Диоды схема: Диоды и их разновидности

Диоды выпрямительные, принцип работы, характеристики, схемы подключения

электрика, сигнализация, видеонаблюдение, контроль доступа (СКУД), инженерно технические системы (ИТС)

Принцип работы, основные характеристики полупроводниковых выпрямительных диодов можно рассмотреть используя их вольтамперную характеристику (ВАХ), которая схематично представлена на рисунке 1.

Она имеет две ветви, соответствующие прямому и обратному включению диода.

При прямом включении выпрямительного диода ощутимый ток через него начинает протекать при достижении на диоде определенного напряжения Uоткр. Этот ток называется прямым Iпр. Его изменения на напряжение Uоткр влияют слабо, поэтому для большинства расчетов можно принять его значение:

• 0,7 Вольт для кремниевых диодов,
• 0,3 Вольт — для германиевых.

Естественно, прямой ток диода до бесконечности увеличивать нельзя, при его определенном значении Iпр.макс этот полупроводниковый прибор выйдет из строя. Кстати, существуют две основные неисправности полупроводниковых диодов:

• пробой — диод начинает проводить ток в любом направлении, то есть станет обычным проводником. Причем, сначала наступает тепловой пробой (это состояние обратимо), затем электрический (после этого диод можно смело выбрасывать),
• обрыв — здесь, думаю, пояснения излишни.

Если диод подключить в обратном направлении, через него будет протекать незначительный обратный ток Iобр, которым, как правило, можно пренебречь. При достижении определенного значения обратного напряжения Uобр обратный ток резко увеличивается, прибор, опять же, выходит из строя.

Числовые значения рассмотренных параметров для каждого типа диода индивидуальны и являются его основными электрическими характеристиками. Должен заметить, что существует ряд других параметров (собственная емкость, различные температурные коэффициенты и пр.), но для начала хватит перечисленных.

Здесь предлагаю закончить с чистой теорией и рассмотреть некоторые практические схемы.

Для начала давайте рассмотрим как работает диод в цепи постоянного (рис.2) и переменного (рис.3) тока, что следует учитывать при том или ином включении диодов.

При подаче на диод прямого постоянного напряжения через него начинает протекать ток, определяемый сопротивлением нагрузки Rн. Поскольку он не должен превышать предельно допустимого значения следует определить его величину, после чего выбрать тип диода:

Iпр=Uн/Rн — все просто — это закон Ома.

Uн=U-Uоткр — см. начало статьи. Иногда величиной Uоткр можно пренебречь, бывают случаи, когда ее необходимо учитывать, например при расчете схемы подключения светодиода.

При включении диода в цепь переменного тока, помимо прочего, на нем периодически возникает обратное напряжение Uобр

. Имейте в виду, следует учитывать его амплитудное значение (Для Uпр, кстати, тоже). Например, для бытовой электрической сети привычное всем напряжение 220В является действующим, а его амплитудное значение составляет 380В. Подробнее про это можно посмотреть на этой странице.

Это самое основное, про что надо помнить.

Теперь — несколько схем подключения диодов, часто встречающихся на практике.

Вне всякого сомнения, лидером здесь является мостовая схема диодов, используемая во всевозможных выпрямителях (рисунок 4). Выглядеть она может по разному, принцип действия одинаков, думаю из рисунка все ясно. Кстати, последний вариант — условное обозначение диодного моста в целом. Применяется для упрощения обозначения двух предыдущих схем.

Далее несколько менее очевидных схем (для постоянного тока):

1. Диоды могут выступать как «развязывающие» элементы. Управляющие сигналы
   Упр1 и Упр2 объединяются в точке А, причем взаимное влияние их источников друг на друга отсутствует. Кстати, это простейший вариант реализации логической схемы «или».
2. Защита от переполюсовки (жаргонное — «защита от дураков»). Если существует возможность неправильного подключения полярности напряжения питания эта схема защищает устройство от выхода из строя.
3. Автоматический переход на питание от внешнего источника. Поскольку диод «открывается», когда напряжение на нем достигнет Uоткр, то при Uвнеш <Uвн+Uоткр питание осуществляется от внутреннего источника, иначе — подключается внешний.

© 2012-2023 г. Все права защищены.

Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

устройство и принцип действия разных видов, работа в схемах

Диод — это элемент, имеющий различную проводимость. Такое его свойство имеет применение в различных электротехнических и радиоэлектронных схемах. На его основе создаются устройства, имеющие применение в различных областях.

• Электровакуумные диоды
  • Принцип работы
  • Вольт- амперная характеристика (ВАХ)
• Полупроводниковые диоды
  • Вольт- амперная характеристика
  • Предельные значения параметров
• Виды полупроводниковых диодов
  • Выпрямители и их свойства
  • Полупроводниковые стабилитроны
  • Принцип работы детекторов
  • Особенности светодиодов

Типы диодов: электровакуумные и полупроводниковые. Последний тип в настоящее время применяется в подавляющем большинстве случаев. Никогда не будет лишним знать о том, как работает диод, для чего он нужен, как обозначается на схеме, какие существуют типы диодов, применение диодов разных видов.

Электровакуумные диоды

Приборы этого типа выполнены в виде электронных ламп. Лампа выглядит как стеклянный баллон, внутрь которого помещены два электрода. Один из них анод, другой катод. Они находятся в вакууме. Конструктивно анод выполнен в виде тонкостенного цилиндра. Внутри расположен катод. Он имеет обычно цилиндрическую форму. Изолированная нить накала проложена внутри катода. Все элементы имеют выводы, которые соединены со штырьками (ножками) лампы. Ножки лампы выведены наружу.

Принцип работы

При прохождении электрического тока по спирали она нагревается и разогревает катод, внутри которого находится. С поверхности разогретого катода электроны, покинувшие его, без дополнительного ускоряющего поля накапливаются в непосредственной близости от него. Часть из них затем обратно возвращается на катод.

При подаче на анод положительного напряжения электроны, испускаемые катодом, устремляются к нему, создавая анодный ток электронов.

Катод обладает пределом эмиссии электронов. При достижении этого предела анодный ток стабилизируется. Если на анод подать небольшое отрицательное напряжение по отношению к катоду, то электроны прекратят своё движение.

Материал катода, из которого он изготовлен, обладает высокой степенью эмиссии.

Вольт- амперная характеристика (ВАХ)

ВАХ диодов этого типа графически показывает зависимость тока анода от прямого напряжения, приложенного к выводам катода и анода. Она состоит из трёх участков:

• Медленное нелинейное нарастание тока;
• Рабочая часть характеристики;
• Область насыщения тока анода.

Нелинейный участок начинается после области отсечки анодного тока. Его нелинейность связана с небольшим положительным потенциалом катода, который покинули электроны при его разогреве нитью накала.

Активный участок определяет из себя почти вертикальную линию. Он характеризует зависимость анодного тока от возрастающего напряжения.

Участок насыщения представляет собой линию постоянного значения тока анода при увеличивающемся напряжении между электродами лампы. Электронную лампу на этом участке можно сравнить с проводником электрического тока. Эмиссия катода достигла своего наивысшего значения.

Полупроводниковые диоды

Свойство p — n перехода пропускать электрический ток одного направления нашло применение при создании приборов этого типа. Прямое включение — это подача на n -область перехода отрицательного потенциала, по отношению к p -области, потенциал которой положительный. При таком включении прибор находится в открытом состоянии. При изменении полярности приложенного напряжения он окажется в запертом состоянии, и ток сквозь него не проходит.

Классификацию диодов можно вести по их назначению, по особенностям изготовления, по типу материала, используемого при его изготовлении.

В основном для изготовления полупроводниковых приборов используются пластины кремния или германия, которые имеют электропроводность n -типа. В них присутствует избыток отрицательно заряженных электронов.

Применяя разные технологии изготовления, можно на выходе получить точечные или пластинчатые диоды.

При изготовлении точечных приборов к пластинке n -типа приваривают заострённый проводник (иглу). На его поверхность нанесена определённая примесь. Для германиевых пластин игла содержит индий, для кремниевых пластин игла покрыта алюминием. В обоих случаях создаётся область p — n перехода. Её форма напоминает полусферу (точку).

Для плоскостных приборов применяют метод диффузии или сплавления. Площадь переходов, получаемых таким методом, варьируется в широких пределах. От её величины зависит в дальнейшем назначение изделия. К областям p — n перехода припаивают проволочки, которые в виде выводов из корпуса готового изделия используют при монтаже различных электрических схем.

На схемах полупроводниковые диоды обозначаются в виде равностороннего треугольника, к верхнему углу которого присоединена вертикальная черта, параллельная его основанию. Вывод черты называется катодом, а вывод основания треугольника анодом.

Прямым называется такое включение, при котором положительный полюс источника питания соединён с анодом. При обратном включении «плюс» источника подключается к катоду.

Вольт- амперная характеристика

ВАХ определяет зависимость тока, протекающего через полупроводниковый элемент, от величины и полярности напряжения, которое приложено к его выводам.

В области прямых напряжений выделяют три области: небольшого прямого тока и прямого рабочего тока через диод. Переход из одной области в другую происходит при достижении прямым напряжением порога проводимости. Эта величина составляет порядка 0,3 вольт для германиевых диодов и 0,7 вольт для диодов на основе кремния.

При приложении к выводам диода обратного напряжения ток через него имеет очень незначительную величину и называется обратным током или током утечки. Такая зависимость наблюдается до определённого значения величины обратного напряжения. Оно называется напряжением пробоя. При его превышении обратный ток нарастает лавинообразно.

Предельные значения параметров

Для полупроводниковых диодов существуют величины их параметров, которые нельзя превышать. К ним относятся:

• Максимальный прямой ток;
• Максимальное обратное напряжение пробоя;
• Максимальная мощность рассеивания.

Полупроводниковый элемент может выдержать прямой ток через него ограниченной величины. При его превышении происходит перегревание p-n перехода и выход его из строя. Наибольший запас по этому параметру имеют плоскостные силовые приборы. Величина прямого тока через них может достигать десятков ампер.

Превышение максимального значения напряжения пробоя может превратить диод, имеющий однонаправленные свойства, в обычный проводник электрического тока. Пробой может иметь необратимый характер и варьируется в широких пределах, в зависимости от конкретного используемого прибора.

Мощность — это величина, напрямую зависящая от тока и напряжения, которое приложено при этом к выводам диода. Как и превышение максимального прямого тока, превышение предельной мощности рассеивания приводит к необратимым последствиям. Диод просто выгорает и перестаёт выполнять своё предназначение. Для предотвращения такой ситуации силовые приборы устанавливают приборы на радиаторы, которые отводят (рассеивают) избыток тепла в окружающую среду.

Виды полупроводниковых диодов

Свойство диода пропускать ток в прямом направлении и не пропускать его в обратном нашло применение в электротехнике и радиотехнике. Разработаны и специальные виды диодов для выполнения узкого круга задач.

Выпрямители и их свойства

Их применение основано на выпрямительных свойствах этих приборов. Их используют для получения постоянного напряжения путём выпрямления входного переменного сигнала.

Одиночный выпрямительный диод позволяет получить на его выходе пульсирующее напряжение положительной полярности. Используя их комбинацию, можно получить форму выходного напряжения, напоминающую волну. При использовании в схемах выпрямителей дополнительных элементов, таких как электролитические конденсаторы большой емкости и катушки индуктивности с электромагнитными сердечниками (дроссели), на выходе устройства можно получить постоянное напряжение, напоминающее напряжение гальванической батареи, столь необходимое для работы большинства аппаратуры потребителя.

Полупроводниковые стабилитроны

Эти диоды имеют ВАХ с обратной ветвью большой крутизны. То есть, приложив к выводам стабилитрона напряжение, полярность которого обратная, можно с помощью ограничительных резисторов ввести его в режим управляемого лавин пробоя. Напряжение в точке лавинного пробоя имеет постоянное значение при значительном изменении тока через стабилитрон, величину которого ограничивают в зависимости от применённого в схеме прибора. Так получают эффект стабилизации выходного напряжения на нужном уровне.

Технологическими операциями при изготовлении стабилитронов добиваются различных величин напряжения пробоя (напряжения стабилизации). Диапазон этих напряжений (3−15) вольт. Конкретное значение зависит от выбранного прибора из большого семейства стабилитронов.

Принцип работы детекторов

Для детектирования высокочастотных сигналов применяют диоды, изготовленные по точечной технологии. Задача детектора состоит в том, чтобы ограничить одну половину модулированного сигнала. Это позволяет в последующем с помощью высокочастотного фильтра оставить на выходе устройства только модулирующий сигнал. Он содержит звуковую информацию низкой частоты. Этот метод используется в радиоприёмных устройствах, принимающих сигнал, модулированный по амплитуде.

Особенности светодиодов

Эти диоды характеризуются тем, что при протекании через них тока прямого направления кристалл испускает поток фотонов, которые являются источником света. В зависимости от типа кристалла, применённого в светодиоде, спектр света может находиться как в видимом человеческим глазом диапазоне, так и в невидимом. Невидимый свет — это инфракрасное или ультрафиолетовое излучение.

При выборе этих элементов необходимо представлять цель, которую необходимо достигнуть. К основным характеристикам светодиодов относятся:

• Потребляемая мощность;
• Номинальное напряжение;
• Ток потребления.

Ток потребления светодиода, применяемого для индикации в устройствах широкого применения, не более 20 мА. При таком токе свечение светодиода является оптимальным. Начало свечения начинается при токе, превышающем 3 мА.

Номинальное напряжение определяется внутренним сопротивлением перехода, которое является величиной непостоянной. При увеличении тока через светодиод сопротивление постепенно уменьшается. Напряжение источника питания, используемое для питания светодиода, необходимо применять не меньше напряжения, указанного в паспорте на него.

Потребляемая мощность — это величина, зависящая от тока потребления и номинального напряжения. Она увеличивается при увеличении величин, её определяющих. Следует учесть, что мощные световые диоды могут иметь в своём составе 2 и даже 4 кристалла.

Перед другими осветительными приборами светодиоды имеют неоспоримые преимущества. Их можно перечислять долго. Основными из них являются:

• Высокая экономичность;
• Большая долговечность;
• Высокий уровень безопасности из-за низких питающих напряжений.

К недостатку их эксплуатации относится необходимость наличия дополнительного стабилизированного источника питания постоянного тока, а это увеличивает стоимость.

Полное руководство по диодам

Диод — это специализированный электронный компонент, который действует как односторонний переключатель. Он проводит электрический ток только в одном направлении и ограничивает ток в противоположном направлении. Диод смещен в обратном направлении, когда он действует как изолятор, и смещен в прямом направлении, когда через него протекает ток. Диод имеет два вывода, анод и катод. Использование диодов включает переключатели, модуляторы сигналов, смесители сигналов, выпрямители, ограничители сигналов, регуляторы напряжения, генераторы и демодуляторы сигналов.

Диод в прямом смещении

Напряжение, подаваемое на анод, положительно по отношению к катоду. Кроме того, напряжение на диоде выше порогового напряжения, поэтому он действует как короткое замыкание и позволяет протекать току.

Диод в обратном смещении

Если катод сделан положительным по отношению к аноду, диод смещен в обратном направлении. Затем он будет действовать как разомкнутая цепь, что приводит к отсутствию тока.

Для чего используются диоды?

Защита от обратного тока

Блокировочный диод используется в некоторых цепях для защиты на случай случайной проблемы с обратным подключением, например неправильное подключение источника постоянного тока или изменение полярности. Поток тока в неправильном направлении может повредить другие компоненты схемы.

Диод для защиты от обратного тока

На приведенном выше рисунке показано, что блокировочный диод подключен последовательно с нагрузкой и с положительной стороной источника питания. В случае обратного подключения ток не будет течь, потому что диод будет находиться в обратном смещении. Тогда нагрузка будет защищена от обратного тока. Однако, если полярность правильная, диод будет находиться в прямом смещении, поэтому через него может протекать ток нагрузки.

Простые регуляторы напряжения

Регулятор напряжения используется для понижения входного напряжения до требуемого уровня и поддерживает его на неизменном уровне, несмотря на колебания напряжения питания. Его также можно использовать для регулирования выходного напряжения. Зенеровский диод обычно используется в качестве регулятора напряжения, поскольку он предназначен для работы в условиях обратного смещения. Он ведет себя как обычный сигнальный диод при прямом смещении. С другой стороны, напряжение остается постоянным для широкого диапазона тока при приложении к нему обратного напряжения.

Стабилитрон в качестве регулятора напряжения

На приведенном выше рисунке ток в диоде ограничен последовательным резистором, подключенным к цепи. Поскольку диод подключен к положительной клемме источника питания, он работает как устройство обратного смещения, которое также может работать в условиях пробоя. Обычно используется диод с высокой номинальной мощностью, поскольку он может выдерживать обратное смещение выше напряжения пробоя. Ток стабилитрона всегда будет минимальным, если применяется минимальное входное напряжение и максимальный ток нагрузки. Учитывая входное напряжение и необходимое выходное напряжение, мы можем использовать стабилитрон с напряжением, примерно равным напряжению нагрузки.

Стабилизаторы напряжения

Ток, протекающий через стабилитрон, уменьшается в пользу тока нагрузки, когда нагрузочный резистор подключен параллельно стабилитрону. Величина тока, протекающего в нем, важна, потому что это ключ к стабилизации. Глядя на вольтамперную кривую для стабилитронов, вы заметите резкое увеличение напряжения пробоя, что доказывает, что они лучше всего стабилизируют небольшие постоянные напряжения. Ток увеличивается, а сопротивление диода уменьшается. Поэтому напряжение на стабилитроне почти такое же. Обычно резистор подключают, чтобы убедиться, что максимально допустимая мощность рассеяния не превышена.

Преобразование переменного тока в постоянный

Диоды обычно используются для построения различных типов схем выпрямителей, таких как однополупериодные, двухполупериодные, с отводом от средней точки и мостовые выпрямители. Одним из его основных применений является преобразование переменного тока в постоянный.

Во время положительного полупериода входного питания анод становится положительным по отношению к катоду. Диод будет находиться в прямом смещении, что приведет к протеканию тока на нагрузку. Однако во время отрицательного полупериода входной синусоидальной волны анод становится отрицательным по отношению к катоду. Таким образом, диод будет находиться в обратном смещении, и ток в нагрузку не пойдет. Выходное напряжение будет пульсирующим постоянным током, когда и напряжение, и ток на стороне нагрузки имеют одну полярность. Нагрузка резистивная в положительном полупериоде, и напряжение на нагрузочном резисторе будет таким же, как напряжение питания. Ток нагрузки будет пропорционален приложенному напряжению, а входное синусоидальное напряжение будет на нагрузке.

Как работает диод?

Диод считается полупроводниковым устройством, имеющим два вывода и функционирующим как односторонняя дверь для электрического тока. Полупроводники могут быть проводниками или изоляторами. Их сопротивление можно контролировать, увеличивая или уменьшая его сопротивление, называемое легированием. Легирование – это процесс добавления в материал примесных атомов.

Существует два типа полупроводниковых материалов:

• Материал N-типа — добавление количества мышьяка, фосфора, сурьмы, висмута и других пятивалентных элементов может привести к получению полупроводникового материала N-типа. У него есть дополнительные электроны. Его дополнительные отрицательно заряженные частицы перемещаются из отрицательно заряженной области в положительно заряженную область.

• Материал P-типа — добавление некоторого количества алюминия, галлия, бора, индия и других материалов может привести к получению полупроводникового материала P-типа. Имеет дополнительные отверстия.

Наличие дырок означает отсутствие электрона и наличие положительного заряда. Каждый раз, когда электрон движется в дырку, он создает за собой еще одну дырку, поскольку они движутся в направлении, противоположном электронам. Сочетание материалов N-типа и P-типа образует соединение P-N. Вы можете увидеть область истощения по обе стороны от диодного перехода. Эта область обеднена свободными электронами и дырками. Электроны со стороны N-типа заполняют дырки на стороне P-типа.

Что такое зона истощения?

Область истощения образуется, когда на диод не подается напряжение, поэтому электроны из материала N-типа заполняют отверстия в материале P-типа вдоль соединения между слоями. В этой области материал N-типа или P-типа возвращается в исходное изолирующее состояние. Электричество не может течь в обедненную область, так как все дыры заполнены и нет свободных электронов или пустых мест для электричества.

Вы увидите соединение P-N, когда отверстия перемещаются со стороны P на материал N-типа и обнажают отрицательные заряды. Затем вы увидите, как дырки и электроны диффундируют на другую сторону. После этого начинает формироваться область истощения.

Диоды с прямым смещением и диоды с обратным смещением

Диоды специального назначения

Стабилитроны

Стабилитроны состоят из сильно легированного PN-перехода, который проводит ток в обратном направлении, когда определенное указанное напряжение является проводящим в обратном направлении. Он также позволяет току течь в прямом или обратном направлении. Он обычно используется для ограничителей перенапряжения, регулирования напряжения, опорных элементов и любых других коммутационных приложений и цепей ограничителя.

Диоды Шоттки

Диоды Шоттки имеют низкое прямое падение напряжения, но очень быстрое переключение. Между металлом и полупроводником образуется переход полупроводник-металл, который создает барьер Шоттки. Когда через диод протекает ток, на клеммах диода возникает небольшое падение напряжения. Чем ниже падение напряжения, тем выше КПД системы и выше скорость переключения. Чаще всего диод Шоттки применяется в радиочастотах, в выпрямителях в некоторых силовых приложениях и в смесителях.

Выпрямительные диоды

Выпрямительные диоды могут быть смещенными или несмещенными. Выпрямительный диод становится несмещенным, когда на него не подается напряжение. В это время на стороне P находится большинство дырок-носителей заряда и очень мало электронов, в то время как на стороне N больше всего электронов и очень мало дырок. С другой стороны, он становится смещенным в прямом направлении, когда положительная клемма источника напряжения подключена к стороне P-типа, а отрицательная клемма подключена к стороне N-типа. Это будет обратное смещение, когда положительный вывод источника напряжения подключен к концу N-типа, а отрицательный вывод источника подключен к концу P-типа диода. Через диод не будет протекать ток, кроме обратного тока насыщения, потому что обедненный слой перехода становится шире с увеличением напряжения обратного смещения. Выпрямительные диоды обычно используются в качестве компонента в источниках питания, которые преобразуют напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока.

Сигнальные диоды

Сигнальные диоды обычно используются для обнаружения сигналов. Обычно они имеют низкий максимальный номинальный ток и средне-высокое прямое напряжение. Одним из наиболее распространенных применений сигнального диода является базовый диодный переключатель.

Германиевые диоды

Германиевые диоды имеют изначально низкое прямое падение напряжения, обычно 0,3 В. Низкое прямое падение напряжения приводит к низким потерям мощности и более эффективному диоду, который во многих отношениях лучше, чем кремниевый диод. Это более важно в средах с очень низким уровнем сигнала, например, при обнаружении сигнала от аудио до частот FM и в логических схемах низкого уровня. Германиевые диоды имеют больший ток утечки для германия при обратном напряжении, чем для кремния.

Соединительные диоды

Соединительные диоды — одни из самых простых полупроводниковых устройств. Но в отличие от других диодов, они не ведут себя линейно по отношению к приложенному напряжению. Диоды имеют экспоненциальную зависимость тока от напряжения. Он образуется, когда полупроводник P-типа соединяется с полупроводником N-типа, создавая потенциальный барьер на диодном переходе.

Три возможных условия «смещения» для стандартного переходного диода

1. Прямое смещение — потенциал напряжения подключается отрицательно к материалу N-типа и положительно к материалу N-типа через диод, что уменьшает ширину диода PN-перехода. .

2. Обратное смещение. Потенциал напряжения подключается положительно к материалу N-типа и отрицательно к материалу P-типа через диод, что увеличивает ширину PN-перехода диода.

3. Нулевое смещение – на диод PN-перехода не подается потенциал внешнего напряжения.

Надеюсь, эта статья помогла вам лучше понять, что такое диоды и как они работают. Не стесняйтесь оставлять комментарии ниже, если у вас есть вопросы о чем-либо!

Диоды и схемы диодов — Учебные пособия

Работа диода

Что такое диод?

• Диод представляет собой полупроводниковый прибор с двумя выводами, образованный двумя легированными областями кремния, разделенными переходом pn .

• Область p называется анодом и подключается к токопроводящей клемме. Область n называется катодом и соединена со второй проводящей клеммой.

Рисунок 1: Базовая структура диода и условное обозначение

Работа диода

Прямое смещение

• Прямое смещение — это условие, при котором ток проходит через переход pn .

• На рис. 2 показан источник постоянного напряжения, подключенный проводящим материалом (контактами и проводом) через диод в направлении, обеспечивающем прямое смещение. Внешнее напряжение смещения обозначается как V _BIAS . Резистор ограничивает прямой ток до значения, которое не повредит диод.

Рисунок 2: Диод, подключенный для прямого смещения

• Требования для прямого смещения:
  • Отрицательная сторона V _BIAS подключена к области n диода, а положительная сторона подключена к области p .
  • В _BIAS должен быть больше барьерного потенциала.

• Область обеднения сужается из-за уменьшения количества отрицательных и положительных ионов по мере того, как основные носители движутся к переходу pn .

• Падение напряжения, равное барьерному потенциалу ( 0,7 В для кремниевого диода; 0,3 В для германиевого диода) производится через переход pn , поскольку электроны отдают количество энергии, эквивалентное потенциалу барьера, когда они пересекают обедненную область.

Работа диода

Обратное смещение

0004 р обл. Обратите внимание, что область истощения показана намного шире, чем при прямом смещении или равновесии.

Вольт-амперная характеристика диода

Вольт-амперная характеристика для прямого смещения

Рис. 4. Измерения прямого смещения показывают общие изменения прямого напряжения и прямого тока при увеличении напряжения смещения _Ф =0.

По мере увеличения V _BIAS , I _F и напряжения на диоде (V _F ) увеличивается. Часть V _BIAS сбрасывается на ограничительный резистор.

Когда V _BIAS увеличивается до значения, при котором V _F достигает примерно 0,7 В (барьерный потенциал), I _F начинает быстро увеличиваться.

Поскольку V _BIAS продолжает увеличиваться, I _F также увеличивается очень быстро, но V _F увеличивается лишь постепенно выше 0,7 В. Это небольшое увеличение V _F возникает из-за падения напряжения на внутреннем сопротивлении полупроводникового материала.

График ВАХ

Рис. 5: Зависимость напряжения и тока в диоде с прямым смещением.

• I _F увеличивается очень незначительно, пока прямое напряжение на p-n переходе не достигнет примерно 0,7 В в изломе кривой.

• После этой точки прямое напряжение остается почти постоянным и составляет примерно 0,7 В, но I _F быстро увеличивается. Как упоминалось ранее, наблюдается небольшое увеличение V _F выше 0,7 В.

• Точка A соответствует состоянию нулевого смещения. Точка B наступает, когда V _F меньше потенциала барьера на 0,7 В. Точка C наступает, когда V _F приблизительно равна потенциалу барьера.

• Поскольку V _BIAS и I _F продолжают увеличиваться выше колена, V _F будет увеличиваться чуть выше 0,7 В. В реальности V _F может составлять примерно 1 В, в зависимости от прямого тока.

Вольт-амперная характеристика диода

ВАХ для обратного смещения

1. При 0 В на диоде I _R =0.

2. По мере постепенного увеличения напряжения обратного смещения I _R очень мало, и напряжение на диоде увеличивается.

3. Когда приложенное напряжение смещения увеличивается до значения, при котором обратное напряжение на диоде (В _R ) достигает пробивного значения (V _BR ), I _R начинает быстро возрастать.

4. Поскольку напряжение смещения продолжает увеличиваться, I _R также увеличивается очень быстро, но напряжение на диоде увеличивается очень незначительно выше V _BR .

График ВАХ

Рис. 6: Характеристика ВАХ для диода с обратным смещением0150 R достигает примерно V _BR в изломе кривой.

После этого момента V _R остается примерно на уровне V _BR , но I _R очень быстро увеличивается, что приводит к перегреву и возможному повреждению, если ток не будет ограничен безопасным уровнем.

В _BR зависит от уровня легирования, который устанавливает производитель, в зависимости от типа диода. Типичный выпрямительный диод имеет напряжение пробоя более 50 В. Некоторые специализированные диоды имеют напряжение пробоя всего 5 В.

Вольт-амперная характеристика диода

Полная кривая ВАХ

Рисунок 7: Полная кривая ВАХ для диода.

Влияние температуры

• Для диода с прямым смещением при увеличении температуры I _F увеличивается для заданного значения V _F . Наоборот, при данном значении I _F , V _F уменьшается.

• Для диода с обратным смещением при повышении температуры I _R увеличивается.

Модели диодов

Модель идеального диода

• Наименее точное приближение; может быть представлен простым переключателем

• С прямым смещением: диод действует как замкнутый (ВКЛ.) переключатель; с обратным смещением: диод работает как разомкнутый (выключатель), как показано на рис. 8.

Рис. 8: Идеальная модель диода

• всеми пренебрегают, эта модель подходит для устранения большинства неисправностей, чтобы определить, правильно ли работает диод.

• Предполагается, что диод имеет нулевое напряжение при прямом смещении: V _F =0 В. Прямой ток определяется напряжением смещения и ограничительным резистором по закону Ома.

Модели диодов

Практическая модель диода или модель с постоянным падением напряжения

• включает барьерный потенциал _F ), равный барьерному потенциалу (0,7 В) положительной стороной к аноду.

• При проведении на диоде возникает падение напряжения 0,7 В.

Рис. 9: Практическая модель диода

• С обратным смещением: диод эквивалентен разомкнутому выключателю, как и в идеальной модели. Барьерный потенциал не влияет на обратное смещение.

• Поскольку барьерный потенциал включен, а динамическое сопротивление не учитывается, предполагается, что на диоде при прямом смещении присутствует напряжение: В _F = 0,7 В.

• Прямой ток определяется, сначала применяя закон Кирхгофа для напряжения к рисунку 9(a):

• Предполагается, что диод имеет нулевой обратный ток: = 0 А , В _Р = В _{СМЕЩЕНИЕ} .

• Практичная модель полезна при устранении неисправностей в низковольтных цепях. В этих случаях падение 0,7 В на диоде может быть значительным, и его следует учитывать.

Модели диодов

Полная модель диода

• наиболее точное приближение; включает барьерный потенциал, малое прямое динамическое сопротивление ( r’ _d ) и большое внутреннее обратное сопротивление ( r’ _R )

• эквивалентное напряжение барьерного потенциала (V _B ) и r’ _d .

Рис. 10: Полная модель диода

• С обратным смещением: диод работает как разомкнутый переключатель, включенный параллельно с r’ _R . Барьерный потенциал не влияет на обратное смещение.

• Предполагается, что диод находится под напряжением при прямом смещении. Это напряжение (V _F ) состоит из V _B плюс небольшое падение напряжения на динамическом сопротивлении.

• Падение напряжения из-за динамического сопротивления увеличивается по мере увеличения тока.

• Для полной модели кремниевого диода применяются следующие формулы:

Однополупериодные выпрямители

Что такое однополупериодный выпрямитель?

• Однополупериодный выпрямитель пропускает ток через нагрузку только в течение половины цикла. Он преобразует входное напряжение переменного тока (обычно 120 В, 60 Гц) в пульсирующее постоянное напряжение, называемое двухполупериодным выпрямленным напряжением.

Однополупериодные выпрямители

Работа однополупериодного выпрямителя

• Диод подключен к источнику переменного тока и к нагрузочному резистору R _L , образуя однополупериодный выпрямитель.

• Когда синусоидальное входное напряжение (V _в ) становится положительным, диод смещается в прямом направлении и проводит ток через нагрузочный резистор.

Рисунок 11: При положительном чередовании VinРисунок 12: При отрицательном чередовании Vin

Однополупериодные выпрямители

Среднее значение однополупериодного выходного напряжения

• Среднее значение однополупериодного выпрямленного выходного напряжения — это значение, измеренное вольтметром постоянного тока. Математически это площадь под кривой за полный цикл, деленная на количество радианов в полном цикле: Модель диода используется с барьерным потенциалом 0,7 В, В _в должны преодолеть барьерный потенциал, прежде чем диод станет смещенным в прямом направлении.

• Это приводит к полуволновому выходному сигналу с пиковым значением, которое на 0,7 В меньше, чем пиковое значение входа. Выражение для пикового выходного напряжения:

Пиковое обратное напряжение (PIV)

Двухполупериодные выпрямители

Что такое двухполупериодный выпрямитель?

• Двухполупериодный выпрямитель пропускает однонаправленный (односторонний) ток через нагрузку в течение всего входного цикла.

• Результатом двухполупериодного выпрямления является выходное напряжение с частотой, вдвое превышающей входную частоту, которое пульсирует через каждый полупериод входного сигнала.

Рис. 13: Двухполупериодный выпрямитель

Двухполупериодные выпрямители

Двухполупериодный выпрямитель с отводом от средней точки

Рис. 14: Двухполупериодный выпрямитель с отводом от средней точки

• Во время положительных полупериодов D ₁

  с прямым смещением, а D

  ₂ с обратным смещением. Путь тока проходит через D ₁ и нагрузочный резистор R _L .

• Во время отрицательных полупериодов D ₂ смещен в прямом направлении, а D ₁ смещен в обратном направлении. Текущий путь проходит через D ₂ и R _L.

• Поскольку выходной ток во время положительной и отрицательной частей входного цикла имеет одно и то же направление через нагрузку, выходное напряжение, развиваемое на нагрузочном резисторе, является двухполупериодным. выпрямленное постоянное напряжение.

• Выходное напряжение двухполупериодного выпрямителя с отводом от средней точки всегда составляет половину общего вторичного напряжения за вычетом падения напряжения на диоде.

Двухполупериодные выпрямители

Мостовой двухполупериодный выпрямитель

• Мостовой выпрямитель использует четыре диода, подключенных, как показано на рис. 15.

Рис. 15: Мостовой выпрямитель

• смещены в прямом направлении и проводят ток. На RL возникает напряжение, похожее на положительную половину входного цикла. В это время диоды Д ₃ и Д ₄ смещены в обратном направлении.

• Во время отрицательного полупериода входа D ₃ и D ₄ смещены в прямом направлении и проводят ток. D ₁ и D ₂ имеют обратное смещение. В результате этого действия на R _L появляется двухполупериодное выпрямленное выходное напряжение.

Выходное напряжение моста

• Два диода всегда включены последовательно с нагрузочным резистором как во время положительного, так и отрицательного полупериода. С учетом падения напряжения на диоде выходное напряжение равно

Пиковое обратное напряжение

• Поскольку выходное напряжение идеально равно вторичному напряжению,

• Если включены падения напряжения на диодах с прямым смещением, пиковое обратное напряжение на каждом диоде с обратным смещением, выраженное в В _{p( out)} равно

• Если падением напряжения на диоде пренебречь, для мостового выпрямителя требуются диоды с номиналом PIV вдвое меньше, чем в выпрямителе с отводом от средней точки для того же выходного напряжения.

Диодные ограничители и фиксаторы

Диодные ограничители

• Диодные схемы, называемые ограничителями или ограничителями, иногда используются для отсекания частей напряжения сигнала выше или ниже определенных уровней.

• На рис. 16 показан диодный положительный ограничитель, который ограничивает или ограничивает положительную часть входного напряжения.

Рис. 16. Ограничитель положительного диода

• Когда входное напряжение становится положительным, диод смещается в прямом направлении и проводит ток. Точка A ограничивается значением +0,7 В, когда входное напряжение превышает это значение.

• Когда V _в снова становится ниже 0,7 В, диод смещается в обратном направлении. V _out выглядит как отрицательная часть V _in , с величиной, определяемой делителем напряжения, образованным R ₁ и R _L :

• часть входного напряжения отсекается. Когда V _в превышает -0,7 В, диод больше не смещен в прямом направлении; и на R 9 появляется напряжение0150 L пропорциональна V _в .

Ограничители со смещением

• Уровень, до которого ограничивается переменное напряжение, можно регулировать, добавляя напряжение смещения V _BIAS последовательно с диодом. Напряжение в точке A должно равняться V _BIAS + 0,7 В, прежде чем диод станет смещенным в прямом направлении и станет проводящим.

• Как только диод начинает проводить ток, напряжение в точке A ограничивается до В _BIAS + 0,7 В, чтобы все входное напряжение выше этого уровня отсекалось.

• Чтобы ограничить напряжение до указанного отрицательного уровня, диод и напряжение смещения должны быть подключены, как показано ниже. В этом случае напряжение в точке A должно упасть ниже -V _BIAS — 0,7 В, чтобы сместить диод в прямом направлении и инициировать действие ограничения.

Смещение делителя напряжения

Рис. 17. Диодные ограничители со смещением делителя напряжения

Диодные ограничители и фиксаторы

Диодные фиксаторы

Рис. 18. Работа положительного фиксатора

• Когда входное напряжение изначально становится отрицательным, диод смещается в прямом направлении, позволяя конденсатору заряжаться почти до пика входного напряжения.

• Сразу после отрицательного пика диод смещен в обратном направлении, поскольку катод удерживается около В _p(in) -0,7 В за счет заряда конденсатора.

• Конденсатор может разряжаться только через высокое сопротивление R _л . Таким образом, от пика одного отрицательного полупериода до следующего конденсатор разряжается очень мало. Сумма, которая сбрасывается, зависит от стоимости R _L .

• Если диод перевернут, к входному напряжению добавляется отрицательное постоянное напряжение для получения выходного напряжения, как показано на рис. 19.

Рис. заключается в том, что конденсатор сохраняет заряд, приблизительно равный пиковому значению входа за вычетом падения напряжения на диоде.

Напряжение конденсатора действует, по сути, как батарея, включенная последовательно с входным напряжением. Постоянное напряжение конденсатора добавляется к входному напряжению за счет наложения.

Стабилитроны

Рисунок 20: Стабилитрон и условное обозначение

Стабилитрон Работа

• Стабилитроны действуют как обычные диоды при прямом смещении.

• Когда обратное напряжение становится равным номинальному напряжению Зенера, стабилитроны предназначены для того, чтобы пропускать ток в обратном направлении.