Диод в схеме: Применение диодов

Применение диодов

Диоды являются одними из самых распространенных электронных компонентов. Они присутствуют практически во всех электронных приборах, которые мы ежедневно используем – от мобильного телефона до его зарядного устройства. В этой статье рассмотрим основные типы электронных схем, в которых диоды нашли свое применение.

1. Нелинейная обработка аналоговых сигналов

В связи с тем, что диоды относятся к элементам нелинейного типа, они применяются в детекторах, логарифматорах, экстрематорах, преобразователях частоты и в других устройствах, в которых предполагается нелинейная обработка аналоговых сигналов. В таких случаях диоды используют или как основные рабочие приборы – для обеспечения прохождения главного сигнала, или же в качестве косвенных элементов, например в цепях обратной связи. Указанные выше устройства значительно отличаются между собой и используются для разных целей, но применяемые диоды в каждом из них занимают очень важное место.

2. Выпрямители

Устройства, которые используются для получения постоянного тока из переменного называются выпрямителями. В большинстве случаев они включают в себя три главных элемента – это силовой трансформатор, непосредственно выпрямитель (вентиль) и фильтр для сглаживания. Диоды применяют в качестве вентилей, так как по своим свойствам они отлично подходят для этих целей.

3. Стабилизаторы

Устройства, которые служат для реализации стабильности напряжения на выходе источников питания, называются стабилизаторами. Они бывают разных видов, но каждый из них предполагает применение диодов. Эти элементы могут использоваться либо в цепях, отвечающих за опорные напряжения, либо в цепях, которые служат для коммутации накопительной индуктивности.

4. Ограничители

Ограничители – это специальные устройства, используемые для того, чтобы ограничивать возможный диапазон колебания различных сигналов. В цепях такого типа широко применяются диоды, которые имеют прекрасные ограничительные свойства. В сложных устройствах могут использоваться и другие элементы, но большинство ограничителей базируются на самых обычных диодных узлах стандартного типа.

5. Устройства коммутации

Диоды нашли применение и в устройствах коммутации, которые используются для того, чтобы переключать токи или напряжения. Диодные мосты дают возможность размыкать или замыкать цепь, которая служит для передачи сигнала. В работе применяется некоторое управляющее напряжение, под воздействием которого и происходит замыкание или размыкание. Иногда управляющим может быть сам входной сигнал, такое бывает в самых простых устройствах.

6.Логические цепи

В логических цепях диоды применяются для того, чтобы обеспечить прохождение тока в нужном направлении (элементы «И», «ИЛИ»). Подобные цепи используются в схемах аналогового и аналогово-цифрового типа. Здесь перечислены только основные устройства, в которых применяются диоды, но существует и много других, менее распространенных.

Светодиоды

Светодиоды представляют собой полупроводниковые диоды, которые излучают свет при прохождении через них электрического тока. Они могут излучать разные цвета и делятся на такие типы — 3 мм, 5мм, 8мм, SMD 0603, Top type, мигающий диод, диод с резистором, Star PCB, Emitter. В сравнении с традиционными лампами светодиоды обладают многими преимуществами – это экономичность, прочность, яркость света, долговечность, низкий нагрев в процессе работы. Что касается недостатков, то главным из них является цена, так как подобные приборы стоят достаточно дорого. Рассмотрим различные виды светодиодных устройств, которые чаще всего применяются на практике.

1. Одиночные светодиоды

Подобные устройства широко используются в самой разной аппаратуре в качестве лампочек индикации, которые чаще всего свидетельствуют о том, включен или выключен прибор. Кроме того, они применяются для освещения различных небольших пространств, например в автомобилях.

2. 7’Segment

Технология Seven-Segment Display с использованием светодиодов применяется в электронных часах, в различных измерительных приборах и в других технических средствах, которые предполагают отображение цифровой информации на дисплее. В таких целях светодиоды используются еще с 1910 года, но они не потеряли своей актуальности и сейчас. 7’Segment позволяет отображать простейшие данные на дисплее самым простым способом и с низкими энергозатратами.

3. Матрица светодиодов

Светодиодная матрица представляет собой определенное количество светодиодов, которые размещаются на одной площадке. Главные характеристики таких устройств это яркость и размеры. Большое количество применяемых диодов позволяет добиться высоких показателей освещения. Устанавливаются подобные матрицы чаще всего в специальных плафонах, которые могут использоваться в различных местах, например в салоне автомобиля, в его бардачке или в багажнике.

4. LED телевизоры

LED телевизоры – это телевизоры, принцип работы которых основывается на использовании светодиодов. Они дают возможность добиться хорошего качества изображения и позволяют экономить на электроэнергии. Благодаря небольшим размерам таких диодов, телевизионные экраны имеют значительно меньшую толщину, чем у традиционных моделей. Кроме того, подобные устройства характеризуются надежностью и достаточно большим сроком службы. Все телевизоры, изготовленные по этой технологии, имеют боковую подсветку экрана и подсветку за матрицей.

Как видим, несмотря на свою простоту, диоды нашли применение в самых разнообразных технических областях, и без их использования работа многих устройств весьма проблематична. Следует заметить, что диоды находят и новые сферы применения.

Какие характеристики диодов действительно имеют смысл?

Несмотря на свою простоту, некоторые технические характеристики современных диодов могут вызвать вопросы у неопытных разработчиков. Дело в том, что некоторые модели диодов были созданы 30 — 50 лет назад. Тогда же для них создавалась и сопутствующая документация. По этой причине в отрасли все еще используют многие устаревшие характеристики и определения, даже если речь касается новых моделей диодов. Старая документация создавалась с прицелом на оптимизацию серийного производства и минимизацию брака. В ней не учитывалась стратегия нулевых дефектов. Очевидно, что разница между этими подходами значительна.

В этой статье мы обсудим наиболее важные параметры, которые должны учитывать разработчики при выборе диодов. Мы также объясним, каким образом производители тестируют диоды и определяют их характеристики. В свою очередь, эти знания помогут разработчикам правильно оценивать характеристики, приведенные в документации.

Мы обсудим наиболее важные предельно допустимые параметры, такие как импульсный ток и напряжение пробоя, а также связанные с ними характеристики, например, I2t и ΔVf. Мы также рассмотрим максимальную температуру перехода и другие технические характеристики, которые требуются для оценки допустимого нагрева в различных приложениях, включая факторы, влияющие на тепловое сопротивление, а также уменьшение допустимого тока при разогреве (дирейтинг).

В статье будут предложены способы оценки надежности компонентов, а также будут обсуждаться другие параметры, в частности, ток утечки и значения Cpk. В настоящей статье обсуждаются только стандартные кремниевые диоды и мостовые выпрямители. Аналогичный обзор параметров для диодов Шоттки будет выполнен в следующей статье.

Предельно допустимые характеристики

На самом деле у диодов есть только две предельно допустимых характеристики: максимальный импульсный ток Ifsm и напряжение пробоя Vrrm. Превышение допустимых токов и напряжений может привести к катастрофическому отказу компонента. Существует несколько механизмов пробоя диодов. Чтобы определить конкретный механизм пробоя, используют растровые электронные микроскопы (SEM). Катастрофические отказы можно воспроизвести при испытаниях.

Уровень напряжения пробоя диодов Vrrm в обязательном порядке проверяют на производстве. Более того, такая проверка выполняется неоднократно, чтобы гарантировать нулевой уровень брака. В результате, разработчики могут не сомневаться в этом параметре и использовать его в расчетах. С другой стороны, проблемы могут возникнуть из-за превышения Vrrm. Большинство стандартных диодов имеют много различных исполнений с рабочими напряжениями от 100 В до 1000 В, однако для производства каждого из них используют один и тот же тип кристалла (или два типа кристаллов). Дело в том, что при массовом производстве неизбежны отклонения. Это и объясняет различия в значениях напряжения пробоя.

Устройства, в которых диод сталкивается с превышением рейтинга напряжения Vrrm, могут без отказов отработать в лабораторных условиях и в прототипах. Однако при крупносерийном производстве подобных изделий поставщику вряд ли удастся обеспечить нулевой уровень отказов. Как правило, диоды не предназначены для работы в режиме лавинообразного пробоя (если об этом напрямую не сказано в документации).

Превышение Vrrm не рекомендуется, так как лавинный ток обычно происходит по поверхности кристалла, а не в его объеме. Разумеется, если производитель определяет стойкость диода к лавинному пробою, то это очень хорошо и является признаком надежности компонента. Однако к этому нужно относиться очень осторожно, так как условия испытаний, используемые производителем, могут существенно отличаться от параметров конкретной схемы. Очень часто в документации приводят параметры устойчивости диодов к одиночным выбросам напряжения, в то время как для реальных схем, как правило, характерны повторяющиеся импульсы перенапряжений.

Импульсный ток Ifsm не тестируется при серийном производстве, но гарантируется конструкцией самого диода. Длительность импульсов тока в большинстве AC/DC-преобразователей не превышает 1,5 мс. Переходное тепловое сопротивление является ключевым параметром, который определяет надежность работы диода. Устойчивость диода к импульсам тока длительностью 1,5 мс определяется размером кристалла и качеством его разварки. Качество разварки в свою очередь очень сильно зависит от качества паяных соединений и способности производителя минимизировать количество пустот в объеме припоя.

Обычно в документации приводят значения Ifsm для импульса 8,3 мс или синусоидальной волны 10 мс и резистивной нагрузки, что соответствует работе линейного источника питания 50/60 Гц. Очевидно, что эти условия испытаний были разработаны еще в прошлом веке и являются устаревшими, так как современные источники питания в большинстве своем оказываются импульсными и обычно работают с емкостной нагрузкой. Для них длительность пускового тока существенно меньше, чем 10 мс.

Некоторые разработчики стараются использовать значения I2t, которые обычно приводят в документации. Однако здесь также легко ошибиться. Величина прямого падения напряжения Vf не является постоянной даже для больших токов, кроме того формы сигналов различаются. По этой причине I2t позволяет выполнять только ориентировочные расчеты. Таким образом, разработчику в любом случае потребуется проверять свои расчеты на прототипах.

Большинство производителей диодов контролируют значение ΔVf в ходе заключительной программы испытании. В ходе таких испытаний измеряется прямое падение напряжения на диоде (Vf) до и после воздействия короткого импульса тока. Хорошо известно, что для диодов значение Vf имеет отрицательный температурный коэффициент. Таки образом, по изменению ΔVf можно судить о тепловом сопротивлении компонента и при необходимости отбраковывать диоды с плохим качеством разварки кристалла.

Для того чтобы свести к нулю число отказов, необходимо обратиться к производителю и обсудить с ним некоторые аспекты производственных процессов и дирейтинг тока с учетом особенностей вашего конкретного приложения.

Температура перехода

Максимально допустимая температура перехода для диода (Tj) необходима для определения рейтинга тока, а также используется при проведении испытаний надежности и при оценке долгосрочной надежности с использованием уравнения Аррениуса.

Диоды – это устройства с сильной температурной зависимостью. Наиболее важное уравнение, используемое для теплового анализа работы диода, имеет вид:

T_j = T_a + P_d*R_thj-a

где T_j – температура перехода, T_a – температура окружающей среды, P_d – рассеиваемая мощность, а R_thj-a – это теплового сопротивление переход – окружающее пространство.

Если не учитывать ток утечки и потери на переключения, то мощность, рассеиваемую на диоде, можно рассчитать как P_d = I_f * V_f. Так как прямое падение на диоде является величиной практически постоянной, то ограничение мощности в первую очередь определяется рейтингом тока. Очевидно, что допустимый ток зависит от температуры кристалла, а значит и от эффективности отвода тепла от кристалла. Уменьшение предельного тока при разогреве называют «дирейтингом». К сожалению, очень часто из маркетинговых соображений график дирейтинга тока, искусственно «приукрашивается». Если выбрать низкое значение Rthj-a (иногда совсем нереальное) можно сдвинуть точку излома графика в сторону более высоких температур, тем самым сделать дирейтинг тока более привлекательным. В качестве примера мы взяли график снижения тока для 1N4007 (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость максимального прямого тока от температуры (дирейтинг) для кремниевого диода общего назначения 1N4007

Как уже было сказано выше, точка излома этой характеристики определяется тепловым сопротивлением кристалл-окружающая среда Rthj-a. Значение Rthj-a может быть выбрано производителем произвольно и очень часто занижается из маркетинговых соображений. Очевидно, что при различных показателях Rthj-a токовая нагрузка диода может изменяться в очень широких пределах. Такой неоднозначности можно избежать, если производитель будет строить график дирейтинга тока в зависимости от температуры корпуса Tc, а не от температуры окружающей среды Ta, и при этом, укажет конкретное значение Rthj-l.

Однако, даже когда производитель указывает дирейтинг с учетом Tc, а не Ta, разработчики все равно должны быть осторожны (особенно в случае с SMD-компонентами). В большинстве устройств тепловое сопротивление состоит из двух частей: тепловое сопротивление переход-корпус (или переход-вывод) и тепловое сопротивление корпус-среда (вывод-среда). Если компонент не имеет внешнего теплоотвода, то основной вклад в общее тепловое сопротивление вносит сопротивление корпус-среда (до 75%). Очевидно, что в таких случаях дирейтинг с учетом Tc становится бессмысленным. Концепция бесконечного радиатора является чисто теоретической – она не может быть реализована на практике.

Производители могут использовать различные условия испытаний, что приводит к тому, что рейтинги тока, представленные в документации, оказываются не столь однозначными и способны вводить в заблуждение разработчиков. Другими словами указание рейтинга тока 2 А или 5 А может не имеет особого практического смысла. Более эффективным будет сравнение диодов по их Vf и по условиям испытаний. Большинство поставщиков включают типовые ВАХ в документацию. Вольт-амперные характеристики являются объективными – их нельзя подстроить по желанию маркетингового отдела. Они позволяют объективно сравнивать диоды.

Максимальная температура перехода также играет очень важную роль с точки зрения надежности. Обратите внимание, что производители диодов могут сами выбирать, как определять максимальную температуру кристалла и как проводить тестирование надежности. Но если компонент сертифицируется согласно требованиям AEC Q101, то условия испытаний становятся четко определенными. Высокотемпературное тестирование с обратным смещением (High-temperature reverse-bias, HTRB) особенно важно для определения надежности. Компоненты, соответствующие требованиям AEC Q101, в обязательном порядке проходят испытания для определения Tj и пробивного напряжения (DC/RMS). Если диод не сертифицирован согласно AEC Q101, то разработчику следует ознакомиться, каким образом производитель выполняет тест HTRB.

Важно понимать, что в документации приводится максимальная температура, однако использование компонента при более низкой температуре позволит снизить количество отказов. Чтобы объяснить эту закономерность, следует изучить факторы ускорения химической реакции в уравнении Аррениуса. Если вы разрабатываете электронику для автомобильной техники с номинальным бортовым напряжением 12 В, то вашими основными инструментами для оценки долгосрочной надежности и вероятности отказов станут модель Коффина-Менсона и испытания с термоциклированием. Однако в случае неавтомобильных приложений, таких как AC/DC- и DC/DC-преобразователи, следует использовать уравнение Аррениуса.

Производители обычно предоставляют значение интенсивности отказов FIT (failures in time) для температуры 55 °C с определенным уровнем достоверности, например, 60% или 90%. Значение FIT определяется как отношение количества отказов на один миллиард устройство-часов. Если разработчик учтет коэффициент ускорения AF, то он сможет определить, каким будет FIT в его устройстве. Коэффициент AF высчитывается для заданной температуры Tj, после чего умножается на значение FIT при 55 °C. В таблице 1 приведены коэффициенты ускорения, рассчитанные с энергией активации 0,7 эВ, которая является стандартной для кремниевых диодов.

Таблица 1. Коэффициенты ускорений для различных температур перехода

Tj  (°C)	AF
55	1
100	19
110	34
120	58
130	97
140	158
149	240
150	251
151	263

Во многих компаниях существует правило, согласно которому допустимый перегрев корпусов компонентов не должен превышать 90 °C. Для диодов это обычно соответствует температуре кристалла Tj от 100 °C до 110 °C. Это очень хорошее правило. Мы также включили в таблицу значения AF для 149 °C и 151 °C, чтобы подчеркнуть, что для диодов с максимальной температурой кристалла Tj 150 °C разница в частоте отказов между 149 °C и 151 C не так велика. Однако и в том, и в другом случае уровень отказов оказывается очень высоким.

Другие параметры

Для многих стандартных диодов в документации указывают предельные значения токов утечки (Ir): 1 мкА или 5 мкА. Такие значения были вполне адекватными 30…50 лет назад, однако за эти годы было сделано много технологических улучшений. Сегодня кривая распределения токов утечки ограничивается сотнями нА, в зависимости от размера кристалла. Таким образом, указанные предельные значения 5 мкА или даже 1 мкА не имеют смысла.

В документации обычно указываются значения Cpk (индекса возможностей процесса) от 20 и более. Значение Cpk не характеризует уровень погрешности ppm, но указывает на ошибку указанных значений. На самом деле диоды, для которых ток утечки располагается между нормальным распределением и предельными значениями (от 1 до 5 мкА), являются наиболее вероятными причинами сбоев в работе. Они имеют механические повреждения, проблемы с пассивацией или другие дефекты. Вместо того чтобы полагаться на значения, приведенные в документации, разработчик, стремящийся приблизить количество отказов к нулю, должен спросить у производителя, выполняет ли он PAT-тестирование (part average tested) для своих компонентов (рис. 2).

Рис. 2. PAT-тестирование предназначено для обнаружения явных отклонений

PAT-тестирование оказывается гораздо полезнее, чем табличные предельные значения, и связывает спецификацию теста с нормальным распределением (методология 6 сигм). Это гарантирует, что компоненты с низкой надежностью будут обнаружены. Если диод должен иметь напряжение пробоя 1000 В, но не соответствует этой спецификации, то его либо отбраковывают, либо понижают рейтинг напряжения и продают как 100 В диод. Но первоначальный провал теста показывает, что у компонента есть дефект, и его надежность будет ниже.

Заключение

Диоды производятся миллиардами штук ежегодно. Во время работы им приходится сталкиваться с различными негативными факторами, например бросками напряжения или перегревом. Обычно при исследовании температурного профиля печатной платы оказывается, что именно диоды являются самыми горячими компонентами. В результате риск отказа диодов может быть выше, чем для других компонентов.

Однако, следуя основным правилам и имея представление о процессе производства и программе испытаний, можно минимизировать риск отказа диода при работе в составе реальных устройств.

Источник: http://www.how2power.com

Для чего нужен диод в электрической цепи

Особенности, назначение, устройство и принцип работы диода

Диод — это электронный элемент, который обладает различной проводимостью. Он изготовлен на полупроводниковой основе и предназначен для выполнения разнообразных действий с поступающими электрическими сигналами. Применяется это приспособление не только в промышленности, электронике, но и в повседневной жизни. Большинство современного оборудования имеет в своём составе несколько таких элементов.

Общие сведения

Прежде чем рассматривать, как работает диод, необходимо подробно изучить его устройство, разновидности и узнать, зачем он применяется. Это поможет лучше понять принцип действия и выбрать максимально эффективное приспособление для определённого оборудования.

Устройство диода

Диод (от англ. diode) выглядит просто и имеет конструкцию, состоящую из небольшого количества элементов. Это позволяет мастерам не приобретать дорогостоящие изделия, а изготавливать их своими руками. Самодельные приспособления хоть и стоят намного дешевле, но выполняют те же функции, что и покупные.

Так как диоды часто изображаются на электросхемах, то определение их параметров считается довольно важным мероприятием. Обозначением для этих элементов служит комбинация символов VD1, VD2 и так далее.

Схема диода предусматривает наличие следующих элементов:

1. Корпус. Он представляет собой стеклянный, керамический или металлический вакуумный баллон.
2. Два электрода (катод и анод). Они располагаются внутри баллона и используются для обеспечения эмиссии электронов. Чаще всего применяются электроды косвенного накала, которые имеют цилиндрическую форму, и обладают специальным слоем, испускающим электроны. В некоторых старых конструкциях можно встретить эти элементы в виде тонкой нити, накаливающейся в процессе работы приспособления.
3. Подогреватель. Он находится внутри катода и устроен в виде проволоки, которая накаливается из-за прохождения электрического тока.
4. Диодный кристалл. Для изготовления этого элемента применяется германий или кремний. Одна его часть проводит электричество и имеет недостаточное количество электронов, а вторая — избыток.
5. P-n переход — область между первой и второй частью диодного кристалла.

Принцип действия

Принцип работы диода довольно простой и разобраться в нём сможет не только профессионал, но и новичок. Для этого не нужно иметь специальное образование или навыки работы с таким приспособлением, а достаточно обладать общим представлением об устройстве.

Принцип действия диода:

1. Электрический ток проходит через устройство и воздействует на катод диода.
2. Из-за этого подогреватель постепенно накаляется, а электрод начинает испускать электроны.
3. Следствием этого становится образование электрического поля между двумя электродами, которое является катализатором процесса притяжения электронов к аноду, обладающему положительным зарядом. Благодаря этому образуется эмиссионный ток.
4. Пространственный отрицательный заряд, который появляется между двумя электродами, препятствует движению электронов к аноду. Из-за этого часть их меняет своё направление, и начинает двигаться к катоду.
5. Попавшие на анод электроны образуют анодный ток, параметры которого соответствуют катодному.
6. Если электрическое поле, возникшее между электродами, препятствует возвращению частиц на катод, то электродиод остаётся в запертом состоянии. Всё это приводит к размыканию цепи.

Разновидности приспособлений

Производители электронных элементов делают несколько типов диодов. Все они немного отличаются друг от друга, имеют различные свойства, а также используются для достижения определённых целей.

Диоды бывают:

1. Выпрямительные. Это наиболее распространённый тип приспособлений, который используется в устройствах, способствующих преобразованию переменного тока промышленной частоты в постоянный.
2. Высокочастотные. Большинство моделей современного оборудования функционируют при рабочей частоте в несколько гигагерц. В таких конструкциях применяются специальные диоды, рассчитанные на высокую частоту.
3. Переключающие. Эти приспособления используются в тех схемах, где диод должен работать в различных режимах. В одном из них он оказывается смещённым в прямом направлении, а в другом — в обратном.
4. Стабилитроны. Такие элементы применяются только в конструкциях, помогающих стабилизировать напряжение, поступающее к оборудованию.
5. Варикапы. Они используются в параметрических усилителях и прочих подобных устройствах. С их помощью происходит коррекция частотной модуляции и автоматическая подстройка частоты.
6. Диоды Шоттки. Назначение этого приспособления — малое падение напряжения при прямом включении. Область их применения ограничивается низковольтными электрическими цепями.
7. Тиристоры (управляемые диоды). Они часто применяются в схемах, которые предназначены для плавного пуска двигателя, регулировки мощности или включения лампочки.
8. Симисторы. Эта разновидность диодов используется для обеспечения работы систем, питающихся от переменного напряжения, так как способна пропускать электричество в обоих направлениях. Они представляют собой 2 тиристора, соединённые между собой.

Область применения

Диоды широко применяются по всему миру и входят в состав различных приспособлений. В большинстве случаев несколько таких элементов объединяются в общую конструкцию. Их количество выбирается исходя из типа и особенностей каждой схемы.

Использование диодов в электротехнике:

1. На устройство подаётся электрический ток, под воздействием которого образуется электрическое поле в области между двумя электродами. Его направление будет противоположным по отношению к внутреннему диффузионному полю.
2. Затем происходит резкое сужение запирающего слоя, которое получается из-за значительного снижения напряжения электрического поля.
3. Следствием этого станет способность большинства электронов свободно перемещаться из одной области (n-типа) в другую (p-типа).
4. Во время этого процесса показатели дрейфового тока не изменятся, так как они зависят только от количества заряженных частиц, находящихся в области p-n перехода.
5. Электроны способны перемещаться из n-области в p-область, что приводит к дисбалансу их концентрации. В одной из областей будет недостаток частиц, а в другой — избыток.
6. Из-за этого часть электронов перемещается вглубь полупроводника, что становится причиной разрушения его электронейтральности.
7. В этом случае полупроводник стремится к восстановлению своей нейтральности и начинает получать заряд от подключённого источника питания. Всё это приводит к образованию тока во внешней электроцепи.

Обратный метод

Этот способ подключения диода к общей схеме используется гораздо реже. В его основе лежит изменение полярности внешнего источника питания, который участвует в процессе передачи напряжения.

Особенности функционирования диода при обратном включении:

1. После включения источника питания в области p-n перехода образуется электрическое поле. Его направление будет одинаковым с внутренним диффузионным полем.
2. Из-за этого будет происходить расширение запирающего слоя.
3. Находящееся в области p-n перехода поле будет ускорять движение электронов, но оставлять неизменными показатели дрейфующего тока.
4. Из-за всех этих действий будет постепенно нарастать обратное напряжение, которое поспособствует стремлению электрического тока к максимальным значениям.

Возможные неисправности

Во время работы устройств с диодами могут возникать различные поломки. Это происходит из-за старения элементов или их амортизации.

Специалисты по ремонту различают 4 вида неисправностей.

Среди них такие:

1. Электрический пробой. Это одна из наиболее распространённых поломок, которые встречаются у диодов. Она является обратимой, так как не приводит к разрушению диодного кристалла. Исправить её можно путём постепенного снижения подаваемого напряжения.
2. Тепловой пробой. Такая неисправность более губительна для диода. Она возникает из-за плохого теплоотвода или перегрева в области p-n перехода. Последний образуется только в том случае, если устройство питается от тока с чрезмерно высокими показателями. Без проведения ремонтных мероприятий проблема только усугубится. При этом произойдёт рост колебания атомов диодного кристалла, что приведёт к его деформации и разрушению.
3. Обрыв. При возникновении этой неисправности устройство прекращает пропуск электрического тока в обоих направлениях. Таким образом, он становится изолятором, блокирующим всю систему. Для устранения поломки нужно точно определить её местонахождение. Для этого следует применять специальные высокочувствительные тестеры, которые повысят шанс обнаружить обрыв.
4. Утечка. Под этой поломкой понимают нарушение целостности корпуса, вызванного физическим или иным воздействием на прибор.

Диод — важный элемент конструкции, который обеспечивает исправную и бесперебойную работу устройства. При правильном выборе этого элемента и обеспечении оптимальных условий работы можно избежать каких-либо неисправностей.

Диоды (часть 1). Устройство и работа. Характеристики и особенности

Самым простым по конструкции в семействе полупроводников являются диоды, имеющие в конструкции всего два электрода, между которыми существует проводимость электрического тока в одну сторону. Такой вид проводимости в полупроводниках создается благодаря их внутреннему устройству.

Особенности устройства

Не зная конструктивных особенностей диода, нельзя понять его принципа действия. Структура диода состоит из двух слоев с проводимостью различного вида.

Диод состоит из следующих основных элементов:

• Корпус . Выполняется в виде вакуумного баллона, материалом которого может быть керамика, металл, стекло и другие прочные материалы.
• Катод . Он расположен внутри баллона, служит для образования эмиссии электронов. Наиболее простым устройством катода является тонкая нить, раскаляющаяся в процессе действия. Современные диоды оснащены косвенно накаляющимися электродами, которые выполнены в виде металлических цилиндров со свойством активного слоя, имеющего возможность испускать электроны.
• Подогреватель . Это особый элемент в виде нити, раскаляющейся от электрического тока. Подогреватель расположен внутри косвенно накаляющегося катода.
• Анод . Это второй электрод диода, служащий для приема электронов, вылетевших от катода. Анод имеет положительный потенциал, по сравнению с катодом. Форма анода чаще всего так же, как и катода, цилиндрическая. Оба электрода аналогичны эмиттеру и базе полупроводников.
• Кристалл . Его материалом изготовления является германий или кремний. Одна часть кристалла имеет р-тип с недостатком электронов. Другая часть кристалла имеет n-тип проводимости с избытком электронов. Граница, расположенная между этими двумя частями кристалла, называется р-n переходом.

Эти особенности конструкции диода позволяют ему проводить ток в одном направлении.

Принцип действия

Работа диода характеризуется его различными состояниями, и свойствами полупроводника при нахождении в этих состояниях. Рассмотрим подробнее основные виды подключений диодов, и какие процессы происходят внутри полупроводника.

Диоды в состоянии покоя

Если диод не подключен к цепи, то внутри него все равно происходят своеобразные процессы. В районе «n» есть излишек электронов, что создает отрицательный потенциал. В области «р» сконцентрирован положительный заряд. Совместно такие заряды создают электрическое поле.

Так как заряды с разными знаками притягиваются, то электроны из «n» проходят в «р», при этом заполняют дырки. В итоге таких процессов в полупроводнике появляется очень слабый ток, увеличивается плотность вещества в области «р» до определенного значения. При этом частицы расходятся по объему пространства равномерно, то есть, происходит медленная диффузия. Вследствие этого электроны возвращаются в область «n».

Для многих электрических устройств направление тока не имеет особого значения, все работает нормально. Для диода же, большое значение имеет направление протекания тока. Основной задачей диода является пропускание тока в одном направлении, чему благоприятствует переход р-n.

Обратное включение

Если диоды подсоединять к питанию по изображенной схеме, то ток не будет проходить через р-n переход. К области «n» подсоединен положительный полюс питания, а к «р» — минусовой. В итоге электроны от области «n» переходят к плюсовому полюсу питания. Дырки притягиваются минусовым полюсом. На переходе возникает пустота, носители заряда отсутствуют.

При повышении напряжения дырки и электроны осуществляют притягивание сильнее, и на переходе нет носителей заряда. При обратной схеме включения диода ток не проходит.

Повышение плотности вещества возле полюсов создает диффузию, то есть, стремление к распределению вещества по объему. Это возникает при выключении питания.

Обратный ток

Вспомним о работе неосновных переносчиков заряда. При запертом диоде, через него проходит малая величина обратного тока. Он и образуется от неосновных носителей, двигающихся в обратном направлении. Такое движение возникает при обратной полярности питания. Обратный ток обычно незначительный, так как число неосновных носителей очень мало.

При возрастании температуры кристалла их число повышается и обуславливает повышение обратного тока, что обычно приводит к повреждению перехода. Для того, чтобы ограничить температуру работы полупроводников, их корпус монтируют на теплоотводящие радиаторы охлаждения.

Прямое включение

Поменяем местами полюса питания между катодом и анодом. На стороне «n» электроны будут отходить от отрицательного полюса, и проходить к переходу. На стороне «р» дырки, имеющие положительный заряд, оттолкнутся от положительного вывода питания. Поэтому электроны и дырки начнут стремительное движение друг к другу.

Частицы с разными зарядами скапливаются возле перехода, и между ними образуется электрическое поле. Электроны проходят через р-n переход и двигаются в область «р». Часть электронов рекомбинирует с дырками, а остальные проходят к положительному полюсу питания. Возникает прямой ток диода, который имеет ограничения его свойствами. При превышении этой величины диод может выйти из строя.

При прямой схеме диода, его сопротивление незначительное, в отличие от обратной схемы. Считается, что обратно ток по диоду не проходит. В результате мы выяснили, что диоды работают по принципу вентиля: повернул ручку влево – вода течет, вправо – нет воды. Поэтому их еще называют полупроводниковыми вентилями.

Прямое и обратное напряжение

Во время открытия диода, на нем имеется прямое напряжение. Обратным напряжением считается величина во время закрытия диода и прохождения через него обратного тока. Сопротивление диода при прямом напряжении очень мало, в отличие от обратного напряжения, возрастающего до тысяч кОм. В этом можно убедиться путем измерения мультиметром.

Сопротивление полупроводникового кристалла может изменяться в зависимости от напряжения. При увеличении этого значения сопротивление снижается, и наоборот.

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

Характеристика диодов

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

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

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

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

Для чего нужен диод в электрической цепи

В механике есть такие устройства, которые пропускают воздух или жидкость только в одном направлении. Вспомните, как вы накачивали колесо велосипеда или автомобиля. Почему, когда вы убирали шланг насоса, воздух не выходил из колеса? Потому что на камере, в пипочке, куда вы вставляете шланг насоса, есть такая интересная штучка – ниппель. Вот он как раз пропускает воздух только в одном направлении, а в другом направлении блокирует его прохождение.

Электроника – эта та же самая гидравлика или пневматика. Но весь прикол заключается в том, что в электронике вместо жидкости или воздуха используется электрический ток. Если провести аналогию: бачок с водой – это заряженный конденсатор, шланг – это провод, катушка индуктивности – это колесо с лопастями

которое невозможно сразу разогнать, а потом невозможно резко остановить.

Тогда что такое ниппель в электронике? А ниппелем мы будем называть радиоэлемент – диод. И в этой статье мы познакомимся с ним поближе.

Что такое диод

Полупроводниковый диод представляет из себя элемент, который пропускает электрический ток только в одном направлении и блокирует его прохождение в другом направлении. Это своеобразный ниппель ;-).

Некоторые диоды выглядят почти также как и резисторы:

А некоторые выглядят чуточку по другому:

Есть также и SMD исполнение диодов:

Диод имеет два вывода, как и резистор, но у этих выводов, в отличие от резистора, есть определенные названия – анод и катод ( а не плюс и минус, как говорят некоторые неграмотные электронщики). Но как же нам определить, что есть что? Есть два способа:

1) на некоторых диодах катод обозначают полоской, отличающейся от цвета корпуса

2) можно проверить диод с помощью мультиметра и узнать, где у него катод, а где анод. Заодно проверить его работоспособность. Этот способ железный ;-). Как проверить диод с помощью мультиметра можно узнать в этой статье.

Если подать на анод плюс, а на катод минус, то у нас диод “откроется” и электрический ток спокойно по нему потечет. А если же на анод подать минус, а на катод – плюс, то ток через диод не потечет. Своеобразный ниппель ;-). На схемах простой диод обозначают вот таким образом:

Где находится анод, а где катод очень легко запомнить, если вспомнить воронку для наливания жидкостей в узкие горлышки бутылок. Воронка очень похожа на схему диода. Наливаем в воронку, и жидкость у нас очень хорошо бежит, а если ее перевернуть, то попробуй налей-ка через узкое горлышко воронки ;-).

Характеристики диода

Давайте рассмотрим характеристику диода КД411АМ. Ищем его характеристики в интернете, вбивая в поиск “даташит КД411АМ”

Для объяснения параметров диода, нам также потребуется его ВАХ

1) Обратное максимальное напряжение U_обр – это такое напряжение диода, которое он выдерживает при подключении в обратном направлении, при этом через него будет протекать ток I_обр – сила тока при обратном подключении диода. При превышении обратного напряжения в диоде возникает так называемый лавинный пробой, в результате этого резко возрастает ток, что может привести к полному тепловому разрушению диода. В нашем исследуемом диоде это напряжение равняется 700 Вольт.

2) Максимальный прямой ток I_пр – это максимальный ток, который может течь через диод в прямом направлении. В нашем случае это 2 Ампера.

3) Максимальная частота F_d, которую нельзя превышать. В нашем случае максимальная частота диода будет 30 кГц. Если частота будет больше, то наш диод будет работать неправильно.

Виды диодов

Стабилитроны

Стабилитроны представляют из себя те же самые диоды. Даже из названия понятно, чтоб стабилитроны что-то стабилизируют. А стабилизируют они напряжение. Но чтобы стабилитрон выполнял стабилизацию, требуется одно условие. Они должны подключатся противоположно, чем диоды. Анод на минус, а катод на плюс. Странно не правда ли? Но почему так? Давайте разберемся. В Вольт амперной характеристике (ВАХ) диода используется положительная ветвь – прямое направление, а вот в стабилитроне другая часть ветки ВАХ – обратное направление.

Снизу на графике мы видим стабилитрон на 5 Вольт. Сколько бы у нас не изменялась сила тока, мы все равно будем получать 5 Вольт ;-). Круто, не правда ли? Но есть и подводные камни. Сила тока не должны быть больше, чем в описании на диод, иначе он выйдет из строя от высокой температуры – Закон Джоуля-Ленца. Главный параметр стабилитрона – это напряжение стабилизации (Uст). Измеряется в Вольтах. На графике вы видите стабилитрон с напряжением стабилизации 5 Вольт. Также есть диапазон силы тока, при котором будет работать стабилитрон – это минимальный и максимальный ток (I_min, I_max). Измеряется в Амперах.

Выглядят стабилитроны точно также, как и обычные диоды:

На схемах обозначаются вот так:

Светодиоды

Светодиоды – особый класс диодов, которые излучают видимый и невидимый свет. Невидимый свет – это свет в инфракрасном или ультрафиолетовом диапазоне. Но для промышленности все таки большую роль играют светодиоды с видимым светом. Они используются для индикации, оформления вывесок, светящихся баннеров, зданий а также для освещения. Светодиоды имеют такие же параметры, как и любые другие диоды, но обычно их максимальный ток значительно ниже.

Предельное обратное напряжение (U_обр) может достигать 10 Вольт. Максимальный ток (I_max) будет ограничиваться для простых светодиодов порядка 50 мА. Для осветительных больше. Поэтому при подключении обычного диода нужно вместе с ним последовательно подключать резистор. Резистор можно рассчитать по нехитрой формуле, но в идеале лучше использовать переменный резистор, подобрать нужное свечение, замерять номинал переменного резистора и поставить туда постоянный резистор с таким же номиналом.

Лампы освещения из светодиодов потребляют копейки электроэнергии и стоят дешево.

Очень большим спросом пользуются светодиодные ленты, состоящие из множества SMD светодиодов. Смотрятся очень красиво.

На схемах светодиоды обозначаются так:

Не забываем, что светодиоды делятся на индикаторные и осветительные. Индикаторные светодиоды обладают слабым свечением и используются для индикации каких-либо процессов, происходящих в электронной цепи. Для них характерно слабое свечение и малый ток потребления

Ну и осветительные светодиоды – это те, которые используются в ваших китайских фонариках, а также в LED-лампах

Светодиод – это токовый прибор, то есть для его нормальной работы требуется номинальный ток, а не напряжение. При номинальном токе на светодиоде падает некоторое напряжение, которое зависит от типа светодиода (номинальной мощности, цвета, температуры). Ниже табличка, показывающая какое падение напряжения бывает на светодиодах разных цветов свечения при номинальном токе:

Как проверить светодиод можно узнать из этой статьи.

Тиристоры

Тиристоры представляют собой диоды, проводимость которых управляется с помощью третьего вывода – управляющего электрода (УЭ). Основное применение тиристоров – это управление мощной нагрузкой с помощью слабого сигнала, подаваемого на управляющий электрод. Выглядят тиристоры примерно как диоды или транзисторы. У тиристоров параметров столько, что не хватит статьи для их описания. Главный параметр – I_ос,ср. – среднее значение тока, которое должно протекать через тиристор в прямом направлении без вреда для его здоровья. Немаловажным параметром является напряжение открытия тиристор – (U_у), которое подается на управляющий электрод и при котором тиристор полностью открывается.

а вот так примерно выглядят силовые тиристоры, то есть тиристоры, которые работают с большой силой тока:

На схемах триодные тиристоры выглядят вот таким образом:

Существуют также разновидности тиристоров – динисторы и симисторы. У динисторов нет управляющего электрода и он выглядит, как обычный диод. Динисторы начинают пропускать через себя электрический ток в прямом включении, когда напряжение на нем превысит какое-то значение. Симисторы – это те же самые триодные тиристоры, но при включении пропускают через себя электрический ток в двух направлениях, поэтому они используются в цепях с переменным током.

Диодный мост и диодные сборки

Производители также несколько диодов заталкивают в один корпус и соединяют их между собой в определенной последовательности. Таким образом получаются диодные сборки. Диодные мосты – одна из разновидностей диодных сборок.

На схемах диодный мост обозначается вот так:

Существуют также и другие виды диодов, такие как варикапы, диод Ганна, диод Шоттки и тд. Для того, чтобы их всех описать, нам не хватит и вечности.

Устройство и принцип работы диода

Диод — простейший полупроводниковый прибор, который можно встретить сегодня на печатной плате любого электронного устройства. В зависимости от внутренней структуры и технических характеристик, диоды классифицируются на нескольких видов: универсальные, выпрямительные, импульсные, стабилитроны, туннельные диоды и варикапы. Они применяются для выпрямления, ограничения напряжения, детектирования, модуляции и т. д. – в зависимости от назначения устройства, в котором применяются.

Основа диода — p-n-переход, сформированный полупроводниковыми материалами с двумя разными типами проводимости. К кристаллу диода присоединены два вывода, называемые катод (минусовой электрод) и анод (плюсовой электрод). На стороне анода находится область полупроводника p-типа, а на стороне катода — область n-типа. Данное устройство диода обеспечивает ему уникальное свойство — он проводит ток лишь в одном (прямом) направлении, от анода — к катоду. В обратном направлении обычный исправный диод ток не проводит.

В области анода (p-типа), основными носителями заряда являются положительно заряженные дырки, а в области катода (n-типа) — отрицательно заряженные электроны. Выводы диода представляют собой контактные металлические поверхности к которым и припаяны выводы.

Когда диод проводит ток в прямом направлении, это значит что он находится в открытом состоянии. Если ток через p-n-переход не идет, значит диод закрыт. Таким образом, диод может находиться в одном из двух устойчивых состояний: или открыт или закрыт.

Включив диод в цепь источника постоянного напряжения, анодом к плюсовой клемме, а катодом – к минусовой, получим смещение p-n-перехода в прямом направлении. И если напряжение источника окажется достаточным (для кремниевого диода хватит 0,7 вольт), то диод откроется и начнет проводить ток. Величина этого тока будет зависеть от величины приложенного напряжения и от внутреннего сопротивления диода.

Почему диод перешел в проводящее состояние? Потому что при правильном включении диода, электроны из n-области, под действием ЭДС источника, устремились к его положительному электроду, навстречу дыркам из p-области, которые теперь движутся в сторону отрицательного электрода источника, навстречу электронам.

На границе областей (на самом p-n-переходе) в это время происходит рекомбинация электронов и дырок, их взаимное поглощение. А источник вынужден непрерывно поставлять новые электроны и дырки в область p-n-перехода, увеличивая их концентрацию.

А что случится если диод включить наоборот, катодом к плюсовой клемме источника, а анодом — к минусовой?Дырки и электроны разбегутся в разные стороны — к выводам — от перехода, и в окрестности перехода возникнет зона обедненная носителями заряда — потенциальный барьер. Ток обусловленный основными носителями заряда (электронами и дырками) попросту не возникнет.

Но кристалл диода не идеален, в нем кроме основных носителей заряда присутствуют еще и неосновные носители заряда, которые и создадут очень незначительный обратный ток диода, измеряемый микроамперами. Но диод в данном состоянии закрыт, так как p-n-переход его смещен в обратном направлении.

Напряжение, при котором диод переходит из закрытого состояния в открытое, называется прямым напряжением диода (смотрите – Основные параметры диодов), которое по сути является падением напряжения на p-n-переходе. Сопротивление диода току в прямом направлении не постоянно, оно зависит от величины тока через диод и имеет размер порядка единиц Ом. Напряжение обратной полярности, при котором диод закрывается, называется обратным напряжением диода. Обратное сопротивление диода в этом состоянии измеряется тысячами Ом.

Очевидно, диод может переходить из открытого состояния в закрытое и обратно при смене полярности приложенного к нему напряжения. На данном свойстве диода основана работа выпрямителя. Так, в цепи синусоидального переменного тока диод будет проводить ток лишь во время положительной полуволны, а во время отрицательной — будет заперт.

Что такое диод — принцип работы и устройство

Диод –это один из самых простых приборов-полупроводников. У него есть две области с разными типами проводимости: положительный и отрицательный электрод. Это есть то, из чего состоит диод: анод, катод иp-n переход. Существует несколько разновидностей приборов.

Электровакуумные диоды

Вакуумный диод – это устройство в виде стеклянной лампы или металлокерамического баллона. Из него откачивают воздух и помещают внутрь два электрода с нитью накаливания – проводником. Она соединяется с катодом и нагревается внешним током.

Принцип работы

У диода принцип работы основан на односторонней проводимости. В электровакуумных приборах это достигается следующим образом:

1. Нить накаливания нагревается, передавая тепло катоду, который начинает испускать электроны.
2. Анод притягивает частицы только на «плюсе».
3. Анод, подключенный к «минусу»,начнет отталкивать электроны, и тока в цепи не будет.

Благодаря принципу действия диода, основанному на управлении потоком электронов, такие устройства также называют ламповыми.

Конструкция прибора предполагает наличие выводов электродов, соединенных с контактными областями. У диода может быть два состояния: открытое и закрытое.

Прямое включение диода

К аноду диода подают положительное напряжение, на катод – отрицательное. Что получается:

• электроны двигаются к месту p-n границы;
• сопротивление в месте перехода уменьшается, проводимость увеличивается;
• как следствие возникает прямой ток.

При соблюдении полярности диод будет считаться включенным прямо.

Обратное включение диода

Если подключить выводы наоборот, частицы станут перемещаться от p-n слоя. Сопротивление повысится, и протекающий ток будет низким, или обратным. При расчетах его не учитывают – под односторонней проводимостью подразумевают наличие именно прямого тока.

Виды напряжения

Соответственно состояниям различают два типа напряжения: прямое и обратное. Главный определяющий параметр – сопротивление границы областей электродов.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ)

Один из ответов на вопрос о том, что такое диод, – зависимость проходящего через границу p-n тока от полярности подаваемого напряжения и его величины.

Ее показывают на графике:

• вертикальная ось – прямой и обратный ток (верхняя и нижняя часть) в Амперах;
• горизонтальная – обратное и прямое напряжение (левая и правая сторона).

Образуется кривая, показывающая значения пропускного и обратного тока.

Полупроводниковые диоды

Как работает диод полупроводник? Его работа основана на взаимодействии заряда с электромагнитным полем. Условная конструкция:

• элемент из полупроводникового материала;
• сторона, принимающая электроны, – анод, проводимость p-типа;
• катод, отдающий частицы (проводимость n-типа).

Между двумя слоями формируется граница – p-n переход.

Вольт-амперная характеристика

На графике кривая имеет ветви в обеих его частях:

1. Прямая – в правой части графика. Направлена вверх, показывает возрастание прямого тока при увеличении напряжения.
2. Обратная – в левой стороне. Показывает рост обратного тока – меньше, чем прямого, поэтому ветвь расположена близко к оси напряжения.

Чем ближе ветвь к вертикальной оси справа и к горизонтальной слева, тем лучше выпрямительные свойства.

Предельные значения параметров

На графике каждого прибора есть момент, когда ток нарастает сильнее. Это зависит от устройства диода – разные материалы «открываются» при разных показателях. Ток возрастает, и происходит нагревание кристалла полупроводника.

Тепло либо рассеивается само по себе, либо отводится при помощи радиаторов. Если ток превышает допустимый параметр, проводник разрушается под воздействием высокой температуры. Поэтому по назначению диода, а также материалу определяют максимально допустимые параметры.

Виды полупроводниковых диодов

Полупроводниковый – широкое определение, оно описывает саму идею и общее устройство. На практике существует множество узкоспециализированных разновидностей.

Выпрямители и их свойства

Иногда нужно преобразовать ток в цепи, для чего нужен диод с выпрямительными свойствами либо диодный мост. Благодаря принципу работы, переменный ток на входе прибора даст лишь одну полуволну – в открытом состоянии.

Полупроводниковые стабилитроны

Задача этих устройств – стабилизация напряжения. Как это происходит:

• в обычном состоянии у перехода высокое сопротивление, ток почти не проходит;
• если наступает пробой, проходимость увеличивается, сопротивление падает.

Устройства работают в условиях пробоя и часто применяются для профилактики перенапряжения.

Диод Зенера

Часто можно встретить название «диод Зенера», что это такое? Это лишь еще одно название стабилитрона – в честь ученого Кларенса Зенера, открывшего туннельный пробой. Это эффект прохождения заряженных частиц через p-n барьер, когда перекрываются зоны электродов. Открытие позволило разработать первые стабилитроны, отсюда название.

Принцип работы детекторо

Как работает стабилитрон и для чего он нужен?

Что такое стабилитрон, какой у него принцип действия и назначение. Основные характеристики стабилитронов и их маркировка. Условное обозначение на схеме.

Основой надежной и продолжительной работы электронной аппаратуры является стабильное напряжение питания. Для этого применяют стабилизированные источники питания. Можно сказать, что основным элементом, который определяет уровень выходного напряжения блока питания, это полупроводниковый прибор – стабилитрон. Он может быть как основой линейного стабилизатора, так и пороговым элементом в цепи обратной связи импульсного источника питания. В этой статье мы расскажем читателям сайта Сам Электрик про устройство и принцип работы стабилитрона.

Содержание:

Что это такое

В литературе дается следующее определение:

Стабилитрон или диод Зенера это прибор, предназначенный для стабилизации напряжения в электрических цепях. Работает при обратном смещении в режиме пробоя. До наступления пробоя имеет высокое сопротивление перехода. Протекающие при этом токи незначительны. Широко используются в электронике и в электротехнике.

Если говорить простыми словами, то стабилитрон предназначен для стабилизации напряжения в электронных схемах. В цепь он включается в обратном направлении. При достижении напряжения, превышающего напряжение стабилизации, происходит обратимый электрический пробой pn-перехода. Как только оно понизится до номинала, пробой прекращается, и стабилитрон закрывается.

На нижеприведенном рисунке представлена графическая схема для чайников, позволяющая понять принцип действия диода Зенера.

Основными преимуществами является невысокая стоимость и небольшие габариты. Промышленность выпускает устройства с напряжением стабилизации о 1,8 — 400 В в металлических, керамических или корпусах из стекла. Это зависит от мощности, на которую рассчитан стабилитрон и других характеристик.

Для стабилизации высоковольтного напряжения от 0,4 до нескольких десятков кВ, применяются стабилитроны тлеющего разряда. Они имеют стеклянный корпус и до появления полупроводниковых приборов применялись в параметрических стабилизаторах.

Аналогичными свойствами обладают приборы, меняющие свое сопротивление в зависимости от приложенного напряжения – это варисторы. Между стабилитроном и варистором разница заключается в том, что последний обладает двунаправленными симметричными характеристиками. А это значит, что в отличие от диодов, он не имеет полярности. Кратко варистор предназначен для обеспечения защиты от перенапряжения электронных схем.

Для предохранения аппаратуры от скачков напряжения применяют супрессоры. Между стабилитроном и супрессором отличия заключаются в том, что первый постепенно изменяет свое внутреннее сопротивление в зависимости от приложенного напряжения. Второй при достижении определенного порога напряжения открывается сразу. Т.е. его внутреннее сопротивление стремится к нулю. Основное назначение супрессоров — защита аппаратуры от скачков питания.

На рисунке ниже представлено условно графическое обозначение (УГО по ГОСТ) полупроводника и его вольт-амперная характеристика.

На рисунке цифрами указан участок 1-2. Он является рабочим и предназначен для стабилизации напряжения в цепях. Если прибор включить в прямом направлении, то он будет работать как обычный диод.

Рекомендуем посмотреть следующий видеоролик, чтобы подробнее изучить принцип действия стабилитрона, обозначение элементов и область их применения.

Основные характеристики

При проектировании блоков питания, следует уметь правильно произвести расчет и подобрать по значениям необходимый элемент. Неправильно подобранный стабилитрон сразу выйдет из строя или не будет поддерживать напряжение на необходимом уровне.

Основными характеристиками являются:

• напряжение U_cт. стабилизации;
• номинальный ток стабилизации I_ст., протекающий через стабилитрон;
• допустимая мощность рассеивания;
• температурный коэффициент стабилизации;
• динамическое сопротивление.

Эти характеристики определены заводом-изготовителем и указываются в справочной литературе.

Условно графическое обозначение на схемах

Все приборы имеют графическое обозначение. Это необходимо, чтобы не загромождать электрическую схему. Стабилитрон имеет свое условно-графическое обозначение, которое утверждено межгосударственным стандартом единого стандарта конструкторской документации (ЕСКД).

На рисунке снизу представлено как обозначается на схеме по ГОСТ 2.730-73, стабилитрон обозначается практически как диод, так как, в сущности, является одной из его разновидностей.

Для правильного включения следует различать, где плюс, где минус. Если смотреть на приведенный выше рисунок, то на нем плюс (анод) расположен слева, а минус (катод) справа. Согласно ЕСКД размеры УГО диодов должны составлять 5/5 мм. Это иллюстрирует рисунок снизу.

Схема подключения

Рассмотрим работу стабилитрона на примере схемы параметрического стабилизатора. Это типовая схема. Приведем формулы для расчета стабилизатора.

Допустим, что имеется 15 Вольт, а на выходе необходимо получить 9 В. По таблице напряжений в справочнике подбираем стабилитрон Д810. Произведем расчет токоограничивающего резистора R1, согласно рисунку ниже. На нем показан токоограничивающий резистор и схема включения. Режим регулирования напряжения отмечен на вольт-амперной характеристике 1,2.

Для того чтобы полупроводник не вышел из строя, необходимо учитывать ток стабилизации и ток нагрузки. Из справочника определяем ток стабилизации.

Он равен 5 мА. На рисунке снизу представлена часть справочника.

Предполагаем, что ток нагрузки равен 100 мА:

R1= (U_вх-U_ст)/(I_н+I_cт)= (15-9)/(0.1+0.005)=57.14 Ом.

Если нужен мощный стабилизатор, то стоит собирать схему из стабилитрона и транзистора.

Если необходимо изготовить стабилизатор на небольшое напряжение 0,2-1 В, для этого применяется стабистор. Он является разновидностью стабилитрона, но работает в прямой ветви ВАХ и включается в прямом направлении, в чем его уникальная особенность и заключается.

Аналогичным образом можно изготовить блок питания, где стабилизатор изготовлен из диодов. Как и стабистор их включают в прямом направлении. Нужное напряжение набирают прямыми падениями напряжений на диоде, для кремниевых диодов оно находится в пределах 0.5-0.7В. При отсутствии диодов, можно собрать стабилитрон из транзистора.

На нижеприведенном рисунке представлена схема на транзисторе.

Промышленность выпускает и управляемые стабилитроны. Или, точнее сказать, это микросхема — TL431. Это универсальная микросхема, позволяет регулировать напряжение в пределах от 2,5 до 36 вольт.

Регулировка осуществляется путем подбора делителя сопротивлений. На нижеприведенной схеме представлен стабилизатор на 5 вольт. Делитель собран на резисторах номиналом 2,2 К.

Специалист должен знать, как проверить мультиметром работоспособность стабилитрона. Сразу отметим, что проверить можно только однонаправленный элемент, сдвоенные (двунаправленные) такой проверке не подлежат. Если диод Зенера исправен, то при «прозвонке» тестером в одну сторону он будет показывать обрыв, а во вторую минимальное сопротивление. Неисправный звонится в обе стороны.

Маркировка

В зависимости от мощности диода, они выпускаются в различных корпусах. На металлических корпусах большой мощности указывается буквенное обозначение типа прибора.

На нижеприведенных фото представлены приборы советского производства, и как они выглядели.

Сейчас маломощные диоды выпускаются в стеклянных корпусах. Маркировка импортных приборов имеет цветовое обозначение. На корпус наносится маркировка полосами или цветными кольцами.

На нижеприведенном рисунке представлена маркировка SMD-диодов.

Отечественные диоды в стеклянных корпусах маркируют полосами или кольцами. Определить тип и параметры можно по любому справочнику радиоэлектронных компонентов. Например, зеленая полоса обозначает стабилитрон КС139А, а голубая полоса (или кольцо) указывает на КС133А.

На мощных устройствах в металлических корпусах указывается буквенное обозначение, например, Д816, как показано на фото вверху. Это необходимо для того, чтобы знать, как подобрать аналог.

Вот мы и рассмотрели, какие бывают стабилитроны, как они работают и для чего нужны. Если остались вопросы, задавайте их в комментариях под статьей!

Материалы по теме:

• Что такое транзистор-тестер
• Как работает резистор
• Как выпаивать радиодетали из плат

Опубликовано: 25.03.2020 Обновлено: 25.03.2020 нет комментариев Схема диода

— определение — Русский

Примеры предложений с «диодной схемой», память переводов

патент-wipo Схема защиты (5) снабжена схемой варистора (18) и схемой диода (8) .patents-wipoКрышка ( 2) может иметь функцию уплотнения и может конфигурировать схему органического светоизлучающего диода (1). Патенты-wipoZener-диод, схема zener-диода и способ изготовления схемы zener-диода-wipoLight, имеющей схему управления, подключенную параллельно со светоизлучающим В приложении описана полезная схема с «идеальным диодом». В приложении описана полезная схема «идеального диода», а также методы изготовления, патенты — схема диода wipoPin и аттенюатор на штыревом диоде.Патенты-wipo Схема управления лазерным диодом, электронная схема, метод управления схемой управления лазерным диодом и метод управления режимом работы. Патенты-wipo Схема диода и способ изготовления того же патента. .patents-wipoСветодиодная схема и светодиодное осветительное устройство, имеющее sametmClassAll, относящиеся к: светодиоды, печатные платы, патенты-wipoПоследовательные импульсные сигналы могут использоваться для последовательного включения светодиодных схем (10, 20).Патенты-wipoОрганическая светодиодная схема с защитойpatents-wipoСхема на светоизлучающих диодах для окружающего светаWikiMatrix В 1960-х Рочестер продолжал работать в IBM, руководя передовыми исследованиями в области криогеники и туннельных диодных схем. патенты-wipo (8) подключены параллельно к основному коммутационному блоку (1) .patents-wipo Линия столбцов, связанная с ячейкой, разряжается от значения предварительного заряда через диодную схему и элемент памяти.Патенты-wipo Время реакции на удар молнии в диодной схеме (8) меньше, чем в варисторе (7). Однако это ограничение можно преодолеть, используя схему диодов с двойным выбором, которая включает два MIM TFD на схему пикселей. Патенты-wipo Светоизлучающее устройство, осветительное устройство, система освещения, схема светоизлучающего диода, монтажная подложка и способ излучения света для светоизлучающих диодов. Патенты-изобретение wipoSaid также относится к способу производства указанного стабилитрона, а также схемы стабилитрона. .Патенты-wipo В результате схема светоизлучающего диода может предотвратить нагрев светоизлучающими элементами светодиодных элементов. патенты-wipo Кроме того, цепь стабилитрона может быть подключена параллельно конденсатору для дополнительной защиты нагрузки от чрезмерное напряжение. patents-wipo Драйвер (1) снабжен второй схемой (20) для подачи сигнала постоянного тока на схему светоизлучающих диодов (2).

Показаны страницы 1. Найдено 1041 предложения соответствие фразы диодная схема.Найдено за 14 мс. Найдено за 0 мс.Накопители переводов создаются человеком, но выравниваются с помощью компьютера, что может вызвать ошибки. Они поступают из многих источников и не проверяются. Имейте в виду.

PPT — Лекция 7 «Модели диодных цепей и их применение» Презентация в PowerPoint

Лекция 7 «Модели и приложения диодных цепей» 1

i i 3. Графический анализ с использованием метода линии нагрузки. i Линейная цепь I и V должна удовлетворять уравнениям как линейной, так и нелинейной цепи. + — Нелинейный элемент. Для линейной цепи. Поиск эквивалента Тевенина или Нортона линейной цепи. Найти точку Q. Данные: V = 10 В, R = 10 кВт.Анализ: Для определения линии нагрузки, которую мы используем, VD = 0 VD = 5 В, ID = 0,5 мА Эти точки и результирующая линия нагрузки нанесены на график. Q-точка задается пересечением линии нагрузки и характеристики диода: Q-точка = (0,95 мА, 0,6 В) 3

4. Анализ с использованием математической модели для диода Идеальный диод

i ISC = VOC / R ib i ia v va VOC = V-й итерационный метод на основе математической модели i Линейная цепь I и V должна удовлетворять как линейным, так и нелинейным уравнениям схемы + Уравнение экспоненциального диода — нелинейный элемент Уравнение линейной цепи

Пример: анализ с использованием математической модели для диода Проблема: найти Q-точку для данного диода характеристика.Приведенные данные: IS = 10-13 A, n = 1, VT = 0,0025 В Анализ: линия нагрузки, заданная трансцендентным уравнением. Числовой ответ можно найти с помощью итерационного метода. Используйте методику, описанную на предыдущем слайде. Q-точка = (0,9426 мА, 0,5742 В) Поскольку обычно у нас нет точного тока насыщения и значительных допусков для источников и пассивных компонентов, нам нужны ответы с точностью до 2 или 3 значащих цифр. 6

Диодные схемы • После того, как мы подробно изучили физику диода, пришло время изучить его поведение как элемент схемы и его многочисленные приложения.

Применение диода: зарядное устройство для сотового телефона

Действие диода в черном ящике (идеальный диод) • Диод ведет себя как короткое замыкание во время положительного полупериода (напряжение на нем имеет тенденцию превышать ноль) , и обрыв цепи в течение отрицательного полупериода (напряжение на нем меньше нуля).

Применение диода: ограничитель • Назначение ограничителя — заставить выходной сигнал оставаться ниже определенного значения.• В а) добавление батареи 1 В заставляет диод включаться после того, как V1 становится больше 1 В.

Ограничитель: при изменении батареи • Интересный случай возникает, когда VB (батарея) меняется. • Исправление не удается, если VB больше входной амплитуды.

Характеристики входа / выхода с идеальным и постоянным напряжением Модели

Характеристики входа / выхода с моделью постоянного напряжения • При использовании модели постоянного напряжения падение напряжения на диоде отсутствует больше нуля, но Vd, когда он проводит.

Другой пример модели постоянного напряжения • В этом примере, поскольку Vin подключен к катоду, диод проводит, когда Vin очень отрицательно. • Точка излома, при которой изменяется крутизна, — это когда ток на R1 равен току на R2. Ch4 Диодные цепи

2. Схемы выпрямителя • Базовый выпрямитель преобразует переменное напряжение в пульсирующее постоянное напряжение. • Затем фильтр удаляет компоненты переменного тока из формы волны, чтобы обеспечить почти постоянное выходное напряжение постоянного тока.• Выпрямительные схемы используются практически во всех электронных устройствах для преобразования источника переменного тока 120–60 Гц в напряжение постоянного тока, необходимое для работы электронного устройства. • В выпрямительных схемах состояние диода изменяется со временем, и данная кусочно-линейная модель действительна только в течение определенного промежутка времени. 15

Схема полуволнового выпрямителя с резистивной нагрузкой Для положительного полупериода входного сигнала источник пропускает положительный ток через диод, диод горит, vo = vs.Во время отрицательного полупериода отрицательный ток в диоде не может существовать, диод выключен, ток в резисторе равен нулю и vo = 0. 16

Схема однополупериодного выпрямителя с резистивной нагрузкой (продолжение) Использование модели постоянного напряжения Модель CVD, во включенном состоянии диода vo = (VP sinwt) — Vd, on. Выходное напряжение равно нулю, когда диод выключен. Часто понижающий трансформатор используется для преобразования напряжения 120–60 Гц, поступающего от линии электропередачи, в желаемый уровень переменного напряжения, как показано на рисунке. Изменяющиеся во времени компоненты на выходе схемы удаляются с помощью конденсатора фильтра.17

Пиковое обратное напряжение (PIV) Цепь полуволнового выпрямителя с резистивной нагрузкой (продолжение) Выберите диод, который имеет как минимум на 50% больше PIV 18

Цепь полуволнового выпрямителя с RC-нагрузкой Когда входное напряжение увеличивается в течение первой четверти цикла, диод включается, а конденсатор (изначально разряженный) заряжается до пикового значения входного напряжения. На пике входного тока диодный ток пытается изменить направление, диод отключается, конденсатор экспоненциально разряжается через R.Разряд продолжается до тех пор, пока входное напряжение не превысит выходное напряжение, которое происходит около пика следующего цикла. Затем процесс повторяется один раз в каждом цикле. Эта схема может использоваться для генерации отрицательного выходного напряжения, если верхняя пластина конденсатора заземлена вместо нижней пластины. В этом случае Vdc = — (VP — Von) 19

Уравнение (1) Определение напряжения пульсаций

Уравнение (2) Угол проводимости

Схема полуволнового выпрямителя с RC Нагрузка (продолж.) Выходное напряжение не является постоянным, как у идеального пикового детектора, но имеет пульсации напряжения VR. Диод проводит короткое время DT, называемое интервалом проводимости, в течение каждого цикла, а его угловой эквивалент называется углом проводимости θc. 22

Анализ полуволнового выпрямителя: пример Задача: найти выходное напряжение постоянного тока, выходной ток, пульсации напряжения, интервал проводимости, угол проводимости. Приведенные данные: вторичное напряжение Vrms 12,6 (60 Гц), R = 15 Вт, C = 25000 мФ, Vd = 1 В Анализ: Использование интервала разряда T = 1/60 с, 23

Пиковое значение обратного напряжения Пиковое обратное напряжение (PIV) выпрямительного диода дает напряжение пробоя.Когда диод выключен, обратное смещение на диоде равно Vdc — vs. Когда vs достигает отрицательного пика, значение PIV соответствует минимальному значению напряжения пробоя выпрямительного диода. 24

Пиковый ток диода В выпрямителях ненулевой ток существует в диоде только в течение очень небольшой части периода T, но почти постоянный ток течет из конденсатора фильтра на нагрузку. Полный заряд, потерянный конденсатором в каждом цикле, восполняется диодом в течение короткого интервала проводимости, вызывая высокие пиковые токи диода.25

Для двухполупериодных выпрямителей

Двухполупериодные выпрямители Двухполупериодные выпрямители вдвое сокращают время разряда конденсатора и требуют вдвое меньшей емкости фильтра для достижения заданного напряжения пульсаций. Все характеристики такие же, как у однополупериодных выпрямителей. Изменение полярности диодов дает двухполупериодный выпрямитель с отрицательным выходным напряжением. 28

Двухполупериодные выпрямители На базе трансформатора PIV = 2vs-vD 29

Двухполупериодный мостовой выпрямитель Требование к трансформатору с центральным отводом в двухполупериодном выпрямителе устраняется за счет использования 2 дополнительных диоды.Все остальные характеристики такие же, как у однополупериодного выпрямителя, за исключением PIV. 30

Полноволновой мостовой выпрямитель PIV = vs-vD 31

Сравнение топологии выпрямителя • Конденсатор фильтра является основным фактором при определении стоимости, размера и веса при проектировании выпрямителей. • Для заданного пульсирующего напряжения двухполупериодный выпрямитель требует вдвое меньшей емкости фильтра, чем полуволновой выпрямитель. Уменьшение пикового тока может уменьшить рассеивание тепла в диодах.Преимущества двухполупериодного выпрямления перевешивают повышенные расходы и сложность схемы (дополнительный диод и трансформатор с центральным отводом). • Мостовой выпрямитель исключает использование трансформатора с центральным отводом, снижается рейтинг PIV диодов. Стоимость дополнительных диодов незначительна. 32

Сводка параметров выпрямителя 33

Цепь детектора пиков (схема ограничения) При повышении входного напряжения включается диод, а конденсатор (первоначально разряженный) заряжается до входного напряжения за вычетом падения напряжения на диоде.На пике на входе ток диода пытается изменить направление, диод отключается, конденсатор не имеет пути разряда и сохраняет постоянное напряжение, обеспечивая постоянное выходное напряжение Vdc = VP — Vd, on. 34

Анализ диодных цепей и потери

Диоды в цепях постоянного тока

Для анализа диодных цепей сначала необходимо определить состояние диода (включен или выключен). Затем диод можно заменить эквивалентной схемой переключателя. Однако в некоторых схемах может быть сложно определить, какой эквивалент переключателя использовать (например, в схемах с более чем одним источником или с более чем одним диодом, включенным последовательно).В этих схемах полезно заменить диоды вручную на резистивный элемент и отметить направление тока в результате приложенного напряжения. Если результирующий ток направлен в том же направлении, что и стрелка на символе диода, диод включен.

Пример 1

Для схемы, показанной на рисунке 1, найдите ток диода ( I _D ), напряжение диода ( В, _D ) и напряжение на резисторе ( В, _R ).

Решение:

Поскольку ток, установленный источником, течет в направлении стрелки диода, диод включен и может быть заменен замкнутым переключателем.

Напряжение на диоде В _D = 0 В

Напряжение на резисторе В _R = В _S — В _D = 20-0 = 20 В

Рисунок 1

Пример 2

Поменяйте местами диод на Рисунке 1 и повторите Пример 1.

Решение:

Направление тока теперь противоположно стрелке. Диод не горит и может быть заменен открытым выключателем.

Ток через диод I _D = 0 А

Напряжение на резисторе В _R = I _D x R = 0 В

Напряжение на диоде В _D = E _S — В _R = 20 — 0 = 20 В

Пример 3

Для схемы, показанной на рисунке 2, найдите ток (I) и напряжения В ₀ , В ₁ и В ₂ .

Решение:

Два источника помогают друг другу в замкнутом контуре; диод горит и может быть заменен замкнутым переключателем.

Применение закона напряжения Кирхгофа (KVL)

E ₁ — V ₁ — V ₂ + = E2 = 0

E ₁ — I (R ₁ ) — I (R ₂ ) + E ₂ = 0

Решение для I,

I = (E ₁ + E ₂ ) / (R ₁ + R ₂ ) = 25/7 = 3.5 мА

В ₁ = I x R ₁ = 17,5 В

V2 = I x R2 = 7,0 В

Рисунок 2

Диоды в цепях переменного тока

В цепях

переменного тока напряжение меняется со временем. Следовательно, могут быть моменты, когда напряжение переменного тока смещает диод в прямом направлении, и время, когда оно смещает в обратном направлении тот же диод. Анализ схемы может быть выполнен отдельно для положительных и отрицательных полупериодов. Следует отметить, когда полярность напряжения на диоде смещает его в прямом направлении, а когда — в обратном.Затем диод можно заменить его эквивалентной схемой переключателя

. Рисунок 3 Пример 4

Найдите эквивалентную схему переключателя диода с напряжением источника переменного тока В _S , как показано на рисунке 3.

Решение:

Во время положительного полупериода анод более положительный, чем его катод, и поэтому диод смещен в прямом направлении. Мы можем заменить диод на замкнутый переключатель.

Во время отрицательного полупериода анод более отрицательный, чем его катод, и поэтому диод имеет обратное смещение.Мы можем заменить диод открытым выключателем.

Пример 5

Для схемы, показанной на рисунке 4, нарисуйте формы волны напряжения на сопротивлении ( В _R ) и напряжения на диоде ( В _D ).

Решение:

Во время положительного полупериода диод смещен в прямом направлении и поэтому может быть заменен замкнутым переключателем. Напряжение на диоде равно нулю, а напряжение на резисторе такое же, как напряжение источника.Во время отрицательного полупериода диод имеет обратное смещение и поэтому может быть заменен разомкнутым переключателем. Напряжение на резисторе равно нулю, а напряжение на диоде такое же, как напряжение источника.

Рисунок 4 Рисунок 5: Осциллограммы VR и VD

Потери в диодах

Полная потеря мощности, возникающая в диоде, складывается из потерь во включенном, выключенном состоянии и при переключении.

P _T = P _ВКЛ + P _ВЫКЛ + P _SW

Где

P _ON = V _F x I _F x (t _ON / T)

P _ВЫКЛ = V _R x I _R x (t _ON / T)

P _SW = P _{SW (ВКЛ)} x P _{SW (ВЫКЛ)}

P _{ПО (ВКЛ.)} = 1/6 В _{F (МАКС.)} x I _{F (МАКС.)} x t _F x f

P _{SW (ВЫКЛ.)} = 1/6 В _{F (MAX)} x I _{F (MAX)} x t _R x f

В этих уравнениях

В _F = прямое напряжение

I _F = Прямой ток

В _R = обратное напряжение

I _R = обратный ток утечки

t _ON = время срабатывания диода

t _ВЫКЛ = время, в течение которого диод смещен в обратном направлении

I _F = Время переключения в прямом направлении

I _R = Время переключения в обратном направлении

---

Статьи по теме

Диод

Напряжение-ток Характеристика диода

Формирование обедненного слоя в диоде

Туннельный диод

.