ток в собственном полупроводнике

Использование полупроводниковых материалов для создания таких устройств, как диоды, требует увеличения проводимости материала. Это может быть достигнуто путем добавления примесей в полупроводник контролируемым образом — процесс, известный как легирование . Легированный полупроводниковый материал известен как примесный полупроводник , потому что добавленные к нему примеси вводят дополнительные носители заряда.Необходимо тщательно выбирать материалы, используемые в процессе легирования. Они должны иметь атомы примерно того же размера, что и атомы кремния или германия, которые они заменяют, чтобы они могли вписаться в кристаллическую решетку. У них также должно быть правильное количество валентных электронов для достижения желаемого результата, заключающегося в увеличении количества либо отрицательных носителей заряда (электронов), либо положительных носителей заряда (дырок).

Чтобы создать полупроводник, который имеет большое количество отрицательных носителей заряда (известный как полупроводник n-типа ), чистый полупроводниковый материал легируют таким материалом, как фосфор, который имеет пять валентных электронов (и, таким образом, говорится быть пятивалентной ).На диаграмме ниже показано, что происходит, когда атом фосфора вводится в решетку кристалла кремния. Четыре его валентных электрона образуют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами кремния, но пятый валентный электрон не может образовывать связь и, таким образом, не связан прочно с молекулярной структурой кристаллической решетки. Этот «запасной» электрон может относительно легко перемещаться внутри кристаллической структуры и, следовательно, доступен для проводимости. Примесный атом называется донорным атомом , потому что он обеспечивает электрон для проводимости.

Структура кристаллической решетки кремния n-типа

«Загрязненный» кремний является полупроводником n-типа, поскольку основных носителей заряда являются отрицательно заряженными электронами (обратите внимание, что общий заряд в кристалле остается нулевым, поскольку каждый атом в структуре остается электрически нейтральным). Правильное количество примесных атомов добавляется к кремнию (или германию) для получения необходимого увеличения проводимости.Несколько положительно заряженных дырок останутся в материале n-типа и будут действовать как собственные носители заряда. Эти дыры образуются при разрыве ковалентных связей между атомами кремния. Из-за относительно небольшого количества дырок по сравнению с количеством свободных электронов в материале их называют неосновными носителями . На диаграмме ниже показана проводимость в полупроводнике n-типа.

Основными носителями заряда в материале n-типа являются электроны.

Чтобы создать полупроводниковый материал, в котором основными носителями заряда являются положительно заряженные дырки (известный как полупроводник p-типа ), кремний или германий легируют таким материалом, как бор, который имеет три валентных электрона (и, таким образом, сказал трехвалентный ).На схеме ниже показано, что происходит, когда атом бора вводится в решетку кристалла кремния. Его три валентных электрона образуют ковалентные связи с тремя соседними атомами кремния. Связь между атомом бора и четвертым атомом кремния остается неполной, дырка действует как положительный заряд, который может захватывать свободный электрон, движущийся через кристаллическую решетку. Примесный атом называется акцепторным атомом , потому что он легко принимает электрон, чтобы завершить свою связь с атомом кремния.

Структура кристаллической решетки кремния p-типа

«Неочищенный» кремний является полупроводником p-типа, поскольку большинство носителей заряда являются положительно заряженными дырками (обратите внимание, что, как и в случае материала n-типа, общий заряд в кристалле остается нулевым, поскольку каждый атом в структуре остается электрически нейтральным) . Правильное количество примесных атомов добавляется к кремнию (или германию) для получения необходимого увеличения проводимости.Несколько отрицательно заряженных электронов останутся в материале p-типа и будут действовать как собственные носители заряда. Эти электроны освобождаются при разрыве ковалентных связей между атомами кремния. Из-за относительно небольшого количества присутствующих электронов по сравнению с количеством дырок в материале, именно электроны теперь становятся неосновными носителями. Обратите внимание, что для полупроводниковых материалов как n-типа, так и p-типа повышение температуры приведет к увеличению количества неосновных носителей, присутствующих в материале, поскольку ковалентные связи между атомами кремния (или германия) легче разрываются.На схеме ниже показана проводимость в полупроводнике p-типа.

Основными носителями заряда в материале p-типа являются дырки.

P-n переход

Работа многих полупроводниковых устройств, в том числе диодов, зависит от эффектов, возникающих на стыке полупроводниковых материалов n-типа и p-типа (p-n переход ).Такой переход, который может быть сформирован внутри той же структуры непрерывной кристаллической решетки с использованием соответствующих методов легирования, показан ниже. Как только соединение создано, свободные электроны в материале n-типа рядом с переходом могут перемещаться через соединение (посредством процесса, известного как диффузия ) в материал p-типа, где они занимают дырки. В результате этого процесса диффузии область n-типа рядом с переходом становится положительно заряженной из-за потери электронов, в то время как область p-типа на другой стороне перехода становится отрицательно заряженной из-за приобретения электронов.В то же время кажется, что дырки диффундируют через переход в противоположном направлении (на самом деле они создаются в области n-типа в результате миграции электронов в область p-типа), и эти дырки могут захватывать любые оставшиеся свободные электроны. в непосредственной близости.

Электроны и дырки рядом с переходом мигрируют через него.

Движение отрицательных и положительных носителей заряда через переход прекращается довольно быстро, потому что увеличение отрицательного заряда в материале p-типа препятствует дальнейшему потоку электронов в область p-типа, в то время как накопление положительного заряда в материал n-типа препятствует созданию большего количества отверстий в области n-типа.Области n-типа и p-типа, непосредственно прилегающие к переходу, становятся относительно свободными от основных носителей заряда (см. Ниже) и вместе образуют новую область, называемую обедненным слоем . Слой истощения, хотя и менее 10 ^-3 мм в ширину, эффективно становится изолятором. На переходе существует небольшая разность потенциалов, называемая напряжением перехода, которая действует от n-типа к p-типу. Напряжение перехода составляет около 0,1 В для германия и 0,6 В для кремния.

Слой обеднения создается миграцией носителей заряда.

Если батарея подключена к pn переходу, положительный вывод которой подсоединен к стороне p-типа, а отрицательный вывод — к стороне n-типа, напряжение перехода будет увеличиваться по мере того, как свободные электроны и дырки отводятся от перехода, и сопротивление соединения станет еще больше.Переход называется с обратным смещением . Электроны и дырки будут более сильно отталкиваться p-n-переходом, и слой обеднения станет шире (см. Ниже). Только очень небольшое количество электронов и дырок (созданных ковалентными связями, разрывающимися с обеих сторон перехода при нормальных температурах) будет передаваться через p-n переход, вызывая протекание крошечного тока (известного как ток утечки ).

Показанный здесь переход имеет обратное смещение.

Если батарея подключена через p-n переход с противоположной полярностью, т.е.е. с его положительной клеммой, подключенной к стороне n-типа, а ее отрицательной клеммой к стороне p-типа, переход называется с прямым смещением . Слой обеднения будет сужаться по мере того, как свободные электроны и дырки подталкиваются к переходу, и если приложенное напряжение превышает напряжение перехода, ток будет течь через переход, потому что большинство носителей смогут пересечь его. Электроны будут мигрировать со стороны n-типа на сторону p-типа, а дырки будут мигрировать в противоположном направлении (см. Ниже).И снова возникнет ток утечки из-за обмена неосновными носителями, создаваемого нормальным разрывом ковалентных связей по обе стороны от перехода. На этот раз, однако, ток утечки способствует протеканию тока основной несущей, а сопротивление перехода очень низкое.

Прямое смещение

Переходный диод — широко используемый тип диода, который использует свойства p-n перехода.Он состоит из p-n-перехода, один вывод которого подключен к p-стороне (анод), а другой — к n-стороне (катоду). Ниже показан упрощенный вид кремниевого диода «планарной» конструкции. Тонкий слой кремния n-типа припаян к металлической основе, которая соединена с катодом. Тонкая пленка из оксида кремния образуется на верхней поверхности ломтика при нагревании его паром до температуры около 1100 ° C и действует как изоляционный материал. Затем в оксидной пленке химически вытравливается «окно», и пар, содержащий соответствующий легирующий агент, может диффундировать через него, превращая открытую область среза в кремний p-типа.Затем алюминий испаряется на область p-типа, что позволяет припаять к ней анодный вывод. Наконец, диод герметичен во внешнем кожухе для защиты от влаги и света.

Секция через кремниевый диод

Характеристики диодов

Диоды демонстрируют определенное поведение, которое делает их очень полезными в электронных приложениях.Когда диод смещен в обратном направлении, он позволяет только очень небольшому току утечки течь в обратном направлении, даже когда обратное напряжение относительно высокое. Поскольку диод позволяет току течь только в одном направлении, он является жизненно важным компонентом в схемах, преобразующих переменный ток в постоянный (процесс, известный как выпрямление ). Другой интересной характеристикой диода является то, что при прямом смещении его прямое напряжение не увеличивается значительно, даже когда через диод протекают относительно большие токи.Типичные характеристики кремниевых и германиевых диодов при 25 ° C показаны ниже. Обратите внимание, что для обоих типов прямой ток ( I _F ) невелик до тех пор, пока прямое напряжение ( В _F ) не составит около 0,6 В для кремния и около 0,1 В для германия. После этого небольшое изменение V _F вызывает большое увеличение I _F .

Характеристики кремниевых и германиевых диодов

Обратный ток I _R пренебрежимо мал и остается таким, когда обратное напряжение В _R увеличивается.Однако, если В _R увеличивается в достаточной степени, изоляция обедненного слоя разрушается, и I _R увеличивается внезапно и быстро. Если это происходит, результатом обычно является необратимое повреждение диода. Напряжение пробоя может варьироваться от нескольких вольт до 1000 вольт для кремния и 100 вольт для германия, в зависимости от конструкции диода и степени используемого легирования (спасибо моему другу Клаусу Польманну за то, что он указал, что моя исходная диаграмма не показал точки пробоя кремниевой кривой!).Двумя важными электрическими свойствами диода являются средний прямой ток и максимальное обратное напряжение , которые не должны превышаться при нормальных условиях.

Преобразование мощности

Электроэнергия вырабатывается как переменный ток, поскольку это наиболее экономичная форма для выработки и распределения больших объемов электроэнергии.Электроэнергия, поступающая в ваш дом (если вы живете в Великобритании), — это переменный ток 230 В с частотой 50 Гц. Однако для работы многих электронных устройств требуется постоянный ток относительно низкого напряжения. Диоды могут быть использованы для создания цепей, которые выпрямляют переменный ток для получения постоянного тока. Переменный ток называется так, потому что ток течет сначала в одном направлении, а затем в противоположном. Это изменение направления происходит много раз в секунду, в зависимости от частоты a.c. поставка. Простейший вид выпрямительной схемы называется полуволновым выпрямителем и допускает только половину переменного тока. форма волны для прохождения через цепь. В полуволновом выпрямителе используется единственный диод, который проводит электричество, когда ток течет в одном направлении, но не в другом. Базовая схема однополупериодного выпрямителя показана ниже.

Базовый однополупериодный выпрямитель

В показанной схеме выпрямленный ток эффективно освещает лампу, подавая ей импульс с одним полупериодом переменного тока для каждого полного цикла, который имеет место (только половина a.c. форма волны может проходить через диод). Если бы диод был удален, лампа будет получать ток в течение обоих полупериодов и, следовательно, горела бы ярче. Хотя лампочка горит относительно тускло, она не мигает и не гаснет, потому что нить накала не успевает остыть и снова нагреться между полупериодами. Однако для большинства приложений оба полупериода переменного тока потребуется форма волны, и простого однополупериодного выпрямления, обеспечиваемого одним диодом, будет недостаточно.Схема преобразования, которая делает оба полупериода переменного тока. Источник постоянного тока называется двухполупериодным выпрямителем . В одной из наиболее часто используемых схем двухполупериодного выпрямителя используются четыре диода в схеме, называемой двухполупериодным мостом . Схема показана ниже.

Двухполупериодный мостовой выпрямитель

На двух схемах ниже показано, как обычный ток течет в цепи и через нагрузку на каждом полупериоде a.c. форма волны. В каждом случае ток, текущий к нагрузке от источника переменного тока источник показан красными стрелками, а обратный ток (от нагрузки обратно к источнику) показан синими стрелками. Обратите внимание, что независимо от полярности полупериода ток всегда течет через нагрузку в одном и том же направлении. В каждом полупериоде другая пара диодов будет смещена в прямом направлении и позволит току проходить в прямом направлении (диоды, показанные серым цветом для каждого полупериода, имеют обратное смещение и будут блокировать ток в обратном направлении. направление).

Обычный ток в положительном полупериоде

Обычный ток в отрицательном полупериоде

Точечный диод

Конструкция германиевого точечного диода показана ниже.Острие золотой или вольфрамовой проволоки прижимается к таблетке германия n-типа. Во время изготовления через диод пропускается кратковременный ток, который образует крошечную область p-типа в таблетке вокруг наконечника, образуя p-n переход с очень небольшой площадью.

Конструкция точечного диода

При обратном смещении обедненный слой в диоде действует как изолятор, зажатый между двумя проводящими «пластинами» (областями p-типа и n-типа).В результате диод действует как конденсатор. Тема конденсаторов рассматривается в другом месте, но по сути конденсатор — это устройство, которое может накапливать электрический заряд. Конденсаторы также обладают свойством блокировать постоянный ток, позволяя протекать переменному току, особенно на высоких частотах, например, в радиосигналах (чем выше частота переменного тока, тем меньше конденсатор препятствует прохождению тока). Точечные диоды (иногда называемые кристаллами ) часто используются в качестве сигнальных диодов для обнаружения радиосигналов.

Точечный диод часто используется для обнаружения высокочастотного сигнала из-за его крошечной площади перехода и, следовательно, небольшой емкости, что делает его чувствительным к маломощным высокочастотным токам, присутствующим в радиосигналах. Германиевые точечные диоды обычно используются в качестве детекторов в радиосхемах из-за их относительно низкого прямого напряжения (около 0,2 В), что позволяет им обнаруживать более низкие напряжения сигнала. Радиосигналы по существу состоят из сигналов звуковой частоты, модулированных на несущей радиочастоты.Детектор работает, эффективно действуя как полуволновой выпрямитель, превращая радиосигнал переменного тока в колебательный сигнал постоянного тока. Затем этот сигнал отправляется через фильтр нижних частот для извлечения исходного сигнала звуковой частоты.

Стабилитрон

В нормальном диоде с переходным соединением работа диода при напряжении пробоя или выше приведет к разрушению обедненного слоя и необратимому повреждению диода. диоды Зенера диоды, которые могут быть сделаны, чтобы проводить ток в обратном направлении при определенной фиксированной опорное напряжение (напряжение пробоя их) без ущерба страдания. Каждый стабилитрон имеет определенное напряжение обратного пробоя (от 2,4 В и выше), при котором он будет проводить ток в обратном направлении, и имеет максимальную номинальную мощность (типовые значения — 400 мВт и 1,3 Вт). Стабилитрон можно использовать отдельно для обеспечения чувствительного к напряжению переключателя или последовательно с токоограничивающим резистором для регулирования напряжения.Обозначение принципиальной схемы стабилитрона показано ниже вместе с характеристической кривой для типичного стабилитрона.

Условное обозначение принципиальной схемы стабилитрона

Характеристика напряжения и тока стабилитрона

Из кривой видно, что увеличение обратного напряжения оказывает незначительное влияние на обратный ток, пока не будет достигнуто напряжение пробоя В _Z (также известное как напряжение стабилитрона ).В этот момент ток может быстро увеличиваться в широком диапазоне с небольшим изменением напряжения или без него. Обратите внимание, что наклон кривой между точками A и B на графике почти вертикальный. Если обратное напряжение снова упадет ниже напряжения пробоя, обратный ток снова станет незначительным. Чтобы ограничить обратный ток и предотвратить перегрев стабилитрона, нельзя превышать номинальную мощность стабилитрона. Максимальный обратный ток, который может быть перенесен, можно рассчитать по следующей формуле:

где:

I _MAX = максимальный обратный ток

P = номинальная мощность диода

В = напряжение стабилитрона

Стабилитроны производятся с определенным напряжением стабилитрона от 2.От 4 В до 200 В, и стабилитрон с заданным напряжением стабилитрона можно использовать последовательно с соответствующим резистором в цепи регулятора источника питания для поддержания постоянного выходного напряжения, даже если само напряжение питания подвержено колебаниям. В простой схеме регулятора напряжения, показанной ниже, используется один стабилитрон (Z), соединенный последовательно с резистором (R) и постоянным током. источник питания (в данном случае сухой аккумулятор на 12 В, напряжение которого со временем может упасть). Требуемое выходное напряжение составляет 8 В, а нагрузочное устройство потребляет ток 100 мА.

Простая схема регулятора питания

В этой схеме, пока напряжение питания превышает требуемое выходное напряжение (или, точнее, напряжение стабилитрона) на несколько вольт, напряжение на стабилитроне будет стабильным. Если мы выбираем резистор подходящего номинала, падение напряжения на резисторе ( В, _R ) всегда должно быть разницей между напряжением стабилитрона диода ( В, _Z ) и напряжением питания ( В, ). _{ПОСТАВКА} ).Наиболее близкое стандартное напряжение стабилитрона к требуемому выходному напряжению (8 В) составляет 8,2 В, что достаточно близко к целевому напряжению. В дополнение к току нагрузки стабилитрон будет потреблять как минимум еще 5 мА, поэтому максимальное значение тока ( I _MAX ) в 110 мА должно удовлетворять нашим требованиям (хорошее практическое правило — допускать от 10% до 20% сверх тока нагрузки). Мы также должны выбрать стабилитрон с подходящей номинальной мощностью, чтобы он мог выдерживать максимальный ток, который может протекать через него ( I _MAX ).Максимальную мощность, рассеиваемую диодом, можно рассчитать как:

В _Z × I _МАКС = 8,2 В × 0,110 A = 0,902 Вт

Самая низкая стандартная номинальная мощность стабилитрона, превышающая это значение, составляет 1,3 Вт, что должно быть вполне достаточным. Как уже упоминалось, падение напряжения на резисторе будет разницей между напряжением источника и напряжением стабилитрона (12 В — 8.2 В = 3,8 В). Используя закон Ома, мы можем рассчитать необходимое значение сопротивления следующим образом:

В R	=	3,8 В	= 34,545 Ом
I MAX		0,110 A

Ближайшее значение стандартного резистора, превышающее 34,545 Ом, составляет 39 Ом. Мы также должны убедиться, что номинальная мощность резистора соответствует работе.Мы можем рассчитать мощность, рассеиваемую в резисторе, как:

В _R × I _MAX = 3,8 В × 0,110 A = 0,418 Вт

Если бы мы могли быть разумно уверены, что напряжение питания никогда не превысит 12 В, мы, вероятно, могли бы обойтись резистором номиналом 0,5 Вт, хотя было бы разумно выбрать резистор номиналом 1 Вт или 2 Вт, просто на всякий случай. .Фактически, всегда стоит учитывать возможность возникновения ситуации перенапряжения при работе с относительно нестабильными источниками питания и учитывать это при выборе компонентов схемы.

.