Схема диода. Диод в электронике: принцип работы, виды и применение

Как устроен диод и как он работает. Какие бывают виды диодов. Где применяются диоды в электронике и электротехнике. Каковы основные характеристики диодов. Как подключать диоды в электрические схемы.

Что такое диод и как он устроен

Диод — это полупроводниковый электронный компонент с двумя выводами, который пропускает электрический ток только в одном направлении. Основные элементы конструкции диода:

• Полупроводниковый кристалл с p-n переходом
• Два электрода — анод и катод
• Корпус для защиты кристалла
• Выводы для подключения в электрическую цепь

P-n переход образуется на границе двух областей кристалла с разным типом проводимости. Область p-типа содержит «дырки» — положительные носители заряда, а область n-типа — свободные электроны. На границе этих областей возникает потенциальный барьер, который и обеспечивает односторонню проводимость диода.

Принцип работы диода

Принцип работы диода основан на свойствах p-n перехода:

1. При подаче на анод положительного напряжения относительно катода потенциальный барьер p-n перехода уменьшается. Через диод начинает протекать прямой ток.
2. При подаче на анод отрицательного напряжения потенциальный барьер увеличивается. Ток через диод практически не течет — диод заперт.

Таким образом, диод проводит ток только в прямом направлении от анода к катоду. В обратном направлении диод работает как изолятор. Это свойство позволяет использовать диоды для выпрямления переменного тока, защиты от обратного тока, детектирования сигналов и других целей.

Основные виды диодов

Существует несколько основных типов диодов, различающихся по конструкции и назначению:

• Выпрямительные диоды — для преобразования переменного тока в постоянный
• Импульсные диоды — для работы в импульсных схемах
• Стабилитроны — для стабилизации напряжения
• Светодиоды — для генерации света
• Фотодиоды — для преобразования света в электрический ток
• Варикапы — диоды с управляемой емкостью
• Диоды Шоттки — для высокочастотных схем
• Туннельные диоды — для СВЧ-техники

Каждый тип диодов имеет свои особенности конструкции и характеристики, оптимизированные для конкретного применения.

Применение диодов в электронике

Благодаря своим свойствам диоды широко применяются в различных электронных устройствах:

• Выпрямители переменного тока в блоках питания
• Детекторы сигналов в радиоприемниках
• Ограничители напряжения для защиты схем
• Модуляторы и демодуляторы сигналов
• Умножители частоты
• Генераторы шума
• Параметрические усилители
• Смесители сигналов
• Источники опорного напряжения

Диоды являются одними из самых распространенных электронных компонентов и входят в состав практически любого электронного устройства.

Основные характеристики диодов

При выборе диода для конкретного применения учитывают следующие основные параметры:

• Максимальный прямой ток
• Максимальное обратное напряжение
• Прямое падение напряжения
• Обратный ток утечки
• Емкость p-n перехода
• Время восстановления
• Рабочая частота
• Температурный диапазон

Эти характеристики определяют возможности применения диода в различных схемах. Например, выпрямительные диоды должны выдерживать большие токи, а импульсные — иметь малое время восстановления.

Правила подключения диодов

При подключении диодов в электрическую цепь необходимо соблюдать следующие основные правила:

1. Анод диода подключается к положительному полюсу источника напряжения, катод — к отрицательному.
2. Прямой ток через диод не должен превышать максимально допустимого значения.
3. Обратное напряжение на диоде не должно превышать максимально допустимого.
4. При последовательном соединении диодов напряжение на них распределяется неравномерно. Может потребоваться шунтирование резисторами.
5. При параллельном соединении диодов ток распределяется неравномерно. Требуется симметрирование с помощью резисторов.

Соблюдение этих правил обеспечивает корректную работу диодов в схеме и защищает их от повреждения.

Проверка исправности диодов

Для проверки работоспособности диода можно использовать следующие методы:

• Прозвонка мультиметром в режиме «диод». Исправный диод должен пропускать ток в прямом направлении и не пропускать в обратном.
• Измерение прямого падения напряжения при небольшом токе. Для кремниевых диодов оно должно составлять 0,6-0,7 В.
• Измерение обратного тока утечки при номинальном обратном напряжении. Он не должен превышать указанного в документации значения.
• Проверка времени восстановления диода с помощью осциллографа.

При обнаружении отклонений от нормальных параметров диод считается неисправным и подлежит замене.

Электронные схемы — диод как переключатель

Диод представляет собой двухполюсный PN-переход, который может использоваться в различных приложениях. Одним из таких приложений является электрический выключатель. PN-переход, когда прямое смещение действует как замкнутая цепь, а когда обратное смещение действует как разомкнутая цепь. Следовательно, изменение прямого и обратного смещенных состояний приводит к тому, что диод работает в качестве переключателя, когда прямое направление включено, а обратное состояние выключено .

Электрические выключатели над механическими выключателями

Электрические выключатели являются предпочтительным выбором по сравнению с механическими выключателями по следующим причинам:

• Механические переключатели подвержены окислению металлов, а электрические — нет.
• Механические выключатели имеют подвижные контакты.
• Они более подвержены нагрузкам и нагрузкам, чем электрические выключатели.
• Изношенные механические выключатели часто влияют на их работу.

Следовательно, электрический переключатель более полезен, чем механический переключатель.

Работа диода в качестве переключателя

При превышении указанного напряжения сопротивление диода увеличивается, что приводит к смещению диода в обратном направлении, и он действует как размыкающий переключатель. Всякий раз, когда напряжение, приложенное ниже опорного напряжения, сопротивление диода получает уменьшается, что делает диод смещен в прямом направлении, и он действует как замкнутый переключатель.

Следующая схема объясняет, как диод работает как переключатель.

Переключающий диод имеет PN-переход, в котором P-область слегка легирована, а N-область сильно легирована. Вышеприведенная схема символизирует, что диод включается, когда прямое положительное напряжение смещает диод, и выключается, когда отрицательное обратное напряжение смещает диод.

звонкий

Поскольку прямой ток течет до этого момента, при внезапном обратном напряжении обратный ток протекает в течение некоторого времени, а не немедленно отключается. Чем выше ток утечки, тем больше потери. Поток обратного тока при внезапном обратном смещении диода иногда может создавать несколько колебаний, называемых RINGING .

Это условие вызова является потерей и, следовательно, должно быть сведено к минимуму. Для этого следует понимать время переключения диода.

Время переключения диода

При изменении условий смещения диод испытывает переходные характеристики . Реакция системы на любое внезапное изменение из положения равновесия называется переходной реакцией.

Внезапное изменение от прямого к обратному и от обратного к прямому смещению влияет на цепь. Время, необходимое для реагирования на такие внезапные изменения, является важным критерием для определения эффективности электрического выключателя.

• Время, необходимое для восстановления устойчивого состояния диода, называется временем восстановления .

• Временной интервал, используемый диодом для переключения из состояния обратного смещения в состояние прямого смещения, называется временем прямого восстановления (tfr).

• Временной интервал, используемый диодом для переключения из состояния прямого смещения в состояние с обратным смещением, называется временем обратного восстановления. (Tфр)

Время, необходимое для восстановления устойчивого состояния диода, называется временем восстановления .

Временной интервал, используемый диодом для переключения из состояния обратного смещения в состояние прямого смещения, называется

временем прямого восстановления (tfr).

Временной интервал, используемый диодом для переключения из состояния прямого смещения в состояние с обратным смещением, называется временем обратного восстановления. (Tфр)

Чтобы понять это более четко, давайте попробуем проанализировать, что происходит, когда напряжение подается на переключающий диод PN.

Концентрация несущей

Концентрация миноритарных носителей заряда экспоненциально уменьшается, если смотреть в сторону от соединения. Когда напряжение приложено из-за прямого смещения, большинство несущих одной стороны движутся в направлении другой. Они становятся миноритариями другой стороны. Эта концентрация будет больше на стыке.

Например, если рассматривается N-тип, избыток дырок, которые входят в N-тип после применения прямого смещения, добавляет к уже существующим неосновным носителям материала N-типа.

Давайте рассмотрим несколько обозначений.

• Основные носители в P-типе (дырки) = Ppo
• Основные носители в N-типе (электроны) = Nno
• Миноритарные носители в P-типе (электроны) = Npo
• Основные носители в N-типе (дырки) = Pno

Во время прямого смещения — несущие меньшего размера находятся ближе к перекрестку и менее далеко от перекрестка. График ниже объясняет это.

Избыточный заряд миноритарного оператора в P-типе = Pn−Pno с pno (значение устойчивого состояния)

Избыточный заряд миноритарного оператора в N-типе = Np−Npo с Npo (установившееся значение)

Во время условия обратного смещения — Большинство несущих не проводит ток через соединение и, следовательно, не участвует в текущем состоянии. Переключающий диод ведет себя как короткое замыкание, например, в обратном направлении.

Миноритарные несущие будут пересекать перекресток и проводить ток, который называется обратным током насыщения . Следующий график представляет условие во время обратного смещения.

На приведенном выше рисунке пунктирная линия представляет равновесные значения, а сплошные линии представляют фактические значения. Поскольку ток из-за неосновных носителей заряда достаточно велик для проведения, цепь будет включена, пока этот избыточный заряд не будет удален.

Время, необходимое для перехода диода из прямого смещения в обратное смещение, называется временем обратного восстановления (trr) . Следующие графики подробно объясняют времена переключения диодов.

Из приведенного выше рисунка рассмотрим график тока диода.

При t1 диод внезапно переводится в состояние ВЫКЛ из состояния ВКЛ; это известно как Время хранения. Время хранения — это время, необходимое для снятия избыточного заряда меньшинства. Отрицательный ток, протекающий от материала типа N к P, имеет значительное количество в течение времени хранения. Этот отрицательный ток

−IR= frac−VRR

Следующий период времени — это время перехода »(от t2 до t3)

Время перехода — это время, необходимое для полного перехода диода в состояние разомкнутой цепи. После того, как t3 диод будет в устойчивом состоянии обратного смещения. До того, как диод t1 находится в установившемся режиме прямого смещения.

Таким образом, время, необходимое для полного разомкнутого контура

Reverserecoverytime left(trr right)=памятьtime left(Ts right)+переходвремя left(Tt right)

Принимая во внимание, что для перехода в состояние ВКЛ из ВЫКЛ, требуется меньше времени, называемого временем прямого восстановления . Время обратного восстановления больше, чем время прямого восстановления. Диод работает как лучший переключатель, если обратное время восстановления меньше.

Определения

Давайте просто пройдемся по определениям обсуждаемых периодов времени.

• Время хранения. Период времени, в течение которого диод остается в состоянии проводимости даже в состоянии с обратным смещением, называется временем хранения .

• Время перехода . Время, прошедшее с момента возврата обратно в состояние непроводимости, то есть обратное смещение в установившемся режиме, называется временем перехода .

• Время обратного восстановления — Время, необходимое для перехода диода с прямого смещения на обратное смещение, называется временем обратного восстановления .

• Время прямого восстановления — Время, необходимое для перехода диода из обратного смещения в прямое смещение, называется временем прямого восстановления .

Время хранения. Период времени, в течение которого диод остается в состоянии проводимости даже в состоянии с обратным смещением, называется временем хранения .

Время перехода . Время, прошедшее с момента возврата обратно в состояние непроводимости, то есть обратное смещение в установившемся режиме, называется временем перехода .

Время обратного восстановления — Время, необходимое для перехода диода с прямого смещения на обратное смещение, называется временем обратного восстановления .

Время прямого восстановления — Время, необходимое для перехода диода из обратного смещения в прямое смещение, называется временем прямого восстановления .

Факторы, влияющие на время переключения диодов

Есть несколько факторов, которые влияют на время переключения диодов, таких как

• Диодная емкость — емкость PN перехода изменяется в зависимости от условий смещения.

• Diode Resistance — сопротивление, предлагаемое диодом для изменения его состояния.

• Концентрация легирования — Уровень легирования диода влияет на время переключения диода.

• Ширина истощения — чем уже ширина слоя истощения, тем быстрее будет переключение. Стабилитрон имеет более узкую область истощения, чем лавинный, что делает его лучшим переключателем.

Диодная емкость — емкость PN перехода изменяется в зависимости от условий смещения.

Diode Resistance — сопротивление, предлагаемое диодом для изменения его состояния.

Концентрация легирования — Уровень легирования диода влияет на время переключения диода.

Ширина истощения — чем уже ширина слоя истощения, тем быстрее будет переключение. Стабилитрон имеет более узкую область истощения, чем лавинный, что делает его лучшим переключателем.

Приложения

Существует много применений, в которых используются схемы переключения диодов, например:

принцип действия, схемы, примеры и т.д.

Светодиод — диод с простым P-N переходом, главной особенностью которого является то, что он испускает свет, когда через него проходит ток. Используется во многих цифровых дисплеях, а также в других типах индикаторных устройств.

Светодиод

Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

Принцип работы светодиода

Основные рабочие характеристики любого светоизлучающего диода сходны с характеристиками обычного диода. Когда подается напряжение, то электроны двигаются от материала N-типа через P-N переход и соединяются с отверстиями в материале P-типа. В обычных диодах энергия, которая возникает в результате соединения электронов с отверстиями, выделяется в виде тепла. Однако, когда речь идет о светодиодах, то энергия в них выделяется в первую очередь в виде света.

Схема светодиода

Светодиоды могут изготавливаться таким образом, что будут испускать красный, зеленый, голубой, инфракрасный или ультрафиолетовый свет. Это достигается путем изменения количества и типа материалов, которые используются в качестве присадки. Яркость света также может изменяться, что осуществляется с помощью управления количеством тока, проходящего через светодиод. Однако, как и любой другой диод, СИД имеет предельные значения тока, которые он может выдержать.

Где используются светодиоды

Одной из основных областей применения светодиодов является использование их в качестве сигнальных лампочек. Например, этот прибор может использоваться для того, чтобы проконтролировать идет ли по цепи ток или она обесточена.

Цепь с сигнальной лампочкой представляет собой ряд приборов, последовательно соединенных между собой: светодиод, резистор, выключатель и источник постоянного тока.

Схема типичной цепи с сигнальной лампочкой

Когда выключатель цепи с сигнальной лампочкой замкнут, то напряжение прямого смещения от источника тока подается на светодиод (который разработан таким образом, чтобы срабатывать только, когда имеется прямое смещение). Электроны, которые прорываются через P-N переход, соединяются с отверстиями, в результате чего энергия высвобождается в виде света. Резистор, установленный в этой цепи, ограничивает протекание тока по ней, с тем, чтобы защитить светодиод от повреждений, которые может вызвать чрезмерный ток.

Светодиоды могут также использоваться в цифровых дисплеях, например, в наручных часах или калькуляторах.

С помощью высвечивания различных комбинаций из семи элементов на дисплее можно отображать любую цифру от нуля до девяти.

Цифровой дисплей на калькуляторе из семи элементов

Каждый светодиод соединен последовательно с резистором и выключателем, где каждый выключатель представляет собой внешнюю управляющую цепь. Выключатели имеют обозначения от А до G, чтобы соответствовать элементам дисплея. Семь последовательных проводов соединены параллельно с источником постоянного тока. Для того, чтобы подать питание на какой-либо светодиод, замыкается соответствующий выключатель. Каждый последовательно включенный в цепь резистор ограничивает ток, проходящий по проводу, и, тем самым, предотвращает повреждение светодиодов от чрезмерно большого тока.

Схема внешней цепи управления для цифрового дисплея калькулятора

Цифры появляются на цифровом дисплее в результате различных сочетаний семи выключателей. Например, если выключатели А и В замкнуты, то соответствующие элементы на дисплее загорятся и образуют цифру 1. Подобным же образом цифра 2 может быть образована с помощью выключателей A, C, D, F и G, которые будут замкнуты одновременно.

Замыкая соответствующие выключатели в определенных комбинациях, на дисплее можно получать цифры от 0 до 9. Если элементы расположить несколько иным образом, то на дисплее можно получить знак плюса, минуса, десятичные точки или же буквы алфавита.

Светодиоды могут использоваться даже для обеспечения искусственного освещения для роста растений. Основными преимуществами светодиодов в этом случае являются: низкое потребление электричества и тепловыделения, а также возможность настройки необходимого спектра излучения.

Математические модели диодов: анализ электронных схем, ВАХ

При анализе электронных схем на ЭВМ все электронные приборы, в том числе и диоды, заменяются их математическими моделями.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Математическая модель диода — это совокупность эквивалентной схемы диода и математических выражений, описывающих элементы эквивалентной схемы. Кратко рассмотрим математическую модель диода, используемую в пакете программ для анализа схем MicroCap-2. Это одна из наиболее простых моделей. Изобразим эквивалентную схему диода (рис. 1.35).

Постоянное сопротивление R включено в схему с целью учета тока утечки. Емкость C  моделирует барьерную и диффузионную емкости диода.

Управляемый источник тока i_y моделирует статическую вольт-амперную характеристику. Математическое описание тока i_y и емкости C достаточно громоздкое, но основано на учете уже рассмотренных выше физических явлений в диоде.

Модель является универсальной и хорошо моделирует диод как в статическом (на постоянном токе), так и в динамическом (в переходных процессах) режиме, учитывает влияние температуры на свойства диода.

В простейших случаях, например при ориентировочных ручных расчетах, иногда используют несложные математические модели диодов. При этом часто пользуются кусочно-линейной аппроксимацией вольт-амперной характеристики диода.

Изобразим вольт-амперную характеристику диода (рис. 1.36), выполним линейную аппроксимацию прямой и обратной ветвей и изобразим соответствующие эквивалентные схемы диодов для прямого (рис. 1.37) и обратного включений (рис. 1.38).

Рассмотрим в качестве примера расчет тока и напряжений в простейшей схеме (рис. 1.39).

Поскольку диод смещен в прямом направлении, то используем эквивалентную схему для прямого включения диода и получим линейную схему постоянного тока, представленную на рис. 1.40.

Выполним анализ этой цепи: E=u_R+u_d; i = ( E – u₀) / ( R + r диф.пр.),

откуда u_R = i · R = ( E – u₀) / ( R + rдиф.пр.) · R, u_d = E — u_R = E — ( E – u₀) / ( R + rдиф. пр.) · R

При приближенном анализе схемы с диодом иногда можно пренебречь величинами r диф.пр. и u_d и заменить включенный диод идеальным источником напряжения с нулевой величиной напряжения, т. е. так называемой «закороткой», а также пренебречь обратным током i₀ (близким к нулю) и сопротивлением r диф.обр. (близким к бесконечности) и заменить выключенный диод разрывом. Это соответствует замене реального диода идеальным, обладающим вольт-амперной характеристикой, представленной на рис. 1.41.

Изобразим эквивалентные схемы идеального диода для прямого (рис. 1.42) и обратного включений (рис. 1.43).

Диодный мост, принцип работы и схема

Диодный мост – это мостовая схема соединения диодов, для выпрямления переменного тока в постоянный.

Диодные мосты являются простейшими и самыми распространенными выпрямителями, их используют в радиотехнике, электронике, автомобилях и в других сферах, там, где требуется получение пульсирующего постоянного напряжения.

Для лучшего понимания принципа работы диодного моста, рассмотрим работу одного диода:

Диод как полупроводниковый элемент, имеет один p-n переход, что дает ему возможность проводить ток только в одном направлении. Ток через диод начинает проходить при подключении анода к положительному, а катода к отрицательному полюсу источника. В обратной ситуации диод запирается, и ток через него не протекает.

Схема и принцип работы диодного моста

На данной схеме 4 диода соединенных по мостовой схеме подключены к источнику переменного напряжения 220В. В качестве нагрузки подключен резистор Rн.

Переменное напряжение на входе меняется не только по мгновенному значению, но и по знаку. При прохождении положительной полуволны (от 0 до π) к анодам диодов VD2 и VD4 приложено положительное напряжение относительно их катодов, что вызывает прохождение тока Iн через диоды и нагрузку Rн. В этот момент диоды VD1 и VD3 заперты и не пропускают ток, так как напряжение положительной полуволны для них является обратным.

В момент, когда входное напряжение пересекает точку π, оно меняет свой знак. В этом случае диоды VD1 и VD3 начинают пропускать ток, так как к их анодам приложено положительное напряжение относительно катодов, а диоды VD2 и VD4 оказываются запертыми. Это продолжается до точки 2π, где переменное входное напряжение снова меняет свой знак и весь процесс повторяется заново.

Важно отметить, что ток Iн протекающий через нагрузку Rн, не изменяется по направлению, т.е. является постоянным.

Но если обратить внимание на график, то можно заметить, что напряжение на выходе является не постоянным, а пульсирующим. Соответственно, выходной ток, появляющийся от такого напряжения и протекающий через активную нагрузку, будет также – пульсирующим. Данную пульсацию можно немного уменьшить с помощью параллельно включенного конденсатора к выходу диодного моста. Напряжение на конденсаторе, согласно закону коммутации, не может измениться мгновенно, а значит в данном случае, выходное напряжение примет более сглаженную форму.

Просмотров: 19633

общие сведения и принцип работы, способы подключения к электрической цепи, возможные неисправности

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. Диодные мосты. В их составе может находиться от 4 до 12 диодов, которые последовательно соединены друг с другом. Они применяются для однофазных и трёхфазных схем, где выполняют функцию выпрямителей. В большинстве случаев такие диодные мосты устанавливаются на генераторах автомобилей. Благодаря им не только увеличивается надёжность устройства, но и уменьшаются его размеры.
2. Диодные детекторы. Они представляют собой конструкцию, которая сочетает в себе не только несколько диодов, но и конденсаторы. Благодаря этому достигается способность выделять модуляцию с низкими частотами из соответствующих сигналов. Такие детекторы часто используются при изготовлении радиоприёмников и телевизоров.
3. Диодная искрозащита. Для её создания применяются специальные диодные барьеры, которые ограничивают напряжение в имеющейся электрической цепи. Вместе с ними используются специальные токоограничительные резисторы, необходимые для контроля за величиной параметров проходящего электрического тока.
4. Переключатели на основе диодов. Эти устройства дополняются конденсаторами и коммутируют высокочастотные сигналы. При этом контроль за работой осуществляется с помощью подачи управляющего сигнала, разделения высоких частот и применения постоянного тока.

Способы подключения

Существует несколько стандартных вариантов подключения диода в электрическую цепь. Все они используются в определённых схемах и позволяют достичь требуемого результата.

Прямой вариант

Этот способ включения диода в электрическую цепь называют наиболее простым и часто используемым. В его основе лежит подсоединение положительного полюса к области p-типа, а отрицательного — к n-типа.

Описание работы диода при прямом подключении:

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.

Полупроводниковый диод. Его характеристики, эквивалентная схема и конструкция. Использование диодов в современной технике

Электронно-дырочный переход активно используют в полупроводниковых устройствах, например диодах. Главная особенность этих устройств – это возможность пропускать ток только в одном направлении. Это свойство диодов активно применяют при преобразовании переменного тока в постоянный.

В идеальном полупроводнике характеристика будет иметь следующий вид:

Но с реальной характеристикой диода будет совпадать только первый квадрант, а обратный ток I₀ будет иметь следующий вид:

При относительно малых значениях обратного напряжения участок 0-1 совпадает с идеальной характеристикой элемента. При увеличении обратного напряжения обратный ток будет возрастать за счет поверхностной проводимости (участок 1-2). При дальнейшем увеличении напряжения электроны будут набирать в электрическом поле значительную энергию и сжиматься с атомами в узлах кристаллической решетки, передавая ее другим электронам. Начинается лавинная генерация электронов и ток значительно возрастет на участке 3-4. Этот процесс называется пробоем диода. Этот пробой не разрушит p-n переход полупроводника, если снизить напряжение обратное на элементе, то диод снова вернется на промежуток 1-2 характеристики. Пробои могут быть:

• Лавинный – возникает при большой площади p-n перехода и объясняется лавинным ростом количества носителей при ударной ионизации атомов;
• Тоннельный – возникает при малой площади p-n перехода. При этом возрастет напряженность электрического поля, и электроны будут двигаться вдоль этого поля как будто бы в тоннеле, не встречая на своем пути практически никакого сопротивления.

Если ток и дальше продолжит свой рост (участок 4-5), то температура перехода резко возрастет, что приведет к его разрушению. Его сопротивление резко упадет и, как следствие, падает напряжение на нем. Произойдет тепловой пробой, что полностью выводит диод из строя.

Во избежание теплового пробоя необходимо выбирать диод так, чтоб обратное напряжение было меньше, чем напряжение пробоя U_проб., при котором возникнет электрический пробой. На практике Uмакс. обратное, как правило, составляет около 70% от Uпроб.

Реальная характеристика зависит также и от температуры, при ее увеличении она смещается вправо (см. рисунок выше).

Обратную характеристику применяют очень активно в полупроводниковых приборах

имеющих название стабилитронов. Они выполняют функции защиты электрических цепей от перенапряжений. Более подробно мы рассмотрим стабилитроны в следующих статьях.

Прямую ветвь полупроводников тоже можно использовать для стабилизации напряжений, но довольно малых значений 0,5 – 1 В. Такие устройства носят название опорных диодов.

На электрических схемах диод имеет следующее обозначение:

Та часть полупроводника, которая имеет дырочную проводимость называется анодом, а та, которая имеет электронную – катодом. Чтоб через полупроводник протекал ток, необходимо к аноду приложить положительное напряжение, а к катоду – отрицательное.

Упрощенная вольт-амперная характеристика диода

Как мы увидели ранее – характеристика диода нелинейная. Для проведения расчетов электрических цепей, в которых присутствуют полупроводники, нелинейную часть характеристики заменяют эквивалентными линейными элементами и ведут расчет. Такая схема показана ниже:

Где: D – диод идеальный, R_пр – прямое, R_зв – обратное сопротивления полупроводника, Е – источник напряжения.

Если заменить вольт-амперную характеристику полупроводника ломаной линией, как это показано ниже:

Наклон отрезка АЕ будет соответствовать прямому сопротивлению элемента R_пр, точка встречи этого отрезка с горизонтальной осью будет определять значение источника напряжения Е. при отрицательном напряжении анода и положительном катода работать будет правая часть схемы, при обратной ситуации (анод +, катод -), будет работать левая часть схемы.

Конструкция диода

Одна из возможных конструкций диода показана ниже:

Рассмотрим одну из возможных конструкций прибора. Кристалл полупроводника 1 (например, с электронной проводимостью) размещен на металлической основе 3. На верхней части кристалла размещена примесь 2 (например индий), который обеспечивает наличие дырочной проводимости. Кристалл закрыт корпусом 4 во избежание различных механических повреждений p-n перехода.

С индиевой наплавки сделан изолированный вывод через стеклянный изолятор 5 – это анод прибора. Выводом же катода будет металлический корпус 3, которая также обеспечивает отвод тепла при работе устройства, чем защищает его от теплового пробоя и перегрева.

В свою очередь полупроводниковые элементы делят на:

• Малая мощность – ток до 0,3 А;
• Средняя – от 0,3 до 10 А;
• Мощные – от 10 А;

Схемы включения диодов

Если возникнет необходимость пропускать через полупроводники токи, которые больше их номинальных, соединяют их параллельно, что позволит пропустить больший ток, но возникает необходимость использовать индуктивные делители, для выравнивания токов элементов, схема ниже:

При больших напряжениях – соединяют последовательно. Но для таких соединений необходимо применять специальных схемы коммутации, чтоб не допустить выход элементов из строя, они показаны ниже:

Схема последовательного соединения диодов, Высоковольтный диод из нескольких своими руками

Рассмотрим принцип создания и сборки высоковольтного диода своими руками, с этой задачей справится даже начинающий радиолюбитель.

Для того, чтобы сделать высоковольтный диод, возьмем два или три диода, которые подключим последовательно. Однако даже начинающий радиолюбитель знает, что в этом случае напряжение распределится между всеми диодами. Так же не все могут знать, что если берем совершенно одинаковые по маркировке диоды, как не странно, их параметры могут отличаться и при чем существенно. Это станет сильно заметно при увеличении температуры, что параметр обратного сопротивления диодов разное!

Именно поэтому, каждый радиолюбитель должен знать: при последовательном подключении нескольких диодов приложенное напряжение будет падать на диоде, который обладает наибольшим обратным сопративлением (т.е наименьшим обратным током) и в этом случае велика вероятность, что напряжение превысит предельно допустимые значения. Отдельно отметим, что самый слабый диод в этой цепочке будет находиться в наиболее щадящих условиях, так как имеет наименьшее значение обратного сопротивления, в то время как наиболее мощный диод будет находиться в обратных условиях- т.е наихудших.

Для того, чтобы избежать перегрузок и стабилизировать условия в цепь подключают параллельно друг другу балластные резисторы.

Формула расчета сопротивления шунтирующих резисторов

Где в формуле: Uобр.max — максимальное  рабочее напряжение диода, Iобр.max — максимальный обратный ток диода.

Шунтирующее сопротивление должно быть в 10 раз меньше обратного сопротивления диода.

Каждый радиолюбитель теперь должен понимать, что при одинаковых номинальных значениях шунтирующих сопротивлений, на всех диодах  будут одинаковы и обратные напряжения. Они не будут зависеть от разных параметров обратного сопротивления диодов.

Похожие радиосхемы и статьи:

2.4: Модели диодных схем — Разработка LibreTexts

Из характеристической кривой диода очень ясно одно: это не линейное двустороннее устройство ¹ , в отличие от резистора. Следовательно, мы не можем использовать технику суперпозиции для решения диодных цепей, если у нас нет априорных знаний об этом, то есть, является ли это прямым или обратным смещением. Например, мы можем представить схему, состоящую из двух источников напряжения, резисторов и диода. Сам по себе один из источников напряжения может смещать диод в прямом направлении, а другой — в обратном.Очевидно, что диод не может иметь прямое и обратное смещение одновременно.

Вторая проблема, с которой мы сталкиваемся при анализе схем, — это дополнительная сложность уравнения Шокли. Для ускорения и простоты вычислений мы считаем полезным моделировать диод с более простыми схемными элементами. Три модели диодов показаны на рисунке \ (\ PageIndex {1} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Упрощенные модели диодов. Сверху вниз: первое, второе и третье приближения с увеличением точности.

Первое приближение — самое простое из трех. Он рассматривает диод как простой зависимый переключатель: переключатель замкнут, если диод смещен в прямом направлении, и разомкнут, если он смещен в обратном направлении. Второе приближение добавляет эффект прямого напряжения. \ (V_ {колено} \) — потенциал «включения», необходимый для преодоления холма энергии. Для кремниевого устройства это будет 0,7 вольт. Третье приближение является наиболее точным из трех. Внимательно посмотрите на характеристическую кривую на Рисунке 2.2.4 показывает, что при достижении напряжения колена кривая не переходит в идеальную вертикальную линию. Вместо этого остается некоторый положительный, небесконечный наклон. То есть напряжение продолжает расти, хотя и незначительно, с дальнейшим увеличением тока. Мы можем аппроксимировать этот эффект как небольшое значение сопротивления, \ (R_ {bulk} \). Три соответствующих графика I-V показаны на рисунке \ (\ PageIndex {2} \). Сравните их с рисунком 2.2.6 и обратите внимание на возрастающую точность.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): ВАХ для упрощенных моделей диодов.Сверху вниз: первое, второе и третье приближения.

Во многих приложениях второе приближение дает достаточно точные результаты, и мы будем стремиться максимально использовать его. Просто помните, что это модели поведения; не думайте, что в диодах буквально есть источники на 0,7 В или маленькие резисторы.

Следует отметить, что \ (R_ {bulk} \) не представляет «сопротивление диода» как таковое, скорее, он моделирует минимальное значение. На самом деле не существует такого понятия, как единичное сопротивление диода.Однако мы можем говорить об эффективном сопротивлении диода в конкретной цепи как по постоянному, так и по переменному току.

Ключ к пониманию этой концепции — помнить, что сопротивление является линейной функцией, прямой линией на графике ВАХ. Следовательно, нам нужно найти прямую, «подходящую» для диодной кривой. Две возможности показаны на рисунке \ (\ PageIndex {3} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): Эффективное сопротивление диода для постоянного и переменного тока.

Красная кривая — это характеристическая кривая диода (показаны произвольные значения тока).Для некоторой конкретной цепи постоянного тока через диод будет протекать определенный ток, который будет производить определенное напряжение, обозначенное на графике как рабочая точка. Если мы просто вычислим отношение этого напряжения к управляющему току, мы получим сопротивление. Это эффективное сопротивление диода постоянному току в этих условиях цепи и показано синей линией. То есть величина, обратная наклону синей линии, является эффективным сопротивлением постоянному току. Очевидно, что если мы сместим рабочую точку по красной кривой диода, наклон пересекающейся синей линии изменится, и, следовательно, мы придем к новому сопротивлению постоянному току.Чем выше ток, тем ниже эффективное сопротивление постоянному току.

Вместо постоянного тока диод может видеть комбинацию сигналов постоянного и переменного тока. Визуализируйте это как добавление небольшого изменения переменного тока поверх постоянного тока. Мы можем представить рабочую точку, движущуюся по кривой красного диода, назад и вперед относительно рабочей точки. Если мы разделим небольшое изменение напряжения переменного тока на соответствующее изменение переменного тока, мы получим эквивалентное сопротивление переменного тока, также известное как динамическое сопротивление. Графически это можно представить как нахождение наклона линии, касательной к рабочей точке (фиолетовой линии).Фактически, это будет среднее значение по вариации переменного тока. Также должно быть очевидно, что эффективное сопротивление переменного тока должно быть меньше, чем его аналог для постоянного тока, потому что приближение переменного тока (фиолетовая линия) должно быть круче, чем приближение постоянного тока (синяя линия) ² . Пришло время привести несколько наглядных примеров.

Пример \ (\ PageIndex {1} \)

Рассмотрим схему резистор-диод на рисунке \ (\ PageIndex {4} \). Предположим, что источник напряжения составляет 12 В, а резистор — 2 кОм \ (\ Омега \).Кроме того, предположим, что диод изготовлен из кремния, а его объемное сопротивление составляет 10 \ (\ Omega \). Используя приближение трех диодов, вычислите циркулирующий ток.

Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): Схема для примера \ (\ PageIndex {1} \).

Во-первых, обратите внимание, что диод смещен в прямом направлении. Это должно быть так, потому что есть одно напряжение, которое больше, чем напряжение колена, и его положительный вывод подключен к аноду диода. Независимо от того, какое приближение мы используем, закон напряжения Кирхгофа (KVL) должен быть верным, поэтому это будет вопрос суммирования доступных падений напряжения в зависимости от сопротивления (сопротивлений).

В первом приближении:

Здесь мы предполагаем, что диод является замкнутым переключателем. Следовательно, все напряжение источника должно падать на одном резисторе.

\ [I = \ frac {E} {R} \ nonumber \]

\ [I = \ frac {12V} {2 k \ Omega} \ nonumber \]

\ [I = 6 мА \ nonumber \]

Используя второе приближение:

В этом случае мы включаем напряжение колена.

\ [I = \ frac {E − V_ {колено}} {R} \ nonumber \]

\ [I = \ frac {12 В-0.7 V} {2 k \ Omega} \ nonumber \]

\ [I = 5,65 мА \ nonumber \]

Используя третье приближение:

Самый точный из трех, мы включаем как напряжение колена, так и объемное сопротивление.

\ [I = \ frac {E − V_ {колено}} {R + R_ {bulk}} \ nonumber \]

\ [I = \ frac {12 В − 0,7 В} {2 k \ Omega + 10 \ Omega} \ nonumber \]

\ [I = 5,622 мА \ nonumber \]

В данном конкретном случае разница между вторым и третьим приближениями составляет менее 1%.Также стоит отметить, что третье приближение предсказывает напряжение на диоде чуть более 0,7 В (примерно 0,756 В) из-за дополнительного потенциала на общем сопротивлении.

Пример \ (\ PageIndex {2} \)

Определите циркулирующий ток для схемы на рисунке \ (\ PageIndex {5} \). Также найдите напряжения диода и резистора. Предположим, что источник питания — 20 вольт, диод кремниевый, а резистор — 2 кОм (\ Omega \).

Рисунок \ (\ PageIndex {5} \): Схема для примера \ (\ PageIndex {2} \).

Эта проблема обманчиво проста. Обратите внимание, что положительный вывод источника подключен к катоду. Поскольку в схеме нет других источников, диод должен иметь обратное смещение. Модель диода с обратным смещением представляет собой разомкнутый переключатель, и циркулирующий ток в разомкнутой цепи равен нулю. Следовательно, напряжение резистора также должно быть нулевым, и значения для напряжения излома и объемного сопротивления не требуются. Чтобы удовлетворить KVL, напряжение на диоде должно быть равно источнику 20 вольт (+ к — от катода к аноду).

Единственный раз, когда этого не произойдет, — это если обратное напряжение пробоя диода меньше, чем у источника 20 вольт. В этом случае напряжение на диоде будет равно напряжению пробоя, а остальная часть напряжения источника будет падать на резисторе.

Пример \ (\ PageIndex {3} \)

Определите циркулирующий ток для схемы на рисунке \ (\ PageIndex {6} \). Также найдите напряжения диода и резистора. Предположим, что источник питания 9 вольт, диоды кремниевые и \ (R_1 \) = 1 k \ (\ Omega \), \ (R_2 \) = 2 k \ (\ Omega \).

Рисунок \ (\ PageIndex {6} \): Схема для примера \ (\ PageIndex {3} \).

Согласно KVL, приложенный источник должен равняться сумме падений напряжения на резисторах и диодах, поскольку это одиночный контур. Оба диода смещены в прямом направлении (на аноды поступает обычный ток).

\ [I = \ frac {E − V_ {колено1} — V_ {колено2}} {R_1 + R_2} \ nonumber \]

\ [I = \ frac {9V − 0.7V − 0.7V} {1k \ Omega +2 k \ Omega} \ nonumber \]

\ [I = 2,533 мА \ nonumber \]

Обратите внимание, что если бы один из диодов был перевернут, не было бы тока, и весь потенциал источника упал бы на перевернутом диоде.

Пример \ (\ PageIndex {4} \)

Определите ток источника и напряжения резистора для схемы, показанной на рисунке \ (\ PageIndex {7} \). Также найдите напряжение резистора, если полярность диода обратная. Предположим, что источник питания 10 вольт, диод кремниевый, а резисторы — 1 кОм каждый.

Рисунок \ (\ PageIndex {7} \): Схема для примера \ (\ PageIndex {4} \).

Поскольку \ (D \) и \ (R_2 \) включены параллельно, они должны иметь одинаковое падение напряжения.Также диод смещен в прямом направлении. Следовательно, напряжение на \ (R_2 \) должно составлять примерно 0,7 вольт, а на \ (R_1 \) должно падать 9,3 вольт. Ток через \ (R_1 \) — это ток источника.

\ [I = \ frac {E − V_D} {R_1} \ nonumber \]

\ [I = \ frac {10 В − 0,7 В} {1k \ Omega} \ nonumber \]

\ [I = 9,3 мА \ nonumber \]

Если диод перевернут, он ведет себя как разомкнутый переключатель. Схема сводится к простому делителю напряжения 1: 1, каждый резистор сбрасывает половину напряжения питания или 5 вольт каждый.

Компьютерное моделирование

Для проверки наших результатов смоделирован пример \ (\ PageIndex {4} \). Схема захвачена, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {8a} \). Этот конкретный пример показан в Multisim, хотя подойдет любой симулятор достойного качества. Здесь используется очень распространенный переключающий диод 1N4148. Другой популярный выбор — это переключающий диод 1N914 или выпрямитель серии 1N400X.

Рисунок \ (\ PageIndex {8a} \): Схема примера \ (\ PageIndex {4} \) в Multisim.

Затем выполняется анализ рабочей точки постоянного тока. Результаты показаны на рисунке \ (\ PageIndex {8b} \). Обратите внимание, что потенциал диода примерно равен 0,7 В. Из этого мы можем сделать вывод, что падение напряжения на первом резисторе должно быть немного больше 9,3 В, что дает ток чуть больше 9,3 мА.

Рисунок \ (\ PageIndex {8b} \): Результаты моделирования рабочей точки постоянного тока для схемы из примера \ (\ PageIndex {4} \).

Наконец, Рисунок \ (\ PageIndex {8c} \) показывает результаты, когда диод в цепи перевернут.Второй резистор (узел 3 — земля) показывает 5 вольт, как и ожидалось. Следовательно, на первом резисторе также должно падать 5 вольт.

Рисунок \ (\ PageIndex {8c} \): Моделирование примера \ (\ PageIndex {4} \) с использованием обратной ориентации диода.

Прежде чем перейти к другой теме, давайте рассмотрим несколько более сложный пример с использованием нескольких диодов.

Пример \ (\ PageIndex {5} \)

Определите напряжения диодов и резисторов для схемы, показанной на рисунке \ (\ PageIndex {9} \).Предположим, что диоды кремниевые.

Рисунок \ (\ PageIndex {9} \): Схема для примера \ (\ PageIndex {5} \).

Первое, на что следует обратить внимание, это то, что \ (D_1 \) смещен вперед, а \ (D_2 \) — смещен в обратном направлении. Следовательно, источник 20 В должен соответствовать падению на \ (D_1 \) и двух резисторах. \ (D_2 \) возьмет на себя все, что получится при падении через 2 k \ (\ Omega \), поскольку они параллельны.

\ [I = \ frac {E − V_ {D1}} {R_1 + R_2} \ nonumber \]

\ [I = \ frac {20 В-0.7V} {1k \ Omega +2 k \ Omega} \ nonumber \]

\ [I = 6,433 мА \ nonumber \]

Обратите внимание, что через \ (D_2 \) практически не течет ток, поскольку он имеет обратное смещение. По закону Ома падение напряжения на первом резисторе составляет 6,433 вольт, а на втором — 12,867 вольт.

Список литературы

¹ График I-V не является прямой линией (линейной), и прямой и обратный квадранты не идентичны (двусторонние).

² Динамическое сопротивление PN-перехода может быть приблизительно равно 26 мВ / \ (I_ {junction} \).Это будет показано в следующей главе.

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 последовательно включенным диодом). 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, его можно заменить на разомкнутый выключатель.

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, изобразите 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: Формы сигналов VR и VD

Диодные потери

Суммарные потери мощности, возникающие в диоде, складываются из потерь во включенном, выключенном состоянии и коммутации.

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 _ВКЛ = 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 тока характеристика диода

Формирование обедненного слоя в диоде

Туннельный диод

Цепи ограничения диодов и ограничители диодов

Это ограничение входного сигнала создает форму выходного сигнала, напоминающую сглаженную версию входного сигнала.Например, полуволновой выпрямитель представляет собой схему с ограничителем, поскольку все напряжения ниже нуля устраняются.

Но схемы ограничения диодов можно использовать в различных приложениях для изменения формы входного сигнала с помощью сигнала и диодов Шоттки или для обеспечения защиты от перенапряжения с помощью стабилитронов, чтобы выходное напряжение никогда не превышало определенного уровня, защищая схему от высокого напряжения. скачки напряжения. Тогда схемы ограничения на диоде могут быть использованы в приложениях с ограничением напряжения.

Мы видели в руководстве по сигнальным диодам , что, когда диод смещен в прямом направлении, он позволяет току проходить через себя, ограничивая напряжение. Когда диод смещен в обратном направлении, ток через него не протекает, и напряжение на его выводах не изменяется, и это основная операция схемы ограничения диода.

Хотя входное напряжение в схемах ограничения диода может иметь любую форму волны, мы будем предполагать здесь, что входное напряжение синусоидальное. Рассмотрим схемы ниже.

Цепи ограничения положительных диодов

В этой схеме ограничения диода диод смещен в прямом направлении (анод более положительный, чем катод) в течение положительного полупериода синусоидальной формы входного сигнала. Чтобы диод стал смещенным в прямом направлении, он должен иметь величину входного напряжения более +0,7 В (0,3 В для германиевого диода).

Когда это происходит, диоды начинают проводить и удерживают напряжение на себе постоянным на уровне 0,7 В, пока синусоидальная форма волны не упадет ниже этого значения.Таким образом, выходное напряжение, снимаемое с диода, никогда не может превышать 0,7 В в течение положительного полупериода.

Во время отрицательного полупериода диод смещен в обратном направлении (катод более положительный, чем анод), блокируя ток, протекающий через себя, и в результате не влияет на отрицательную половину синусоидального напряжения, которое передается на нагрузку в неизменном виде. Таким образом, диод ограничивает положительную половину входного сигнала и известен как цепь положительного ограничителя.

Цепи ограничения отрицательного диода

Здесь верно обратное.Диод смещен в прямом направлении во время отрицательного полупериода синусоидальной формы волны и ограничивает или ограничивает его до –0,7 вольт, позволяя при этом положительный полупериод проходить без изменений при обратном смещении. Поскольку диод ограничивает отрицательный полупериод входного напряжения, он называется цепью отрицательного ограничителя.

Отсечение обоих полупериодов

Если мы соединили два диода в обратной параллели, как показано, то и положительный, и отрицательный полупериоды будут обрезаны, поскольку диод D ₁ ограничивает положительный полупериод синусоидальной формы входного сигнала, а диод D ₂ ограничивает отрицательный полупериод. .Затем схемы ограничения диодов могут использоваться для ограничения положительного полупериода, отрицательного полупериода или обоих.

Для идеальных диодов форма выходного сигнала выше была бы равна нулю. Однако из-за падения напряжения прямого смещения на диодах фактическая точка ограничения возникает при +0,7 В и –0,7 В соответственно. Но мы можем увеличить этот порог ± 0,7 В до любого значения, которое мы хотим, до максимального значения (V _PEAK ) синусоидальной формы волны, либо подключив вместе несколько диодов последовательно, создавая количество, кратное 0.7 вольт, либо добавлением напряжения смещения на диоды.

Схема отсечения диодов со смещением

Для создания схем ограничения на диоде для сигналов напряжения на разных уровнях напряжение смещения V _BIAS добавляется последовательно с диодом для создания комбинированного ограничителя, как показано. Напряжение на последовательной комбинации должно быть больше, чем V _BIAS + 0,7 В, прежде чем диод станет достаточно смещенным в прямом направлении, чтобы проводить. Например, если уровень V _BIAS установлен на 4.0 вольт, то синусоидальное напряжение на анодном выводе диода должно быть больше 4,0 + 0,7 = 4,7 = вольт, чтобы он стал смещенным в прямом направлении. Любые уровни анодного напряжения выше этой точки смещения отсекаются.

Ограничение положительного смещения диода

Аналогичным образом, путем изменения направления диода и напряжения смещения батареи, когда диод проводит отрицательный полупериод выходного сигнала, поддерживается на уровне –V _BIAS — 0,7 В, как показано.

Ограничение отрицательного смещения диода

Регулируемый уровень ограничения диода или ограничения диода может быть достигнут путем изменения напряжения смещения диодов.Если необходимо ограничить как положительный, так и отрицательный полупериоды, то используются два смещенных ограничивающих диода. Но как для положительного, так и для отрицательного ограничения диода напряжение смещения не обязательно должно быть одинаковым. Положительное напряжение смещения может быть на одном уровне, например, 4 вольта, а отрицательное напряжение смещения — на другом, например, 6 вольт, как показано.

Диодное ограничение различных уровней смещения

Когда напряжение положительного полупериода достигает +4,7 В, диод D ₁ проводит и ограничивает форму волны на +4.7 В. Диод D ₂ не проводит до тех пор, пока напряжение не достигнет –6,7 В. Следовательно, все положительные напряжения выше +4,7 В и отрицательные напряжения ниже –6,7 В автоматически ограничиваются.

Преимущество схем ограничения смещения диодов заключается в том, что они предотвращают превышение выходным сигналом предустановленных пределов напряжения для обоих полупериодов входной формы волны, которые могут быть входом от шумного датчика или положительной и отрицательной шины питания источника питания.

Если уровни ограничения диода установлены слишком низкими или форма входного сигнала слишком велика, то устранение обоих пиков формы сигнала может привести к форме волны прямоугольной формы.

Цепи ограничения стабилитронов

Использование напряжения смещения означает, что количество ограничиваемого сигнала напряжения можно точно контролировать. Но одним из основных недостатков использования схем ограничения на диоде со смещением напряжения является то, что им нужен дополнительный аккумуляторный источник ЭДС, что может быть или не быть проблемой.

Одним из простых способов создания схем ограничения смещения диодов без необходимости в дополнительном источнике ЭДС является использование стабилитронов.

Как мы знаем, стабилитрон — это другой тип диода, который был специально изготовлен для работы в области пробоя с обратным смещением и, как таковой, может использоваться для регулирования напряжения или ограничения стабилитрона.В передней области стабилитрон действует так же, как обычный кремниевый диод с прямым падением напряжения 0,7 В (700 мВ) при проведении, как указано выше.

Однако в области обратного смещения напряжение блокируется до тех пор, пока не будет достигнуто напряжение пробоя стабилитронов. В этот момент обратный ток через стабилитрон резко увеличивается, но напряжение стабилитрона V _Z на устройстве остается постоянным, даже если ток стабилитрона I _Z изменяется.

Затем мы можем применить этот стабилитрон к хорошему эффекту, используя их для отсечения формы волны, как показано.

Стабилитрон с отсечкой

Стабилитрон действует как ограничивающая цепь смещенного диода, при этом напряжение смещения равно напряжению пробоя стабилитрона. В этой схеме во время положительной половины формы сигнала стабилитрон смещен в обратном направлении, поэтому форма сигнала ограничивается напряжением стабилитрона V _{ZD 1} . Во время отрицательного полупериода стабилитрон работает как обычный диод с обычным значением перехода 0,7 В.

Мы можем развить эту идею дальше, используя характеристики обратного напряжения стабилитронов, чтобы ограничить обе половины формы сигнала с помощью последовательно соединенных встречных стабилитронов, как показано.

Двухполупериодный стабилитрон с ограничением

Форма выходного сигнала двухполупериодных схем ограничения на стабилитронах аналогична предыдущей схеме ограничения напряжения смещения диодов. Форма выходного сигнала будет ограничена напряжением стабилитрона плюс падение прямого напряжения 0,7 В на другом диоде. Так, например, положительный полупериод будет ограничен суммой стабилитрона ZD ₁ плюс 0,7 В от ZD ₂ и наоборот для отрицательного полупериода.

Стабилитроны

производятся с широким диапазоном напряжений и могут использоваться для получения различных опорных напряжений на каждом полупериоде, как указано выше.Стабилитроны доступны с напряжением пробоя стабилитрона V _Z в диапазоне от 2,4 до 33 В с типичным допуском 1 или 5%. Обратите внимание, что после прохождения в области обратного пробоя через стабилитрон будет протекать полный ток, поэтому необходимо выбрать подходящий токоограничивающий резистор R ₁ .

Сводка по ограничению диодов

Помимо использования в качестве выпрямителей, диоды также можно использовать для ограничения верхней, или нижней, или обеих форм волны на определенном уровне постоянного тока и передачи ее на выход без искажений.В примерах выше мы предположили, что форма сигнала является синусоидальной, но теоретически можно использовать любую форму входного сигнала.

Диодные ограничивающие схемы используются для устранения амплитудного шума или скачков напряжения, регулирования напряжения или для создания новых форм волны из существующего сигнала, например возведения в квадрат пиков синусоидальной формы волны для получения прямоугольной формы волны, как показано выше.

Наиболее распространенное применение «диодного ограничения» — это маховик или обратный диод, подключенный параллельно к индуктивной нагрузке для защиты переключающего транзистора от переходных процессов обратного напряжения.

Темы по применению диодов [Analog Devices Wiki]

В этой главе мы исследуем различные схемы, в которых используются определенные характеристики диода с PN переходом.В главе 6 мы обсуждали использование диода как средства преобразования переменного тока в постоянный. Есть и другие случаи, когда изменяющийся во времени сигнал может потребоваться преобразовать в сигнал постоянного тока. В этих ситуациях часто желательно эффективно компенсировать или скорректировать прямое падение напряжения на диоде, чтобы точно измерить требуемое значение сигнала.

Еще одним свойством диода является то, что проводимость (или сопротивление) небольшого сигнала диода является функцией постоянного тока, протекающего через диод (рабочая точка).Эта характеристика может использоваться для создания аттенюатора, зависящего от напряжения (фактически тока). Также, как мы обнаружили в главе 5, напряжение на диоде в области прямой проводимости экспоненциально связано с током через диод. Это свойство можно использовать для создания схем нелинейных усилителей, которые имеют логарифмические или антилогарифмические (экспоненциальные) отношения входа и выхода.

7.1 Однополупериодный выпрямитель с фильтрующим конденсатором или пиковым детектором

Простейшей формой схемы детектора пиков является последовательное соединение диода и конденсатора, которое выводит на конденсатор напряжение постоянного тока, равное пиковому значению входного сигнала переменного тока (за вычетом падения напряжения прямого смещения диода).Как правило, требуется какой-либо переключатель, подключенный параллельно конденсатору, для периодического сброса выходного напряжения, например, когда требуется новое обнаружение пика.

Рисунок 7.1.1 Простой пиковый детектор

Когда диод направлен, как показано на рисунке 7.1.1, схема обнаруживает положительные пики. Если направление диода было изменено на противоположное, схема обнаружит отрицательные пики входа. Выходной сигнал простого пикового детектора на самом деле не является истинным пиковым значением входного сигнала из-за присущего встроенному падению напряжения диода.За счет включения операционного усилителя, как показано на рисунке 7.1.2, ошибка из-за падения напряжения на диодах значительно уменьшается за счет прямого усиления операционного усилителя.

Рисунок 7.1.2 Прецессионный однополупериодный выпрямитель или пиковый детектор

Однако существует фундаментальная проблема с этой простой схемой в том, что, когда входной сигнал меньше (более отрицательный), чем напряжение, удерживаемое на конденсаторе, диод будет смещен в обратном направлении, а выход операционного усилителя будет «отключен». ”От инвертирующего входного терминала.В этом случае усилитель не будет иметь отрицательной обратной связи, и выход операционного усилителя будет насыщаться на отрицательной шине питания. Когда входное напряжение снова становится более положительным, чем напряжение, удерживаемое на конденсаторе, и выход выходит из состояния насыщения, это влияет на время отклика усилителя. Схема может не реагировать должным образом на быстрые кратковременные положительные пики входного сигнала. В следующем разделе мы исследуем лучшую форму полуволнового выпрямителя.

7.2 схемы абсолютного значения

В этом разделе мы исследуем схемы абсолютного значения. Выпрямители или схемы «абсолютного значения» часто используются в качестве детекторов для преобразования амплитуд сигналов переменного тока в значения постоянного тока, которые легче измерить. Для этого типа схемы сигнал переменного тока сначала фильтруется по верхним частотам, чтобы удалить любые составляющие постоянного тока, а затем выпрямляется и, возможно, фильтруется по нижним частотам. Как мы обнаружили в главе 6, простые выпрямительные схемы, построенные на диодах, плохо реагируют на сигналы с амплитудой меньше, чем диодное падение (0.6В для кремниевых диодов). Это ограничивает их использование в конструкциях, где необходимо измерять малые амплитуды. Для схем, в которых требуется высокая степень точности, операционные усилители могут использоваться в сочетании с диодами для создания прецизионных выпрямителей или схем абсолютного значения.

7.2.1 Прецизионный однополупериодный выпрямитель

Схема инвертирующего операционного усилителя может быть преобразована в «идеальный» (линейной точности) полуволновой выпрямитель путем добавления двух диодов, как показано на рисунке 7.2.1. Для отрицательной половины входного размаха диод D ₁ смещен в обратном направлении, а диод D ₂ смещен в прямом направлении, и схема работает как обычный инвертор с коэффициентом усиления -1, предполагая, что R ₁ = R ₂ .Для положительной половины размаха на входе диод D ₁ смещен в прямом направлении, замыкая обратную связь вокруг усилителя. Диод D ₂ имеет обратное смещение, отключая выход от усилителя. Выход будет иметь потенциал виртуальной земли (- входной терминал) через резистор R ₂ .

Рисунок 7.2.1 Схема прецизионного однополупериодного выпрямителя.

Пик выпрямленного выхода, как показано на рисунке 7.2.2, теперь равен пиковому значению входа.Также есть резкий переход, когда вход пересекает ноль. Читатель должен исследовать формы сигналов в различных точках схемы, таких как выход операционного усилителя, чтобы объяснить, почему эта схема работает лучше, чем простой диодный полуволновой выпрямитель.

Рисунок 7.2.2 Моделирование прецизионного полуволнового выпрямителя.

Пример применения: измерение пикового значения переменного напряжения

У нас есть доступ только к вольтметру постоянного тока, и нам нужно разработать схему, которая может измерять пиковое напряжение сигнала переменного тока.Мы можем использовать прецизионный полуволновой выпрямитель, чтобы обеспечить только отрицательную половину входного сигнала, а затем выполнить фильтрацию нижних частот выпрямленного выхода, как показано на рисунке 7.2.3. Каково выходное напряжение постоянного тока следующей цепи, если R ₁ = 3,24 кОм, R ₂ = 10,2 кОм, R ₃ = 20 кОм и R ₄ = 20 кОм Предположим, что Vp = 1 В .

Для синусоидального входа с пиковым значением В _P выход полуволнового выпрямителя представляет собой полусинусоидальный сигнал с пиковым значением В _P (R ₂ / R ₁ ).Полусинусоида имеет составляющую постоянного тока, определяемую по формуле:

Фильтр нижних частот первого порядка удалит содержимое переменного тока и пропустит компонент постоянного тока с усилением, равным R ₄ / R ₃ . Окончательный выход постоянного тока будет:

7.2.2 Прецизионный двухполупериодный выпрямитель

Схема, показанная на рисунке 7.2.4, представляет собой схему абсолютного значения, часто называемую прецизионным двухполупериодным выпрямителем. Он должен работать как двухполупериодная выпрямительная схема, построенная на идеальных диодах (напряжение на диоде при прямой проводимости равно 0 вольт).Фактические диоды, используемые в схеме, будут иметь прямое напряжение около 0,6 В . Чтобы обе половины входного сигнала имели одинаковое усиление от входа к выходному резистору R ₂ = R ₃ и R ₄ = R ₅ .

Рисунок 7.2.4 Схема абсолютного значения.

Если значение R ₁ сделать ниже, чем R ₂ и R ₃ , схема имеет усиление. Если значение R ₁ выше, чем R ₂ и R ₃ , схема может принимать более высокие входные напряжения, поскольку она действует как аттенюатор.Например, если R ₁ составляет 1 кОм с R ₂ и R ₃ равным 10 кОм, схема имеет коэффициент усиления 10, а если R ₁ составляет 100 кОм, коэффициент усиления составляет 0,1 (ослабление 10 ). Все другие обычные ограничения для операционных усилителей применяются так же, как и другие каскады инвертирующих операционных усилителей, поэтому, если используется высокий коэффициент усиления, это повлияет на частотную характеристику.

Входное сопротивление схемы равно значению R ₁ и остается постоянным, пока первый операционный усилитель работает в своих пределах, то есть его инвертирующий вход находится на виртуальной земле.Одна интересная особенность использования инвертирующей топологии состоит в том, что она позволяет схеме функционировать как схема суммирования для нескольких входов. R ₁ может быть воспроизведен для обеспечения второго входа, или он может быть расширен с помощью третьего резистора и т. Д.

Пик выпрямленного выхода, как показано на рисунке 7.2.5, снова равен пиковому значению входа. Есть резкий переход, когда вход пересекает ноль. Читателю следует исследовать формы сигналов в различных точках схемы, таких как выход операционного усилителя и диоды, чтобы объяснить, почему эта схема работает лучше, чем двухполупериодный или мостовой выпрямитель.

Рисунок 7.2.5 Моделирование двухполупериодного выпрямителя.

Лабораторная деятельность ADALM1000, прецизионные выпрямители, схемы абсолютного значения

7.3 Детектор конвертов

Детектор огибающей — это схема, которая принимает высокочастотный амплитудно-модулированный вход и выдает выходной сигнал, который является «огибающей» AM-сигнала. Конденсатор в цепи накапливает заряд на переднем фронте и медленно высвобождает его через резистор при падении сигнала.Последовательный диод выпрямляет входящий сигнал, позволяя току течь только тогда, когда положительный входной терминал имеет более высокий потенциал, чем отрицательный входной терминал.

В большинстве практических детекторов огибающей используется полуволновое или двухполупериодное выпрямление сигнала для преобразования входного сигнала AM в импульсный сигнал постоянного тока, где пики импульсов постоянного тока представляют собой модулирующий сигнал. Затем используется фильтрация нижних частот для сглаживания конечного результата, оставляя компонент низкочастотного модулирующего сигнала.Эта фильтрация редко бывает идеальной, и на выходе детектора огибающей, вероятно, останется некоторая «рябь», особенно для низкочастотных входов, таких как ноты бас-гитары. Большая фильтрация дает более гладкий результат, но снижает высокочастотный отклик на исходный модулирующий сигнал. Реальные проекты должны быть оптимизированы для данного приложения.

Рисунок 7.3.1 Детектор конверта

Рисунок 7.3.2 Формы сигналов на входе и выходе детектора огибающей

Простой диодный детектор огибающей имеет несколько недостатков:

1) Вход в детектор должен быть отфильтрован полосой пропускания вокруг полезного сигнала несущей, иначе детектор будет одновременно демодулировать несколько сигналов.Фильтрация может выполняться с помощью настраиваемого фильтра или, что более практично, супергетеродинного приемника
2) Он более восприимчив к шуму, чем детектор продукта
3) Если сигнал перемодулирован, возникнут искажения

Большинство из этих недостатков относительно незначительны и обычно являются приемлемым компромиссом для простоты и низкой стоимости использования детектора огибающей.

Лабораторная работа ADALM1000, АМ-модуляция и детектор конверта
Лабораторная работа ADALM2000, детектор конверта

7.4 зажима диода

Когда сигнал управляет разомкнутым конденсатором связи переменного тока, средний уровень напряжения на выходном выводе конденсатора определяется некоторым начальным зарядом на этом выводе конденсатора и, следовательно, будет непредсказуемым. Затем необходимо обеспечить путь постоянного тока от выходного вывода конденсатора к земле или другому опорному напряжению через большой резистор. Этот путь постоянного тока истощает любой избыточный заряд и приводит к нулевому среднему или нулевому выходному напряжению постоянного тока.Это полезно, если мы хотим, чтобы среднее значение сигнала переменного тока было привязано к известному значению, однако, что, если мы хотим принудительно установить положительный или отрицательный пик сигнала переменного тока на известное значение? Так называемая схема фиксации может использоваться для «фиксации» пикового значения на известном опорном уровне.

Зажим — это электронная схема, которая предотвращает выход сигнала выше или ниже определенного заданного значения постоянного тока или уровня ограничения. Фиксатор не изменяет размах сигнала, он сдвигает его вверх или вниз на фиксированное значение.Диодный зажим (простой, распространенный тип) основан на свойстве диода проводить только в одном направлении, а также на резисторах и конденсаторах для поддержания измененного уровня постоянного тока на выходе зажима.

Схема фиксации фиксирует верхний или нижний пик формы сигнала на фиксированном уровне постоянного напряжения. Эту схему также иногда называют устройством восстановления постоянного напряжения по понятным причинам. В несмещенном состоянии схема фиксации фиксирует нижний предел выходного напряжения (или верхний предел, в случае отрицательных фиксаторов) равным 0 вольт.Посредством включения фиксированного напряжения смещения последовательно с диодом схема будет ограничивать пик формы волны до определенного уровня постоянного тока.

Рисунок 7.4.1 Формы сигналов на входе и выходе фиксатора постоянного тока

Схема диодного зажима, показанная на рисунке 7.4.2, показывает, что это относительно простое устройство. Два компонента, создающие эффект ограничения, — это конденсатор, за которым следует диод, включенный параллельно выходу. Схема фиксации основана на изменении постоянной времени конденсатора; это результат того, что диод меняет путь тока, проводящий или непроводящий, с изменяющимся входным напряжением.Значение C ₁ и величина любой внешней нагрузки R выбираются таким образом, чтобы Τ = RC было достаточно большим, чтобы гарантировать, что напряжение на конденсаторе не будет значительно разряжаться во время непроводящего интервала диода. Во время первой отрицательной фазы входного переменного напряжения конденсатор в положительном фиксаторе быстро заряжается. Когда В _IN становится положительным, конденсатор служит удвоителем напряжения; поскольку он сохранил эквивалент пикового значения В _IN во время отрицательного цикла, он обеспечивает почти такое же напряжение во время положительного цикла; это по существу удваивает напряжение на выходе V _OUT .Когда В _IN становится отрицательным, конденсатор действует как батарея с таким же напряжением В _IN . Входное напряжение и конденсатор противодействуют друг другу, в результате чего на выходе получается нулевое напряжение на выходе V _OUT .

Рисунок 7.4.2 Схема восстановления диода по постоянному току

Простой метод установки опорного постоянного тока для выходного напряжения — использование диодного зажима, как показано на рисунке 7.4.2. Проводя проводку всякий раз, когда напряжение на выходном выводе конденсатора становится отрицательным, эта схема накапливает средний заряд на выводе, достаточный для предотвращения того, чтобы выходной сигнал когда-либо становился более отрицательным, чем прямое напряжение диода. Положительный заряд на этом выводе эффективно улавливается.

Схема зажима ОУ

Схема на рисунке 7.4.3 включает схему фиксации операционного усилителя с ненулевым опорным напряжением фиксации. Очень большое усиление разомкнутого контура операционного усилителя обеспечивает то преимущество, что уровень ограничения очень близок к опорному напряжению.Нет необходимости учитывать прямое падение напряжения на диоде (которое необходимо в предыдущих простых схемах, поскольку оно добавляет к опорному напряжению). Влияние падения напряжения на диоде на выход схемы будет уменьшено коэффициентом усиления разомкнутого контура усилителя, что приведет к незначительной ошибке.

Рисунок 7.4.3 Схема прецизионных зажимов операционного усилителя

7.5 Ограничители / ограничители диодные

Схема ограничения на диоде может использоваться для ограничения размаха напряжения сигнала.Передаточная функция между входом и выходом идеальной схемы ограничения показана на рисунке 7.5.1. V _OUT равно V _IN , пока V _IN меньше V _{L +} и больше V _L- . Когда В _IN находится за пределами этих предельных напряжений V _OUT ограничивается или ограничивается до V _{L +} или V _L- .

Рисунок 7.5.1 Характеристика отсечки напряжения

Рисунок 7.5.2 Формы сигналов ограничителя

На рисунке 7.5.3 показана диодная схема, которая фиксирует как положительные, так и отрицательные колебания напряжения до опорных напряжений. Основные компоненты, необходимые для схемы ограничения, — это идеальный диод и резистор. Чтобы зафиксировать уровень ограничения на желаемом уровне, отличном от заземления, источник постоянного тока также должен быть включен последовательно с диодом, как показано на рисунке.Когда диод смещен в прямом направлении, он действует как замкнутый переключатель, замыкающий V _OUT на V _{L +} или V _L- , а когда диод смещен в обратном направлении, он действует как разомкнутый переключатель . Различные уровни ограничения можно получить, изменяя напряжение источника постоянного тока, а также меняя местами диод и резистор.

В зависимости от характеристик диода положительная или отрицательная область входного сигнала «отсекается», и, соответственно, ограничители диода могут быть положительными или отрицательными.

Рисунок 7.5.3 Схема параллельного или параллельного ограничителя

Существуют две основные формы клипсаторов: последовательные и параллельные (или шунтирующие). В шунтирующем ограничителе диод находится в ветви, параллельной нагрузке, в то время как последовательная конфигурация, рисунок 7.5.4, определяется как конфигурация, в которой диод включен последовательно с нагрузкой.

Рисунок 7.5.4 Схема последовательного ограничителя

Недостатки шунтирующих и последовательных диодных клипсаторов В шунтирующих ограничителях, когда диод находится в непроводящем состоянии, передача входного сигнала на выход должна происходить без какого-либо затухания или потерь.Но в случае высокочастотных, РЧ входных сигналов емкость диода отрицательно влияет на работу схемы, и сигнал ослабляется (то есть проходит через емкость диода на землю).

В последовательных ограничителях, когда диод находится в непроводящем состоянии, входной сигнал не передается на выход. Но в случае высокочастотных радиочастотных сигналов утечка происходит через емкость диода, что нежелательно. Это недостаток использования диода в качестве последовательного элемента в таких клипсаторах.

7.6 Регулируемый аттенюатор с регулируемым напряжением

Регулируемые ВЧ-аттенюаторы с электронным управлением являются обычным явлением при проектировании цепей ВЧ-сигналов. Например, часто желательно иметь возможность управлять амплитудой радиочастотного сигнала с помощью управляющего напряжения. Эти регулируемые радиочастотные аттенюаторы можно использовать даже в программируемых радиочастотных аттенюаторах. Здесь управляющее напряжение генерируется цифроаналоговым преобразователем, который программируется микроконтроллером или цифровым сигнальным процессором ( DSP ).

Изменяя ток смещения через PN-диод, можно изменять ВЧ сопротивление. На высоких частотах диод выглядит как резистор, сопротивление которого обратно пропорционально прямому току. Кроме того, диод может использоваться в некоторых конструкциях регулируемых аттенюаторов в качестве амплитудных модуляторов или схем выравнивания выходного сигнала (автоматической регулировки усиления). Пример конфигурации схемы аттенюатора показан на рисунке 7.6.1.

Рисунок 7.6.1 Регулируемый аттенюатор с регулируемым напряжением

Назначение C ₁ (и C ₂ ) — блокировать постоянный ток от входных и выходных цепей, чтобы не влиять на рабочую точку диода.Назначение индуктора L ₁ — блокировать прохождение сигнала переменного тока в R ₂ . Аттенюатор использует тот факт, что сопротивление «малого сигнала» диода r _D является функцией постоянного тока, протекающего в диоде I _D . См. Уравнения ниже:

Где:
n — масштабный коэффициент площади (размера) диода
V _T — тепловое напряжение
I _D — ток диода
k — постоянная Больцмана
q — заряд электрона
T — абсолютная температура

В схеме установлен делитель напряжения между R ₁ и сопротивлением D ₁ .Ток в D ₁ изменяется путем изменения тока в R ₂ . Когда ток в D ₁ мал, r _D велик и доля входного сигнала, видимого на выходе, велика. По мере того, как ток в D ₁ увеличивается, его сопротивление уменьшается, и доля входа, видимого на выходе, уменьшается.

7.7 Логарифмические выходные усилители

Рисунок 7.7.1 Логарифмический усилитель

Соотношение между входным напряжением В _в и выходным напряжением В _{на выходе} определяется следующим образом:

где I _S — ток насыщения, а V _T — тепловое напряжение.

Если операционный усилитель считается идеальным, отрицательный вывод находится на виртуальной земле, поэтому ток, протекающий через резистор со входа (и, таким образом, через диод на выход, поскольку ток не течет на входы операционного усилителя), составляет:

где I _D — ток через диод.

Как мы знаем из главы 5, соотношение между током и напряжением для диода таково:

Это уравнение, когда напряжение В _D больше нуля, можно аппроксимировать следующим образом:

Объединяя эти две формулы вместе и учитывая, что выходное напряжение является отрицательной величиной напряжения на диоде ( В, , _{, выход,} = — В, , _D, ), логарифмическое соотношение между выходом и входом истинно.

Обратите внимание, что в этой реализации не учитывается температурный дрейф напряжения диода из-за теплового напряжения В, , _Т, и других неидеальных эффектов.

Чтобы проиллюстрировать характеристики входного и выходного напряжения диодного логарифмического усилителя, была смоделирована схема на рисунке 7.7.1 с R, установленным на 1 кОм, и диодом 1N4148. Результаты представлены на рисунке 7.7.2. Нижняя зеленая кривая представляет собой линейную развертку В _IN от 0 до 5 В.Таким образом, с резистором 1 кОм ток через диод изменяется от 0 до 5 мА . Верхняя синяя кривая показывает характерную логарифмическую форму, которую мы ожидаем.

Рисунок 7.7.2 Моделирование логарифма усилителя

7.8 Усилители экспоненциального (антилогарифмического) выхода

Рисунок 7.8.1 Антилогарифмический усилитель

Соотношение между входным напряжением В _в и выходным напряжением В _{на выходе} определяется следующим образом:

где I _S — ток насыщения, а V _T — тепловое напряжение.

Если мы снова рассматриваем операционный усилитель как идеальный, то отрицательный вывод находится на виртуальной земле, поэтому ток через диод определяется выражением:

когда напряжение на диоде В _D больше нуля, это можно приблизительно определить следующим образом:

Выходное напряжение определяется по формуле:

Чтобы проиллюстрировать характеристики входного напряжения и выходного напряжения диодного антилогарифмического усилителя, схема на рисунке 7.8.1 был смоделирован с R, установленным на 1 кОм, и диодом 1N4148. Результаты представлены на рисунке 7.8.2. Нижняя зеленая кривая представляет собой линейную развертку V _IN от 0 до 660 мВ . Используя тот же диод, который мы использовали в разделе 7.7 для логарифмических ампер, мы знаем, что 660 мВ приведет к току 1 мА через диод, и при том же выходном напряжении резистора 1 кОм будет 5 В. Верхняя синяя кривая показывает характерную экспоненциальную форму, которую мы ожидаем.

Рисунок 7.8.2 Имитация антилогарифмического усиления

Вернуться к предыдущей главе

Перейти к следующей главе

Вернуться к содержанию

Анализ схем диодов

— Учебные пособия

TRANSCRIPT

Итак, мы узнали о диодах в предыдущих руководствах. Но сегодня мы собираемся решать схемы с диодами, а затем мы собираемся выяснить, что такое точка покоя или Q-точка для этих диодов, и мы будем говорить о преимуществах каждого из этих методов.

Q-точка — это, по сути, точка, вокруг которой вы не ожидаете значительных колебаний тока или напряжения. А с диодами есть несколько разных подходов к этому. И мы собираемся быстро их рассмотреть, мы поговорим о двух из них, поговорим о том, почему мы не собираемся их делать. А затем мы сделаем два примера с двумя другими методами. Итак, мы снова ищем напряжение на нем и ток через него.

Анализ линии нагрузки

Итак, первое, что вы можете сделать, и одно из тех, которые мы не рекомендуем, это анализ линии нагрузки.Здесь вы берете диод, который собираетесь использовать в цепи, и физически переносите его в лабораторию, подаете на него напряжение и измеряете ток через него. И когда вы увеличиваете напряжение, вы создаете свой график, чтобы точно показать, каков ток, когда вы находитесь при определенном напряжении на этом диоде, а затем вы используете его в своей реальной цепи, и вы решаете проблемы, и перемещаете вещи. И 1) получить данные в первую очередь — огромная боль; 2) их все еще сложно использовать в дальнейшем.Знаете, в зависимости от того, что вы делаете, это может быть необходимо, а может и нет.

Математическая модель

Второе, что вы можете сделать, — это математическая модель. С помощью этой математической модели вы можете увидеть, что у вас есть падение напряжения на диоде в левой части уравнения, а затем у вас есть куча других вещей. Итак, у вас есть В _S , которое является источником напряжения на диоде, R — это сопротивление резистора, который включен последовательно с диодом.И тогда у вас есть I _S , который представляет собой ток через диод и резистор. Но вы также заметили, что в правой части уравнения есть еще В _D , еще одно падение напряжения.

Итак, это итеративная вещь, через которую вы должны пройти, и вам нужно не только выяснить все эти другие вещи, но и затем повторить и попытаться найти, что именно это падение напряжения должно закончиться. что.

Так что это боль, и, опять же, она вам, вероятно, не нужна.Это не имеет большого смысла, но это один из способов выяснить, каким будет падение напряжения на диоде, если у вас все равно есть вся остальная информация. Так глупо, но я просто хотел представить их, потому что есть несколько способов подойти к этому. И то, что способов много, не означает, что вы должны использовать их все. Опять же, если вы собираетесь защищать докторскую диссертацию, делайте то, что должны.

Модель идеального диода

Но третий способ, о котором мы собираемся поговорить, — это самый простой способ, и в другом уроке мы говорили об этом.И здесь мы просто предполагаем, что если диод смещен в прямом направлении, на нем нет падения напряжения. А если это обратное смещение, то напряжение любое, просто оно есть в цепи. Итак, когда мы это сделаем, у нас будет четыре шага, по которым мы будем следовать одному при решении схемы с идеальной моделью диода.

Итак, я собираюсь создать схему. Я получил это, посещая класс микроэлектроники в штате Бойсе, просто занимался там, и если бы я был мудрым, я бы практиковался в этом заранее, и мы посмотрим, пойдет ли это снова на полную черт возьми в корзину для рук.И я создаю эту схему, чтобы мы могли попытаться пройти те четыре шага, которые я только что упомянул.

Итак, первым делом просто создал схему. Теперь мне нужно посмотреть на схему. И вау, это ужасный резистор, который, возможно, один из худших резисторов, которые я когда-либо делал за всю свою жизнь. Итак, мы смотрим на схему и решаем, какой диод будет смещен в прямом направлении, а какой — в обратном. И поэтому я должен просто догадываться, глядя на это и думать: хорошо, у меня здесь девять вольт.И поэтому, если бы они оба были смещены в прямом направлении, у меня было бы здесь ноль вольт, что означало бы, что у меня был бы ток, протекающий таким образом, что имеет смысл, и тогда у меня было бы отрицательное шесть вольт. Но тогда это резистор гораздо меньшего размера? Будет ли это так, что я действительно получаю поток таким образом? Или поток вернется туда? И вам просто нужно взглянуть на это и сделать это предположение, и это будет самый первый шаг.

Итак, на этом я собираюсь взглянуть на это и сказать, я считаю, что это будет впереди, поэтому в этой идеальной модели диода это будет рассматриваться как короткое замыкание, а затем это также будет рассматриваться как короткое замыкание в идеальной модели.Итак, давайте воссоздадим это с этими предположениями.

Итак, мы идем вниз, и на самом деле лучше не стало. А потом мы сделаем там пометку, покажем, что это короткое замыкание на массу. А затем мы пойдем туда и покажем, что это короткое замыкание на 43 кОм и -6 вольт, +9 вольт, 22 кОм и 43 кОм. Итак, это наш второй шаг — теперь, когда мы сделали наши предположения, мы воссоздали схему.

На третьем этапе выполняется базовый анализ схемы, чтобы убедиться, что наши предположения действительно работают.

Итак, в этом случае у нас будет в основном два … позвольте мне выполнить закон моего Ома в углу, как я всегда это делаю, просто держите все прямо в своей голове, мы собираемся иметь наши два тока правильными здесь. Я называю это I ₁ и I ₂ . И I ₁ — это просто девять вольт минус ноль вольт свыше 22 кОм, а затем I ₂ будет ноль вольт минус -6 вольт выше 43 кОм. Так что позвольте мне очень быстро бросить это в калькулятор, потому что я никак не смогу сделать это в своей голове.Получается, что это около 409 мкА. И это получается около 140 мкА. Хорошо, выглядит хорошо.

Интересно, что I ₁ — это не ток, который проходит через этот диод. Это ток, который проходит через диод, а также через этот диод. Итак, мы собираемся отметить это как I ₃ , и мы просто найдем I ₃ как I ₃ равно I ₁ минус I ₂ .Таким образом, это будет 409 микроампер минус 140 микроампер, и это даст нам число, которое, опять же, я не могу сделать в своей голове, 269 микроампер, хорошо.

Итак, теперь мы фактически решили и у нас есть предположение, что у нас будет нулевое напряжение на обоих диодах, и мы предположили, что у нас будет 140 микроампер через них и 269 микроампер через них. Итак, наша точка покоя или Q-точка для, давайте немного реткон, для D ₁ это наше напряжение будет нулевым вольт, а наш ток будет 269 микроампер и D ₂ … Ух ты, У меня как раз есть один из тех дней, D ₂ , два сабвуфера тоже будут на ноль вольт и на 140 микроампер.

Итак, честно говоря, я часто вижу, как это делается по-другому, когда у вас действительно сначала есть ток. Я привык просто измерять вольты и усилители. Но вы можете увидеть это там, где люди говорят: эй, на самом деле сначала делайте ток, поэтому 140 мкА, а затем ноль вольт в том, что будет вашей точкой Q для D ₁ и вашей точкой Q для D ₂ .

Теперь мы подошли к завершающему этапу процесса. И здесь мы смотрим на это и спрашиваем: имеет ли это смысл? Теперь, чтобы на этих диодах было нулевое напряжение, нам нужен положительный ток в этих направлениях, которые мы установили.Итак, если мы посмотрим на это и скажем: «Хорошо», D ₁ имеет положительный 269 мкА в этом направлении, а D ₂ имеет положительный 140 мкА в этом направлении. И мы предполагаем, что оба напряжения равны нулю. Все эти числа имеют смысл с нашей настройкой. Таким образом, мы действительно можем взглянуть на это и сказать: да, мое предположение, что оба эти утверждения предвзяты, верно.

Вот как вы делаете это с идеальной моделью, когда пытаетесь найти диод, и это довольно просто с точки зрения упрощения, просто закорачивая все это.И единственная разница между этим в четвертом и последнем методе, который мы собираемся рассмотреть, заключается в том, что в модели постоянного падения напряжения мы должны сделать вещи более интересными. Вы не можете просто ставить шорты или открывать, ну, я думаю, вы все еще можете открывать открытые позиции, но давайте займемся этим прямо сейчас.

Модель постоянного падения напряжения

Итак, давайте сделаем еще одну схему. Итак, на этот раз мы начнем с +6 вольт. Так что наш узел прямо здесь, наш 43k прямо здесь, еще один узел.И если мы хотим увеличить это, меня это полностью устраивает. Знаете, мне говорили, что я должен был быть чем угодно, но художник никогда не был одним из них. Я даже не знаю. Пробовал ставить -9? -9 вольт. Хорошо, это разборчиво? Думаю, разборчиво. Ладно, тогда у нас есть 22к. Итак, теперь мы настроены на наш стиль постоянного падения напряжения (CVD).

Те же самые четыре шага, которые мы проделали в предыдущем шаге, когда сначала посмотрели на него, сделав некоторые предположения. Во-вторых, построение модели с нашими предположениями.В-третьих, решение для этой модели. И затем, в-четвертых, вернемся назад, чтобы посмотреть, работают ли наши предположения. И если у них все получится, мы двинемся вперед. Если нет, мы возвращаемся назад, меняем наши предположения и делаем все заново.

Но разница в том, что на это надо было указывать. Это очень, очень важное различие между этой моделью и идеальной моделью. Мы предполагаем, что это падение на 0,7 В. Так что, если мы предвзяты вперед, это не будет нормально, предвзятость вперед.Вкратце, мы на самом деле собираемся сделать его модель с падением напряжения, источником напряжения 0,7 вольт. Итак, шесть вольт, я все еще собираюсь сделать приближение, что это будет около нуля вольт. Если это вперед, на самом деле было бы 0,7. И это даст 0,7, -9, я думаю, что это будет смещение вперед, а это будет смещение в обратном направлении.

Итак, теперь на втором этапе — создайте эту модель, на шесть вольт ниже … почему это так плохо. И затем я вставил свой источник напряжения 0.7 вольт, а затем я поставил это как разомкнутый на -9 вольт и 22 кОм, шаг два выполнен.

Шаг третий, давайте решим эту проблему. Теперь, когда этого больше нет, это довольно просто. Итак, давайте посмотрим, смогу ли я в этом случае, I ₁ будет тем же самым, что и прохождение через это, а затем у нас будет I ₂ , что будет довольно просто, потому что оно будет равно нулю, потому что он открыт, но мы его моделируем, у нас есть I ₁ . Посмотрим, что мне делать, I ₁ равно шести минус 0.7 больше 43k, разделенных на 43,000. Он даст мне 123 мкА, и он подаст это напряжение прямо сюда, оно будет 0,7, и это напряжение в этом узле будет -9 вольт, и мы предполагаем, что I ₂ будет просто нулем потому что ничто не может пройти через это.

Хорошо, теперь давайте возьмем это и определим наши Q-точки. Итак, мы собираемся снова повторить это, потому что я не делаю все по порядку, как должен, D ₁ один равен… Давайте представим это как текущие первые 123 мкА и 0.7 вольт. И тогда точка Q D ₂ будет равна нулю ампер и -8,3… Нет, нет, я полностью перевернул это, потому что я не могу делать математические вычисления в уме. Это 0,7 минус, и я пошел не в том направлении. Так что это должно быть -9,7. Прекрасно то, что это не меняет его предвзятости. Это просто меняет тот факт, что я полностью облажался.

Итак, теперь снова, сделал все, не торопясь, чтобы убедиться, что мы не делаем ошибок. Давай, Джош.Не делай ошибок. Теперь мы проверяем, действительно ли это настроено. Таким образом, мы предположили, что D ₁ будет смещен вперед. И мы предположили, что D ₂ будет иметь обратное смещение. Итак, когда мы смотрим на это, у нас есть положительный ток через него, а затем через него 0,7 просто потому, что это то, что у нас есть. А затем D ₂ , у нас есть нулевой ток через большой -9,7 вольт.

Итак, оба они верны в том смысле, что мы предположили, что это будет прямое смещение, и это так, и мы предполагаем, что это будет обратное смещение, и это тоже так.Опять же, любой из них был неправ, мы должны были бы вернуться, вы должны были бы сказать, хорошо, я был неправ здесь. Предположим, что это предвзято. И нам пришлось бы воссоздать это, переделать все это, что, конечно, увеличило бы вероятность того, что я снова не смогу выполнять простую арифметику. Но, надеюсь, это проще.

Итак, опять же, единственная разница между постоянным падением напряжения и идеальной моделью заключается в том, что вы подключаете источник напряжения, чтобы сказать: «Хорошо, мы теряем 0».7, или как вы предполагаете, 0,7 В на этом диоде. И в большинстве случаев это не будет иметь никакого значения, но в некоторых случаях это определенно усложнит вам задачу.

Итак, четыре разных типа решения четырех диодов в уравнении, четыре шага на пути к идеальному и постоянному падению напряжения. И несмотря на это, несмотря на итерацию, и несмотря на то, что я не умею заниматься математикой, это не так уж и плохо. Сделать постоянное падение напряжения и создать идеальную модель довольно просто.Так что просто не торопитесь, пройдите через них. Убедитесь, что в конце вы посмотрите на это и спросите, действительно ли это имеет смысл? Надеюсь, это помогло. Если это вас не смутило, это прекрасно. Надеюсь, вам понравилось, подписывайтесь на наш канал. Мы любим, когда люди подписываются, задают вопросы и узнают больше об электронике. Мы поймаем вас на следующем.

Что такое диод? — Build Electronic Circuits

Меня несколько раз спрашивали — что такое диод?

Ну, диод — это электронный компонент, который проводит ток в одном направлении и блокирует ток в другом направлении.

Обозначение диода выглядит так:

Как подключить диод

Давайте посмотрим на пример.

В схеме выше диод подключен в правильном направлении. Это означает, что через него может протекать ток, и светодиод загорится.

Но что будет, если мы подключим его наоборот?

Во второй цепи диод подключен неправильно. Это означает, что в цепи не будет протекать ток и светодиод будет выключен.

Для чего используется диод?

Диоды очень часто используются в источниках питания. Из розетки в стене вы получаете переменный ток (AC). Многие устройства, которые мы используем, нуждаются в постоянном токе (DC). Чтобы получить постоянный ток из переменного тока, нам понадобится выпрямительная схема. Это схема, которая преобразует переменный ток (AC) в постоянный (DC). Диоды — основные компоненты в схемах выпрямителя.

Как работает диод

Диод создается из PN перехода. Чтобы получить PN-переход, нужно собрать отрицательно легированный и положительно легированный полупроводниковый материал.

На пересечении этих двух материалов появляется «область истощения». Эта область истощения действует как изолятор и не пропускает ток.

Когда вы прикладываете положительное напряжение с положительной стороны к отрицательной, «слой истощения» между двумя материалами исчезает, и ток может течь с положительной стороны на отрицательную.

Когда вы прикладываете напряжение в другом направлении, от отрицательной стороны к положительной, область истощения расширяется и сопротивляется любому текущему току.

На заметку о диодах

• Вы должны приложить достаточно напряжения в «правильном» направлении — от положительного к отрицательному — чтобы диод начал проводить. Обычно это напряжение составляет около 0,7 В.
• Диод имеет ограничения и не может проводить неограниченный ток.
• Диоды — не идеальные компоненты. Если вы подадите напряжение в неправильном направлении, будет течь небольшой ток. Этот ток называется «током утечки».
• Если вы подадите достаточно высокое напряжение в «неправильном» направлении, диод выйдет из строя и пропустит ток и в этом направлении.

Типы диодов

Есть много разных типов диодов. Наиболее распространены сигнальные диоды, выпрямительные диоды, стабилитроны и светодиоды (LED). Сигнальные и выпрямительные диоды — это почти одно и то же, за исключением того, что выпрямительные диоды рассчитаны на большую мощность.

Стабилитрон

— это диоды, которые используют напряжение пробоя при «неправильной» подаче напряжения. Они действуют как очень стабильные источники опорного напряжения.

Поделитесь своими комментариями или вопросами ниже!

Возвращение из «Что такое диод?» в Электронные компоненты онлайн

Схема диод-резистор

— PAL3_Electronics — ~ Confluence ~ Institute ~ for ~ Creative ~ Technologies

Эта схема должна гарантировать, что ток будет течь только в направлении стрелки диода через резистор (и любую нагрузку, размещенную параллельно резистору).Эта конкретная схема не используется очень часто, потому что более сложные схемы, как правило, генерируют более практичные сигналы (например, производят более сильный и / или более ровный сигнал).

Очень простое применение диодов — это схема, состоящая из последовательно соединенных диода, резистора и источника напряжения. Вот одна из таких схем:

Вы можете увидеть варианты этой схемы, где диод перевернут, или резистор появляется на другой стороне диода. Все такие варианты по сути представляют собой одну и ту же схему.

Источник напряжения обеспечивает напряжение, которое изменяется около нуля, например, эта синусоида:

Диод пропускает ток только в одном направлении, а именно в направлении, на которое указывает его треугольник. Таким образом, на рисунке выше ток может течь только по часовой стрелке. Когда через него протекает ток, говорят, что диод смещен в прямом направлении.

Ток течет только от положительного напряжения источника к отрицательному напряжению источника, поэтому в приведенной выше схеме ток протекает только тогда, когда верхний вывод источника напряжения является положительным по отношению к нижнему выводу.

Когда диод смещен в прямом направлении, диод имеет очень низкое сопротивление, около 100 Ом. Большинство резисторов имеют гораздо более высокое сопротивление, поэтому, когда диод с прямым смещением и резистор включены последовательно, как в этой схеме, общее сопротивление примерно такое же, как сопротивление резистора. Таким образом, величина протекающего тока определяется законом Ома (V = I * R), где R — сопротивление резистора. Чем больше резистор, тем меньше протекает ток.

Когда диод смещен в прямом направлении, это почти короткое замыкание, поэтому напряжение в средней точке между диодом и резистором (V_L в приведенной выше схеме) почти равно напряжению в верхней части источника напряжения.8 Ом (100000000). Таким образом, общее сопротивление комбинации диод-резистор очень велико, поэтому закон Ома объясняет, почему ток такой малый.

Когда диод смещен в обратном направлении, это почти разомкнутая цепь, поэтому напряжение в средней точке между диодом и резистором почти равно напряжению внизу источника напряжения.