В какую сторону пропускает диод: В какую сторону работает диод

В какую сторону работает диод

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

Особенности устройства

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

Диод состоит из следующих основных элементов:

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

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

Принцип действия

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

Диоды в состоянии покоя

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

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

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

Обратное включение

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

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

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

Обратный ток

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

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

Прямое включение

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

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

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

Прямое и обратное напряжение

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

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

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

Характеристика диодов

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

СХЕМЫ ПОДКЛЮЧЕНИЯ ДИОДОВ

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

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

При включении диода в цепь переменного тока, помимо прочего, на нем периодически возникает обратное напряжение Uобр . Имейте в виду, следует учитывать его амплитудное значение (Для Uпр , кстати, тоже). Например, для бытовой электрической сети привычное всем напряжение 220В является действующим, а его амплитудное значение составляет 380В. Подробнее про это можно посмотреть на этой странице.

Это самое основное, про что надо помнить.

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

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

Далее несколько менее очевидных схем (для постоянного тока):

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

© 2012-2019 г. Все права защищены.

Все представленные на этом сайте материалы имеют исключительно информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

Д иод – самый простейший по устройству в славном семействе полупроводниковых приборов. Если взять пластинку полупроводника, например германия, и в его левую половину ввести акцепторную примесь, а в правую донорную, то с одной стороны получится полупроводник типа P, соответственно с другой типа N. В середине кристалла получится, так называемый P-N переход, как показано на рисунке 1.

На этом же рисунке показано условное графическое обозначение диода на схемах: вывод катода (отрицательный электрод) очень похож на знак «-». Так проще запомнить.

Всего в таком кристалле две зоны с различной проводимостью, от которых выходят два вывода, поэтому полученный прибор получил название диод, поскольку приставка «ди» означает два.

В данном случае диод получился полупроводниковый, но подобные устройства были известны и раньше: например в эпоху электронных ламп был ламповый диод, называвшийся кенотрон. Сейчас такие диоды ушли в историю, хотя приверженцы «лампового» звука считают, что в ламповом усилителе даже выпрямитель анодного напряжения должен быть ламповым!

Рисунок 1. Строение диода и обозначение диода на схеме

На стыке полупроводников с P и N проводимостями получается P-N переход (P-N junction), который является основой всех полупроводниковых приборов. Но в отличии от диода, у которого этот переход лишь один, транзисторы имеют два P-N перехода, а, например, тиристоры состоят сразу из четырех переходов.

P-N переход в состоянии покоя

Даже если P-N переход, в данном случае диод, никуда не подключен, все равно внутри него происходят интересные физические процессы, которые показаны на рисунке 2.

Рисунок 2. Диод в состоянии покоя

В области N имеется избыток электронов, она несет в себе отрицательный заряд, а в области P заряд положительный. Вместе эти заряды образуют электрическое поле. Поскольку разноименные заряды имеют свойство притягиваться, электроны из зоны N проникают в положительно заряженную зону P, заполняя собой некоторые дырки. В результате такого движения внутри полупроводника возникает, хоть и очень маленький (единицы наноампер), но все-таки ток.

В результате такого движения возрастает плотность вещества на стороне P, но до определенного предела. Частицы обычно стремятся распространяться равномерно по всему объему вещества, подобно тому, как запах духов распространяется на всю комнату (диффузия), поэтому, рано или поздно, электроны возвращаются обратно в зону N.

Если для большинства потребителей электроэнергии направление тока роли не играет, – лампочка светится, плитка греется, то для диода направление тока играет огромную роль. Основная функция диода проводить ток в одном направлении. Именно это свойство и обеспечивается P-N переходом.

Далее рассмотрим, как ведет себя диод в двух возможных случаях подключения источника тока.

Включение диода в обратном направлении

Если к полупроводниковому диоду подключить источник питания, как показано на рисунке 3, то ток через P-N переход не пройдет.

Рисунок 3. Обратное включение диода

Как видно на рисунке, к области N подключен положительный полюс источника питания, а к области P – отрицательный. В результате электроны из области N устремляются к положительному полюсу источника. В свою очередь положительные заряды (дырки) в области P притягиваются отрицательным полюсом источника питания. Поэтому в области P-N перехода, как видно на рисунке, образуется пустота, ток проводить просто нечем, нет носителей заряда.

При увеличении напряжения источника питания электроны и дырки все сильней притягиваются электрическим полем батарейки, в области же P-N перехода носителей заряда остается все меньше. Поэтому в обратном включении ток через диод не идет. В таких случаях принято говорить, что полупроводниковый диод заперт обратным напряжением.

Увеличение плотности вещества около полюсов батареи приводит к возникновению диффузии, – стремлению к равномерному распределению вещества по всему объему. Что и происходит при отключении элемента питания.

Обратный ток полупроводникового диода

Вот здесь как раз и настало время вспомнить о неосновных носителях, которые были условно забыты. Дело в том, что даже в закрытом состоянии через диод проходит незначительный ток, называемый обратным. Этот обратный ток и создается неосновными носителями, которые могут двигаться точно так же, как основные, только в обратном направлении. Естественно, что такое движение происходит при обратном напряжении. Обратный ток, как правило, невелик, что обусловлено незначительным количеством неосновных носителей.

С повышением температуры кристалла количество неосновных носителей увеличивается, что приводит к возрастанию обратного тока, что может привести к разрушению P-N перехода. Поэтому рабочие температуры для полупроводниковых приборов, – диодов, транзисторов, микросхем ограничены. Чтобы не допускать перегрева мощные диоды и транзисторы устанавливаются на теплоотводы – радиаторы.

Включение диода в прямом направлении

Показано на рисунке 4.

Рисунок 4. Прямое включение диода

Теперь изменим полярность включения источника: минус подключим к области N (катоду), а плюс к области P (аноду). При таком включении в области N электроны будут отталкиваться от минуса батареи, и двигаться в сторону P-N перехода. В области P произойдет отталкивание положительно заряженных дырок от плюсового вывода батареи. Электроны и дырки устремляются навстречу друг другу.

Заряженные частицы с разной полярностью собираются около P-N перехода, между ними возникает электрическое поле. Поэтому электроны преодолевают P-N переход и продолжают движение через зону P. При этом часть из них рекомбинирует с дырками, но большая часть устремляется к плюсу батарейки, через диод пошел ток Id.

Этот ток называется прямым током. Он ограничивается техническими данными диода, некоторым максимальным значением. Если это значение будет превышено, то возникает опасность выхода диода из строя. Следует, однако, заметить, что направление прямого тока на рисунке совпадает с общепринятым, обратным движению электронов.

Можно также сказать, что при прямом направлении включения электрическое сопротивление диода сравнительно небольшое. При обратном включении это сопротивление будет во много раз больше, ток через полупроводниковый диод не идет (незначительный обратный ток здесь в расчет не принимается). Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что диод ведет себя подобно обычному механическому вентилю: повернул в одну сторону – вода течет, повернул в другую – поток прекратился. За это свойство диод получил название полупроводникового вентиля.

Чтобы детально разобраться во всех способностях и свойствах полупроводникового диода, следует познакомиться с его вольт – амперной характеристикой. Также неплохо узнать о различных конструкциях диодов и частотных свойствах, о достоинствах и недостатках. Об этом будет рассказано в следующей статье.

Полупроводниковый диод

Полупроводниковый диод — самый простой полупроводниковый прибор, состоящий из одного PN перехода. Основная его функция — это проводить электрический ток в одном направлении, и не пропускать его в обратном. Состоит диод из двух слоев полупроводника типов N и P.

На стыке соединения P и N образуется PN-переход (PN-junction). Электрод, подключенный к P, называется анод. Электрод, подключенный к N , называется катод. Диод проводит ток в направлении от анода к катоду, и не проводит обратно.

Диод в состоянии покоя

Посмотрим, что происходит внутри PN-перехода, когда полупроводниковый диод находится в состоянии покоя. То есть тогда, когда ни к аноду, ни к катоду не подключено напряжения.

Итак, в части N имеются в наличии свободные электроны – отрицательно заряженные частицы. В части P находятся положительно заряженные ионы – дырки. В результате, в том месте, где есть частицы с зарядами разных знаков, возникает электрическое поле, притягивающее их друг к другу.

Под действием этого поля свободные электроны из части N дрейфуют через PN переход в часть P и заполняют некоторые дырки. В итоге получается очень слабый электрический ток, измеряемый в наноамперах. В результате, плотность вещества в P части повышается и возникает диффузия (стремление вещества к равномерной концентрации), толкающая частицы обратно на сторону N.

Обратное включение диода

Теперь посмотрим, как у полупроводникового диода получается выполнять свою основную функцию – проводить ток только в одном направлении. Подключим источник питания — плюс к катоду, минус к аноду.

В соответствии с силой притяжения, возникшей между зарядами разной полярности, электроны из N начнут движение к плюсу и отдалятся от PN перехода. Аналогично, дырки из P будут притягиваться к минусу, и также отдалятся от PN перехода. В результате, плотность вещества у электродов повышается. В действие приходит диффузия и начинает толкать частицы обратно, стремясь к равномерной плотности вещества.

Как мы видим, в этом состоянии диод не проводит ток. При повышении напряжения, в PN переходе будет все меньше и меньше заряженных частиц.

Прямое включение диода

Меняем полярность источника питания — плюс к аноду, минус к катоду. В таком положении, между зарядами одинаковой полярности возникает сила отталкивания. Отрицательно заряженные электроны отдаляются от минуса и двигаются сторону pn перехода. В свою очередь, положительно заряженные дырки отталкиваются от плюса и направляются навстречу электорнам.

PN переход обогащается заряженными частицами с разной полярностью, между которыми возникает электрическое поле – внутреннее электрическое поле PN перехода. Под его действием электроны начинают дрейфовать на сторону P. Часть из них рекомбинируют с дырками (заполняют место в атомах, где не хватает электрона). Остальные электроны устремляются к плюсу батарейки. Через диод пошел ток I_D.

Чтобы не возникло путаницы, напомню, что направление тока на электрических схемах обратно направлению потока электронов.

Недостатки реального полупроводникового диода

На практике, в реальном диоде, при обратном подключении напряжения, возникает очень маленький ток, измеряемый в микро, или наноамперах ( в зависимости от модели прибора ). В следствии слишком высокого напряжения, может разрушиться кристаллическая структура полупроводника в диоде. В этом случае, прибор начнет хорошо проводить ток также и при обратном смещении.

Такое напряжение называется напряжение пробоя. Процесс разрушения структуры полупроводника невосстановим, и прибор приходит в негодность.

При прямом подключении, напряжение между анодом и катодом должно достигнуть определенного значения V_ϒ, для того чтобы диод начал хорошо проводить ток. Для кремниевых приборов V_ϒ — это примерно 0.7V, а для германиевых — около 0.3V. Более подробно об этом, и других характеристиках полупроводникового выпрямительного диода пойдет речь в статье ВАХ полупроводникового диода.

Диод. Часть 1 | Электроника для всех

Как то я не особо расписывал эту незатейливую детальку. Ну диод и диод. Система ниппель. Пропускает в одну сторону, не пропускает в другую, чего уж проще. В принципе да, но есть нюансы. О них, да немного о прикидочном выборе данной детальки и будет эта статья.

▌Клапан
В двух словах, в нашей канализационной электрике для сантехников диод это клапан. Вот типа вот такого:

И да, будет большим допущением считать, что клапан пропускает в одну сторону, а не пропускает в другую. На самом деле все несколько сложней. На самом деле у клапана же есть некая упругость пружины, так вот пока прямое давление не преодолеет эту пружину никакого потока не будет, даже в прямом направлении.

Для диода это справедливо в той же мере. Есть у диода такой параметр как падение напряжения. Оно для диодов Шоттки составляет около 0.2…0.4вольт, а для обычных диодов порядка 0.6…0.8 вольт.

Из этого знания следует три простых вывода.

1) Чтобы ток шел через диод напряжение на диоде должно быть выше его падения напряжения.

2) Какой бы ток через диод не шел, на нем всегда будет напряжение примерно равное его падению напряжения (собственно потому его таки зовут). Т.е. сопротивление диода нелинейно и падает с ростом тока.

3) Включая в цепь диод последовательно с нагрузкой, мы потеряем на нагрузке напряжение равное падению напряжения диода. Т.е. если вы в батарейное питание на 4.5 вольт для защиты от переполюсовки поставите диод, то потеряете от батареек 0.7 вольт, что довольно существенно. Ваше устройство перестанет работать гораздо раньше чем реально сядут батарейки. А батареи не будут высажены до конца. В этом случае лучше ставить диод Шоттки. У него падение ниже чем у простого (но есть свои приколы). А лучше вообще полевой транзистор.

До кучи пусть будет еще и график:

Это вольт-амперная характеристика диода. По которой наглядно видно, что открывается он примерно от 0.7 вольт. До этого ток практически нулевой. А потом растет по параболе вверх с ростом напряжения. У резистора ВАХ была бы прямолинейной в прямом соответствии с законом Ома. А в обратку диод не то чтобы не пропускает, но ток там совсем незначительный, доли миллиампера. Но после определенного напряжения диод резко пробивает и он начинает открываться, падение напряжения устанавливается где-то на уровне предела по обратному напряжению, а после и вовсе сгорает. Ведь рост тока, да большое падение напряжения на диоде означают большие тепловые потери (P=U*I). А диод на них не рассчитан. Вот и сгорает обычно он после пробоя. Но если ограничить ток или время воздействия, чтобы тепловая мощность не превышала расчетную, то электрический пробой является обратимым. Но это касается только обычных диодов, не Шоттки. Тех пробивает сразу и окончательно.

А вот и реальная характеристика диода Vishay 1N4001

Прямая ВАХ, показан один квадрант, рабочий. Начинается гдето с 0.6 вольт. При этом ток там мизерный. А дальше, с ростом напряжения, диод начинает резко открываться. На 0.8 вольтах ток уже 0.2А, на 1 вольте уже под 2.5А и так далее, пока не сгорит 🙂

Вот вам и ответ на вопрос почему нельзя светодиоды втыкать последовательно на источник напряжения без токоограничения. Вроде бы падения скомпенсированы, ну что им будет то? А малейшее изменение напряжения вызывает резкое изменение тока. А источники питания никогда не бывают идеальными и разброс по питанию там присутствует всегда. В том числе и от температуры и нагрузки.

И обратная ВАХ, напряжение в процентах от максимального (т.к. даташит на все семейство диодов, от 4001 до 4007 и у них разное обратное напряжение). Тут токи уже в микроамперах и ощутимо зависят от температуры.

▌Выбор диодов. Быстрые прикидки.
В первом приближении у диода нам интересные три параметра — обратное напряжение, предельный ток и падение напряжения.

Т.е. если вы делаете выпрямитель в сетевое устройство, то диод вам хорошо бы вольт на 400, а лучше на 600 пробивного обратного напряжения. Чтобы с хорошим запасом было.

С предельным током все тоже просто. Он должен быть не меньше, чем через него потечет. Лучше чтобы был запас процентов в 30.

Ну, а падение обычно нужно учитывать для малых напряжений, батарейного питания.

Открываем даташит на … пусть это будет 1N4007 (обычный рядовой диод) и ищем искомые параметры. И сразу же видим искомое, табличку предельных значений Maximum Rating или как то так:

I_F(AV) прямой ток. Обозначается всегда как то так. Тут 1А. Предельный ток который этот диод тащит и не дохнет. Импульсно он протаскивает до 30А в течении 8.3мс (I_FSM), скажем заряд конденсаторов через себя переживет.

Предельное обратное напряжение определяется параметрами:
V_RRM — повторяющееся пиковое значение.
V_RMS — действующее значение синусоидального переменного напряжения. На западе принято называть его среднеквадратичным. У нас постепенно тоже приходят к такому обозначению.

V_DC — и просто обратное постоянное напряжение.

Ну, а падение смотрим по графикам в том же даташите под конкретный ток.

Есть еще диоды Шоттки, у них меньше внутренняя емкость и поэтому они во первых гораздо быстрей закрываются, что важно для импульсных преобразователей, работающих на большой частоте. А во вторых, имеют втрое ниже падение напряжение. Но, у них мало обратное пробивное напряжение. Классический диод Шоттки выглядит по даташитам примерно так:

Это 1N5819 стоящий в Pinboard II в преобразователе:

Падение напряжения можно измерить мультиметром, в режиме проверки диодов.

Он показывает падение в вольтах. И это падение обязательно надо учитывать, особенно в слаботочных цепях. Например, развязываете вы диодом какой-нибудь вывод микроконтроллера, с уходящим от него сигналом. Например, чтобы при подключении устройства в контроллер не потекло чего лишнего.

А сам контроллер (МК) должен подавать в устройство ХЗ логическую единицу. И, скажем, дает ее как 3.3 вольта. А если падение диода 0.6 вольт и у вас до Х.З. дойдет не 3.3 вольта, а меньше. А тут возникает вопрос, а воспримет ли Х.З. это как логическую единицу? Корректно ли это будет? Ну и, соответственно, решать проблемы если нет.

Светодиодов все это касается в той же мере. Только у них падение напряжения гораздо выше и зависит от цвета. Также, если хотите правильно вычислить ограничение резистора для светодиода, то измеряете его падение напряжения. Вычитаете из питания падение напряжения светодиода (или светодиодной цепи), а потом по полученному напряжению считаете по закону Ома сопротивление.

Например, имеем светодиод на с падением в 3 вольта. Его номинальный ток 10мА, а источник питания у нас 5 вольт. Итак, 5-3 = 2 вольта. Теперь на эти два вольта надо подобрать резистор, чтобы ток был 10мА. 2 / 0,01=200 ом.

Особенно важно правильно подбирать сопротивления для фонарей разных оптронов и прочих оптических датчиков. Иначе характеристики не предсказуемые.

Поэтому, кстати, нельзя включать светодиоды параллельно с общим токоограничивающим резистором. Т.к. диоды имеют разброс по характеристикам, даже если они из одной партии. А из-за малейшего отличия от соседей разница тока через один диод может быть весьма существенная. В результате один из диодов будет работать с перекалом, перегреется и сгорит. Токоограничивающий резистор ставят на каждый диод.

Во второй части этой статьи, которая уже написана, будет более детально расписаны остальные параметры и почему они образуются, исходя из полупроводниковой конструкции диода. А я пока картинки нарисую…

Диод. Светодиод. Стабилитрон / Хабр

Не влезай. Убьет! (с)

Постараюсь объяснить работу с диодами, светодиодами, а также стабилитронами на пальцах. Опытные электронщики могут пропустить статью, поскольку ничего нового для себя не обнаружат. Не буду вдаваться в теорию электронно-дырочной проводимости pn-перехода. Я считаю, что такой подход обучения только запутает начинающих. Это голая теория, почти не имеющая отношения к практике. Впрочем, интересующимся теорией предлагаю

эту статью

. Всем желающим добро пожаловать под кат.

Это вторая статья из цикла электроники. Рекомендую к прочтению также

первую

, которая повествует о том, что такое электрический ток и напряжение.

Диод – полупроводниковый прибор, имеющий 2 вывода для подключения. Изготавливается, упрощенно говоря, путем соединения 2х полупроводников с разным типом примеси, их называют донорной и акцепторной, n и p соответственно, поэтому диод содержит внутри pn-переход. Выводы, обычно состоящие из луженой меди, называют анод (А) и катод (К). Эти термины пошли еще со времен электронных ламп и используются в письменном виде, для обозначения направленности диода. Гораздо проще графическое обозначение. Названия выводов диода запомнятся сами собой при применении на практике.

Как я уже писал, мы не будем использовать теорию электронно-дырочной проводимости диода. Просто инкапсулируем эту теорию до черного ящика с двумя зажимами для подключения. Примерно так же программисты инкапсулируют работу со сторонними библиотеками, не вдаваясь в е… подробности их работы. Или, например, когда, пользуясь пылесосом, мы не вдаёмся в подробности, как он устроен внутри, он просто работает и нам важно одно из свойств пылесоса – сосать пыль.

Рассмотрим свойства диода, самые очевидные:

• От анода к катоду, такое направление называется прямым, диод пропускает ток.
• От катода к аноду, в обратном направлении, диод ток не пропускает. (Вообще-то нет. Но об этом позже.)
• При протекании тока, в прямом направлении, на диоде падает некоторое напряжение.

Возможно эти свойства вам и так хорошо известны. Но есть некоторые дополнения. Что же считать прямым, а что обратным направлением? Прямым называют такое включение, когда на аноде напряжение больше, чем на катоде. Обратное, наоборот. Прямое и обратное включение – это условность. В реальных схемах напряжение на одном и том же диоде может меняться с прямого на обратное и наоборот.

Кремниевый диод начинает пропускать хоть какой-либо значимый ток только тогда, когда на аноде напряжение будет больше примерно на 0,65 В, чем на катоде. Нет, не так. При протекании хоть какого-либо тока, на диоде образуется падение напряжения, примерно равное 0,65 В и выше.

Напряжение 0,65 В – называют прямым падением напряжения на pn-переходе. Это лишь примерная средняя величина, она зависит от тока, температуры кристалла и технологии изготовления диода. При изменении протекающего тока, она изменяется нелинейно. Чтобы как-то обозначить эту нелинейность графически, производители снимают вольтамперные характеристики диода. В мощных высоковольтных диодах падение напряжения может быть больше в 2, 3 и т.д. раза. Это означает, что внутри диода включено несколько pn-переходов последовательно.

Для определения падения напряжения можно использовать вольтамперную характеристику (ВАХ) диода в виде графика. Иногда эти графики приводятся в дата-листах (datasheets) на реальные модели диода, но чаще их нет. На первом мне попавшемся графике ниже приведены ВАХ КД243А, хотя это не важно, они все примерно похожи.

На графике Uпр – это прямое падение напряжения на диоде. Iпр – протекающий через диод ток. График показывает какое падение напряжения на диоде будет, при протекании n-го тока. Но чаще всего в даталистах не показываются реальные ВАХ, а приводится прямое падение напряжения, указанное при определенном токе. В английской литературе падение напряжения обозначается как forward voltage.

Как применять

Падение напряжения на диоде – для нас плохая характеристика, поскольку это напряжение не совершает полезной работы и рассеивается в виде тепла на корпусе диода. Чем меньше падение, тем лучше. Обычно падение напряжения на диоде определяют исходя из тока, протекающего через диод. Например, включим диод последовательно с нагрузкой. По сути это будет защита схемы от переплюсовки, на случай, если блок питания отсоединяемый. На рисунке ниже в качестве защищаемой схемы взят резистор 47 Ом, хотя в реальности это может быть все, что угодно, например, участок большой схемы. В качестве блока питания – батарея на 12 В.

Допустим, нагрузка без диода потребляет 255 мА. В данном случае это можно посчитать по закону Ома: I= U / R = 12 / 47 = 0,255 А или 255 мА. Хотя обычно потребление сферической схемы в вакууме уже известно, хотя бы по максимальным характеристикам блока питания. Найдем на графике ВАХ, указанный выше, падение напряжения для диода КД243А при 0,255 А протекающего тока, при 25 градусах. Оно равно примерно 0,75 В. Эти 0,75 В упадут на диоде, и для питания схемы останется 12 — 0,75 = 11,25 В — иногда может и не хватить. Как бонус, можно найти мощность, в виде тепла и потерь выделяющуюся на диоде по формуле P = I * U = 0,75 * 0,255 = 0,19 Вт, где I и U – ток через диод и падение напряжения на диоде.

Что же делать, когда график ВАХ недоступен? Например, для популярного диода 1n4007 указано только прямое напряжения forward voltage 1 В при токе 1 А. Нужно и использовать это значение, либо измерить реальное падение. А если для какого-либо диода это значение не указано, то сойдет среднее 0,65 В. В реальности проще это падение напряжения измерить вольтметром в схеме, чем выискивать в графиках. Думаю, не надо объяснять, что вольтметр должен быть включен на постоянное напряжение, если через диод течет постоянный ток, а щупы должны касаться анода и катода диода.

Немного про другие характеристики

В предыдущем примере, если перевернуть батарейку, я имею ввиду поменять полярность, см. нижний рисунок, ток не потечет и падение напряжения на диоде в худшем случае составит 12 В — напряжение батареи. Главное, чтобы это напряжение не превышало напряжение пробоя нашего диода, оно же обратное напряжение, оно же breakdown voltage. А также важно еще одно условие: ток в прямом направлении через диод не превышал номинальный ток диода, он же forward current. Это два основных параметра по которых выбирается диод: прямой ток и обратное напряжение.

Иногда в даталистах также указывается рассеиваемая мощность диодом или номинальная мощность (power dissipation). Если она указана, то ее нельзя превышать. Как ее посчитать, мы уже разобрались на предыдущем примере. Но если мощность не указана, тогда надо ориентироваться по току.

Говорят, что в обратном направлении ток через диод не течет, ну или почти не потечет. На самом деле через него протекает ток утечки, reverse current в английской литературе. Этот ток очень маленький, от нескольких наноампер у маломощных диодов до нескольких сот микроампер, у мощных. Также этот ток зависит от температуры и приложенного напряжения. В большинстве случаем ток утечки не играет никакой роли, например, в как в предыдущем примере, но, когда вы будете работать с наноамперами и поставите какой-либо защитный диод на входе операционного усилителя, тогда может случиться ой… Схема поведет себя совсем не так, как задумывалась.

У диодов так же есть некоторая маленькая паразитная емкость capacitance. Т.е., по сути, это конденсатор, параллельно включенный с диодом. Эту емкость надо учитывать при быстрых процессах при работе диода в схеме с десятками-сотнями мегагерц.

Также несколько слов по поводу термина «номинал». Обычно номинальные ток и напряжение обозначают, что при превышении этих параметров производитель не гарантирует работу изделия, если не сказано другое. И это для всех электронных компонентов, а не только для диода.

Что еще можно сделать

Применений диодов существует множество. Разработчики-радиоэлектронщики обычно выдумывают свои схемы из кусочков других схем, так называемых строительных кирпичиков. Вот несколько вариантов.

Например, схема защиты цифровых или аналоговых входов от перенапряжения:

Диоды в этой схеме при нормальной работе не пропускают ток. Только ток утечки. Но когда по входу возникает перенапряжение с положительной полуволной, т.е. напряжение входа становится больше чем Uпит плюс прямое падение напряжения на диоде, то верхний диод открывается и вход замыкается на шину питания. Если возникает отрицательная полуволна напряжения, то открывается нижний диод и вход замыкается на землю. В этой схеме, кстати, чем меньше утечки и емкость у диодов, тем лучше. Такие схемы защиты уже, как правило, стоят во всех современных цифровых микросхемах внутри кристалла. А внешними мощными сборками TVS-диодов защищают, например, USB порты на материнских платах.

Также из диодов можно собрать выпрямитель. Это очень распространённый тип схем и вряд ли кто-то из читателей про них не слышал. Выпрямители бывают однополупериодные, двухполупериодные и мостовые. С однополупериодным выпрямителем мы уже познакомились в нашем самом первом многострадальном примере, когда рассматривали защиту от переплюсовки. Никакими особыми плюсами не обладает, кроме плюса на батарейке. Один из самых важных минусов, который ограничивает применение схемы однополупериодного выпрямителя на практике: схема работает только с положительной полуволной напряжения. Отрицательное напряжение напрочь отсекает и ток при этом не течет. «Ну и что?», скажете вы, «Такой мощности мне будет достаточно!». Но нет, если такой выпрямитель стоит после трансформатора, то ток будет протекать только в одну сторону через обмотки трансформатора и, таким образом, трансформаторное железо будет дополнительно подмагничиваться. Трансформатор может войти в насыщение и греться намного больше положенного.

Двухполупериодные выпрямители этого недостатка лишены, но им необходим средний вывод обмотки трансформатора. Здесь при положительной полярности переменного напряжения открыт верхний диод, а при отрицательной – нижний. КПД трансформатора используется не полностью.

Мостовые схемы лишены обоих недостатков. Но теперь на пути тока включены два диода в любой момент времени: прямой диод и обратный. Падение напряжения на диодах удваивается и составляет не 0,65-1В, а в среднем 1,3-2В. С учетом этого падения считается выпрямленное напряжение.

Например, нам надо получить 18 вольт выпрямленного напряжения, какой трансформатор для этого выбрать? 18 вольт плюс падение на диодах, возьмем среднее 1,4 В, равно 19,4 В. Мы знаем из

предыдущей статьи

, что амплитудное значение переменного напряжения в корень из 2 раз больше его действующего значения. Поэтому во вторичной цепи трансформатора переменное действующее напряжение равно 19,4 / 1,41 = 13,75В. С учетом того, что напряжение в сети может гулять на 10%, а также под нагрузкой напряжение немного просядет, выберем трансформатор 230/15 В.

Мощность требуемого нам трансформатора можно посчитать от тока нагрузки. Например, мы собираемся подключать к трансформатору нагрузку в один ампер. Это если с запасом. Всегда оставляйте небольшой запас, в 20-40%. Просто по формуле мощности можно найти P = U * I = 15 * 1 = 15 ВА, где U и I – напряжение и ток вторичной обмотки. Если вторичных обмоток несколько, то их мощности складываются. Плюс потери на трансформацию, плюс запас, поэтому выберем трансформатор 20-40 ВА. Хотя часто трансформаторы продаются с указанием тока вторичных обмоток, но проверить по габаритной мощности не помешает.

После выпрямительного моста необходим сглаживающий конденсатор, на рисунке не показан. Не забывайте про него! Есть умные формулы по расчету этого конденсатора в зависимости от количества пульсаций, но порекомендую такое правило: ставить конденсатор 10000мкФ на один ампер потребления тока. Вольтаж конденсатора не меньше, чем выпрямленное без нагрузки напряжение. В данном примере можно взять конденсатор с номиналом 25В.

Диоды в этой схеме выберем на ток >=1А и обратное напряжение, с запасом, больше 19,4 В, например, 50-1000 В. Можно применить диоды Шоттки. Это те же диоды, только с очень маленьким падением напряжения, которое часто составляет десятки милливольт. Но недостаток диодов Шоттки – их не выпускают на более-менее высокие напряжения, больше 100В. Точнее с недавнего времени выпускают, но их стоимость заоблачная, а плюсы уже не так очевидны.

Светодиод

Внутри устроен совсем по другому, чем диод, но имеет те же самые свойства. Только еще и светится при протекании тока в прямом направлении.

Все отличие от диода в некоторых характеристиках. Самое важное – прямое падение напряжения. Оно гораздо больше, чем 0,65 В у обычного диода и зависит в основном от цвета светодиода. Начиная от красного, падение напряжения которого составляет в среднем 1,8 В, и заканчивая белым или синим светодиодом, падение у которых около 3,5 В. Впрочем, у невидимого спектра эти значения шире.

По сути падение напряжения здесь – минимальное напряжение зажигания диода. При меньшем напряжении, у источника питания, тока не будет и диод просто не загорится. У мощных осветительных светодиодов падение напряжения может составлять десятки вольт, но это значит лишь, что внутри кристалла много последовательно-параллельных сборок диодов.

Но сейчас поговорим об индикаторных светодиодах, как наиболее простых. Их выпускают в различных корпусах, наиболее часто в полуокруглых, диаметром 3, 5, 10 мм.

Любой диод светится в зависимости от протекающего тока. По сути это токовый прибор. Падение напряжения получается автоматически. Ток мы задаем сами. Современные индикаторные диоды более-менее начинают светиться при токе 1 мА, а при 10 мА уже выжигают глаза. Для мощных осветительных диодов надо смотреть документацию.

Применение светодиода

Имея лишь соответствующий резистор можно задать нужный ток через диод. Конечно, понадобится еще и блок питания постоянного напряжения, например, батарейка 4,5 В или любой другой БП.

Например, зададим ток 1мА через красный светодиод с падением напряжения 1,8 В.

На схеме показаны узловые потенциалы, т.е. напряжения относительно нуля. В каком направлении включать светодиод нам подскажет лучше всего мультиметр в режиме прозвонки, поскольку иногда попадаются напрочь китайские светодиоды с перепутанными ногами. При касании щупов мультиметра, в правильном направлении, светодиод должен слабо светиться.

Поскольку применен красный светодиод, то на резисторе упадет 4,5 — 1,8 = 2,7В. Это известно по второму закону Кирхгофа: сумма падений напряжения на последовательных участках схемы равно ЭДС батарейки, т.е. 2,7 + 1,8 = 4,5В. Чтобы ограничить ток в 1мА, резистор по закону Ома должен обладать сопротивлением R = U / I = 2,7 / 0,001 = 2700 Ом, где U и I – напряжение на резисторе и необходимый нам ток. Не забываем переводить величины в единицы СИ, в амперы и вольты. Поскольку выпускаемые номиналы сопротивлений стандартизованы выберем ближайший стандартный номинал 3,3кОм. Конечно, при этом ток изменится и его можно пересчитать по закону Ома I = U / R. Но зачастую это не принципиально.

В этом примере ток, отдаваемый батарейкой, мал, так что внутренним сопротивлением батареи можно пренебречь.

С осветительными светодиодами все тоже самое, только токи и напряжения выше. Но иногда им уже не требуется резистор, надо смотреть документацию.

Что-то еще про светодиод

По сути, светить – это основное назначение светодиода. Но есть и другое применение. Например, светодиод может выступать в качестве источника опорного напряжения. Они необходимы, например, для получения источников тока. В качестве источников опорного напряжения, как менее шумные, применяют красные светодиоды. Их включают в схему так же, как и в предыдущем примере. Поскольку напряжение батарейки относительно постоянное, ток через резистор и светодиод тоже постоянный, поэтому падение напряжения остается постоянным. От анода светодиода, где 1,8В, делается отвод и используется это опорное напряжение в других участках схемы.

Для более надежной стабилизации тока на светодиоде, при пульсирующем напряжении источника питания, вместо резистора в схему ставят источник тока. Но источники тока и источники опорного напряжения – это тема еще одной статьи. Возможно, когда-нибудь я ее напишу.

Стабилитрон

В английской литературе стабилитрон называется Zener diode. Все тоже самое, что и диод, в прямом включении. Но сейчас поговорим только про обратное включение. В обратном включении под действием определенного напряжения на стабилитроне возникает обратимый пробой, т.е. начинает течь ток. Этот пробой полностью штатный и рабочий режим стабилитрона, в отличие от диода, где при достижении номинального обратного напряжения диод просто выходил из строя. При этом, ток через стабилитрон в режиме пробоя может меняться, а падение напряжение на стабилитроне остается практически неизменным.

Что нам это дает? По сути это маломощный стабилизатор напряжения. Стабилитрон имеет все те же характеристики, что и диод, плюс добавляется так же напряжение стабилизации Uст или nominal zener voltage. Оно указывается при определенном токе стабилизации Iст или test current. Также в документации на стабилитроны указываются минимальный и максимальный ток стабилизации. При изменении тока от минимального до максимального, напряжение стабилизации несколько плавает, но незначительно. См. вольт-амперные характеристики.

Рабочая зона стабилитрона обозначена зеленым цветом. На рисунке видно, что напряжение на рабочей зоне практически неизменно, при широком диапазоне изменения тока через стабилитрон.

Чтобы выйти на рабочую зону, нам надо установить ток стабилитрона между [Iст. min – Iст. max] с помощью резистора точно так же, как это делалось в примере со светодиодом (кстати, можно также с помощью источника тока). Только, в отличие от светодиода, стабилитрон включен в обратном направлении.

При меньшем токе, чем Iст. min стабилитрон не откроется, а при большем, чем Iст. max – возникнет необратимый тепловой пробой, т.е. стабилитрон просто сгорит.

Расчёт стабилитрона

Рассмотрим на примере нашего рассчитанного трансформаторного БП. У нас есть блок питания, выдающий минимум 18 В (по сути там больше, из-за трансформатора 230/15 В, лучше мерить в реальной схеме, но суть сейчас не в этом), способный отдавать ток 1 А. Нужно запитать нагрузку с максимальным потреблением 50 мА стабилизированным напряжением 15 В (например, пусть это будет какой-нибудь абстрактный операционный усилитель – ОУ, у них примерно такое потребление).

Такая слабая нагрузка выбрана неспроста. Стабилитроны довольно маломощные стабилизаторы. Они должны проектироваться так, чтобы через них мог проходить без перегрева весь ток нагрузки плюс минимальный ток стабилизации Iст. min. Это необходимо, потому что ток после резистора R1 делится между стабилитроном и нагрузкой. В нагрузке ток может быть непостоянным, либо нагрузка может выключаться из схемы совсем. По сути это параллельный стабилизатор, т.е. весь ток, который не уйдет в нагрузку, примет на себя стабилитрон. Это как первый закон Кирхгофа I = I1 + I2, только здесь I = Iнагр + Iст. min.

Итак, выберем стабилитрон с напряжением стабилизации 15 В. Для установки тока через стабилитрон всегда необходим резистор (или источник тока). На резисторе R1 упадет 18 – 15 = 3 В. Через резистор R1 будет протекать ток Iнагр. + Iст. min. Примем Iст. min = 5 мА, это примерно достаточный ток для всех стабилитронов с напряжением стабилизации до 100 В. Выше 100 В можно принимать 1мА и меньше. Можно взять Iст. min и больше, но это только будет бесполезно греть стабилитрон.

Итак, через R1 течет Ir1 = Iнагр. + Iст. min = 50 + 5 = 55 мА. По закону Ома находим сопротивление R1 = U / I = 3 / 0,055 = 54,5 Ом, где U и I – напряжение на резисторе и ток через резистор. Выберем из ближайшего стандартного ряда сопротивление 47 Ом, будет чуть больше ток через стабилитрон, но ничего страшного. Его даже можно посчитать, общий ток: Ir1 = U / R = 3 / 47 = 0,063А, далее минимальный ток стабилитрона: 63 — 50 = 13 мА. Мощность резистора R1: P = U * I = 3 * 0,063 = 0,189 Вт. Выберем стандартный резистор на 0,5 Вт. Советую, кстати, не превышать мощность резисторов примерно Pmax/2, дольше проживут.

На стабилитроне тоже рассеивается мощность в виде тепла, при этом в самом худшем случае она будет равна P = Uст * (Iнагр + Iст.) = 15 * (0,050 + 0,013) = 0,945 Вт. Стабилитроны выпускают на разную мощность, ближайшая 1Вт, но тогда температура корпуса при потреблении около 1Вт будет где-то 125 градусов С, лучше взять с запасом, на 3 Вт. Стабилитроны выпускают на 0,25, 0,5, 1, 3, 5 Вт и т.д.

Первый же запрос в гугле «стабилитрон 3Вт 15В» выдал 1N5929BG. Далее ищем «datasheet 1N5929BG». По даташиту у него минимальный ток стабилизации 0,25 мА, что меньше 13 мА, а максимальный ток 100 мА, что больше 63 мА, т.е. укладывается в его рабочий режим, поэтому он нам подходит.

В общем-то, это весь расчёт. Да, стабилизатор это неидеальный, внутреннее сопротивление у него не нулевое, но он простой и дешевый и работает гарантировано в указанном диапазоне токов. А также поскольку это параллельный стабилизатор, то ток блока питания будет постоянным. Более мощные стабилизаторы можно получить, умощнив стабилитрон транзистором, но это уже тема следующей статьи, про транзисторы.

Проверить стабилитрон на пробой обычным мультиметром, как правило, нельзя. При более-менее высоковольтном стабилитроне просто не хватит напряжения на щупах. Единственное, что удастся сделать, это прозвонить его на наличие обычной диодной проводимости в прямом направлении. Но это косвенно гарантирует работоспособность прибора.

Еще стабилитроны можно использовать как источники опорного напряжения, но они шумные. Для этих целей выпускают специальные малошумящие стабилитроны, но их цена в моем понимании зашкаливает за кусочек кремния, лучше немного добавить и купить интегральный источник с лучшими параметрами.

Также существует много полупроводниковых приборов, похожих на диод: тиристор (управляемый диод), симистор (симметричный тиристор), динистор (открываемый импульсно только по достижении определенного напряжения), варикап (с изменяемой емкостью), что-то еще. Первые вам понадобятся в силовой электронике при постройки управляемых выпрямителей или регуляторов активной нагрузки. А с последними я уже лет 10 не сталкивался, поэтому оставляю эту тему для самостоятельного чтения в вики, хотя бы про тиристор.

Как видно на схеме, это практически предыдущий вариант, но уже задействован синий провод REM магнитолы и пара диодов. Для тех, кто не в теме поясню: Диод это такая деталька, которая пропускает электрический ток только в одну сторону. Если допустим через диод подключить к батарейке лампочку, то при одной полярности лампочка будет гореть, а если полярность сменить то лампочка потухнет. Объяснение очень грубое, нюансов там своя гора, но тонкости все нам и нафиг не упали. Этого достаточно) Для схемы подойдут любые малогабаритные диоды способные работать с напряжением 15 вольт и более и током до 0.1 ампер. На схеме диоды обозначаются как стрелочка с чертой. Стрелочка обозначает в какую сторону диод пропустит ток. На самом диоде носик стрелки подкрашивается полоской, либо прям на диоде нарисована стрелка. На схеме рядом с символом диода пририсовал фотки диодов с соответствующим схеме расположением для удобства. Пара слов о том, как работает схемка: При повороте ключа в замке, ток потечет от замка через диод на конаткт АСС магнитолы. Соответственно она запустится и подаст напряжение на свой провод REM, с помощью которого мы обычно управляем усилителями. С REM провода ток потечет через второй диод снова на контакт АСС магнитолы. Таким образом магнитола сама себя будет поддерживать во включенном состоянии и ей уже будет без разницы есть напряжение от замка зажигания или нет. Диоды в схеме служат для того, чтобы ток не пошел от замка в REM контакт и от REM в замок. Данная схема уже позволит слушать магнитолу с заглушенным движком. Достаточно будет всего лишь запустить ее с повернутым ключом. Минус такого подключения в том, что вы можете просто забыть магнитолу включенной и она сожрет аккум. Ну и магнитола не сможет запуститься автоматически при повороте ключа. Каждый раз придется ее тыкать руками. Следующие три схемы это разные вариации исполнения одной и той же идеи. Во всех трех схемах мы задействуем блок управления центральным замком сигнализации.

Password recovery

Восстановите свой пароль

Ваш адрес электронной почты

Пароль будет выслан Вам по электронной почте.

определение, особенности, схема и применение

Всем привет!

В этой статье мы разберём принцип работы такого полупроводникового прибора, как ДИОД.

Начнём по порядку.

Итак,

диод – это, который, говоря по простому, одной стороной (в прямом направлении) пропускает ток хорошо, а другой (т.е. в обратном направлении) плохо. Диод имеет два вывода: положительный – анод и отрицательный – катод.

Скажу сразу, что в конструкции практически каждого (99,99%) электронного прибора присутствует диод или диоды.

Используется этот полупроводниковый прибор в качестве выпрямителя. Например, при помощи диодного моста, который состоит из четырёх диодов, можно выпрямить переменный ток и он станет постоянным. Если использовать шесть диодов, то можно трёхфазовое напряжение превратить в однофазовое. Применяются диоды в блоках питания, в различных аудио и видео устройствах, телефонов и ещё много где.

Если подключить диод к источнику питания, то напряжение на выходе буде отличаться от первоначального в меньшую сторону на 0,5…0,7 В. Для меньшего спада напряжения используют диоды Шоттки, в этом случае спад напряжения будет примерно на 0,1 В.

Устройство диода показана на рисунке ниже:

1 – кристалл, 2 – токопроводы (выводы), 3 – электроды, 4 – плоскость p-n перехода .

Кристаллы диодов делают, в основном, из кремния или германия. Одна область кристалла имеет электропроводимость p-типа (дырочная, имеет искусственно созданный недостаток электронов), другая содержит избыток электронов и имеет электропроводимость n-типа. Граница между областями называется p-n переходом. В латинском языке на букву p начинается слово «позитив», а на букву n – слово «негатив». Прямым включением диода, называется подключение к аноду положительного напряжения, а к катоду – отрицательное. В таком подключении диод открыт. Если подключить наоборот, то тогда диод будет закрыт и пропускать ток не будет. Такое подключение называется «обратным». Обратное сопротивление у диода очень велико, в схемах его применяют как изолятор (или диэлектрик).

Понаблюдать за

работой диода можно так.

Нужно взять источник питания, лампу накаливания и, собственно, диод. Собираем простую схему:

«плюс» источника питания подключаем к аноду диода, «минус» к одному выводу лампы. Катод диода подключаем ко второму выводу лампы. В таком «прямом» подключении лампа будет светиться. Теперь перевернём диод, т.е. сделаем «обратное» подключение. В таком подключении лампа светиться не будет, так как переход закрыт.

Д иод — самый простейший по устройству в славном семействе полупроводниковых приборов. Если взять пластинку полупроводника, например германия, и в его левую половину ввести акцепторную примесь, а в правую донорную, то с одной стороны получится полупроводник типа P, соответственно с другой типа N. В середине кристалла получится, так называемый P-N переход , как показано на рисунке 1.

На этом же рисунке показано условное графическое обозначение диода на схемах: вывод катода (отрицательный электрод) очень похож на знак «-». Так проще запомнить.

Всего в таком кристалле две зоны с различной проводимостью, от которых выходят два вывода, поэтому полученный прибор получил название диод , поскольку приставка «ди» означает два.

В данном случае диод получился полупроводниковый, но подобные устройства были известны и раньше: например в эпоху электронных ламп был ламповый диод, называвшийся кенотрон. Сейчас такие диоды ушли в историю, хотя приверженцы «лампового» звука считают, что в ламповом усилителе даже выпрямитель анодного напряжения должен быть ламповым!

Рисунок 1. Строение диода и обозначение диода на схеме

На стыке полупроводников с P и N проводимостями получается P-N переход (P-N junction) , который является основой всех полупроводниковых приборов. Но в отличии от диода, у которого этот переход лишь один, имеют два P-N перехода, а, например, состоят сразу из четырех переходов.

P-N переход в состоянии покоя

Даже если P-N переход, в данном случае диод, никуда не подключен, все равно внутри него происходят интересные физические процессы, которые показаны на рисунке 2.

Рисунок 2. Диод в состоянии покоя

В области N имеется избыток электронов, она несет в себе отрицательный заряд, а в области P заряд положительный. Вместе эти заряды образуют электрическое поле. Поскольку разноименные заряды имеют свойство притягиваться, электроны из зоны N проникают в положительно заряженную зону P, заполняя собой некоторые дырки. В результате такого движения внутри полупроводника возникает, хоть и очень маленький (единицы наноампер), но все-таки ток.

В результате такого движения возрастает плотность вещества на стороне P, но до определенного предела. Частицы обычно стремятся распространяться равномерно по всему объему вещества, подобно тому, как запах духов распространяется на всю комнату (диффузия), поэтому, рано или поздно, электроны возвращаются обратно в зону N.

Если для большинства потребителей электроэнергии направление тока роли не играет, — лампочка светится, плитка греется, то для диода направление тока играет огромную роль. Основная функция диода проводить ток в одном направлении. Именно это свойство и обеспечивается P-N переходом.

Включение диода в обратном направлении

Если к полупроводниковому диоду подключить источник питания, как показано на рисунке 3, то ток через P-N переход не пройдет.

Рисунок 3. Обратное включение диода

Как видно на рисунке, к области N подключен положительный полюс источника питания, а к области P — отрицательный. В результате электроны из области N устремляются к положительному полюсу источника. В свою очередь положительные заряды (дырки) в области P притягиваются отрицательным полюсом источника питания. Поэтому в области P-N перехода, как видно на рисунке, образуется пустота, ток проводить просто нечем, нет носителей заряда.

При увеличении напряжения источника питания электроны и дырки все сильней притягиваются электрическим полем батарейки, в области же P-N перехода носителей заряда остается все меньше. Поэтому в обратном включении ток через диод не идет. В таких случаях принято говорить, что полупроводниковый диод заперт обратным напряжением.

Увеличение плотности вещества около полюсов батареи приводит к возникновению диффузии , — стремлению к равномерному распределению вещества по всему объему. Что и происходит при отключении элемента питания.

Обратный ток полупроводникового диода

Вот здесь как раз и настало время вспомнить о неосновных носителях, которые были условно забыты. Дело в том, что даже в закрытом состоянии через диод проходит незначительный ток, называемый обратным. Этот обратный ток и создается неосновными носителями, которые могут двигаться точно так же, как основные, только в обратном направлении. Естественно, что такое движение происходит при обратном напряжении. Обратный ток, как правило, невелик, что обусловлено незначительным количеством неосновных носителей.

С повышением температуры кристалла количество неосновных носителей увеличивается, что приводит к возрастанию обратного тока, что может привести к разрушению P-N перехода. Поэтому рабочие температуры для полупроводниковых приборов, — диодов, транзисторов, микросхем ограничены. Чтобы не допускать перегрева мощные диоды и транзисторы устанавливаются на теплоотводы — радиаторы .

Включение диода в прямом направлении

Показано на рисунке 4.

Рисунок 4. Прямое включение диода

Теперь изменим полярность включения источника: минус подключим к области N (катоду), а плюс к области P (аноду). При таком включении в области N электроны будут отталкиваться от минуса батареи, и двигаться в сторону P-N перехода. В области P произойдет отталкивание положительно заряженных дырок от плюсового вывода батареи. Электроны и дырки устремляются навстречу друг другу.

Заряженные частицы с разной полярностью собираются около P-N перехода, между ними возникает электрическое поле. Поэтому электроны преодолевают P-N переход и продолжают движение через зону P. При этом часть из них рекомбинирует с дырками, но большая часть устремляется к плюсу батарейки, через диод пошел ток Id.

Этот ток называется прямым током . Он ограничивается техническими данными диода, некоторым максимальным значением. Если это значение будет превышено, то возникает опасность выхода диода из строя. Следует, однако, заметить, что направление прямого тока на рисунке совпадает с общепринятым, обратным движению электронов.

Можно также сказать, что при прямом направлении включения электрическое сопротивление диода сравнительно небольшое. При обратном включении это сопротивление будет во много раз больше, ток через полупроводниковый диод не идет (незначительный обратный ток здесь в расчет не принимается). Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что диод ведет себя подобно обычному механическому вентилю: повернул в одну сторону — вода течет, повернул в другую — поток прекратился . За это свойство диод получил название полупроводникового вентиля .

Чтобы детально разобраться во всех способностях и свойствах полупроводникового диода, следует познакомиться с его вольт — амперной характеристикой . Также неплохо узнать о различных конструкциях диодов и частотных свойствах, о достоинствах и недостатках. Об этом будет рассказано в следующей статье.

Что такое диод? Для того чтобы ответить на этот вопрос, надо копнуть вглубь, в самое начало, а именно, с чего начинается полупроводник.

Вступление из теории

Проводник

Попробуем представить себе кусок материала проводника, например, меди. Чем он характеризуется: в нем есть свободные носители заряда – электроны. Причем таких отрицательных частиц в нем очень много.

Если на эту область подать плюс, то все эти отрицательные элементы устремятся к нему, то есть потечет ток через медь. Это известный факт, поэтому в качестве токопроводящих материалов применяют именно медь. К проводникам также относятся такие элементы периодической таблицы Менделеева, как алюминий, железо, золото и многие другие.

Диэлектрик

Диэлектрик – это материал, который свободных носителей заряда не имеет и, следовательно, ток не проводит.

Полупроводник

Полупроводник – это и металл, и неметалл. Материал, который и проводит ток, и не проводит. В нем мало свободных носителей заряда. Типичными полупроводниками являются кремний, германий.

Что такое диод

Кремний является четырехвалентным элементом. Чтобы его превратить в проводник, к нему подмешивают пятивалентный мышьяк. В результате этого соединения появляются лишние электроны, то есть свободные носители заряда. А если добавить к кремнию трехвалентный индий, в материале появятся позитроны, частицы с нехваткой электрона. Из таких областей и состоит диод.

Полученная структура называется PN элементом или PN-переходом. P – позитивная часть, N – негативная. Одна часть материала обогащена плюсовыми позитронами, другая – минусовыми электронами.

Как работает диод

Можно физически сами диоды не видеть, но результат их действия окружает нас повсюду. Эти устройства позволяют управлять потоком тока в указанном направлении. Существует много различных вариантов исполнения диодов. В каких случаях это бывает необходимо? Ниже будут рассмотрены примеры и в некоторой степени принцип работы полупроводниковых диодов.

Если добавить две металлические обкладки к P и N рабочим областям материала, то получатся электроды анод и катод. Схема подключения электродов к источнику может работать следующим образом:

• подача напряжения с батарейки к электроду N обеспечивает притяжение позитронов, соответственно к P электроду – электронов;
• отсутствие напряжения все возвращает в исходное состояние;
• смена полярности подаваемого напряжения обеспечивает притяжение электронов в обратном направлении к плюсовой пластине, а позитронов – к минусовой.

В последнем случае избыточные заряды скапливаются на металлических обкладках, тогда как в центре самого материала образуется мертвая изолирующая зона. Таким образом, центральный участок материала становится диэлектриком. В таком направлении устройство не пропускает ток.

Для информации. Слово происходит от di (double) + -ode. Определение терминов катод и анод диода, относящихся к контактам, известно каждому человеку. Катод – отрицательный электрод, анод – положительный. Если подать на анод плюс, а на катод – минус, то диод откроется, и электроток по нему потечет.

Таким образом, диод – это устройство, которое имеет два электрода: катод и анод. Простое нелинейное электронное устройство, состоящее из двух разных полупроводников. Как устроен диод, хорошо видно на изображении.

Диоды – это полупроводники, состоящие из областей P и N. Благодаря свойствам PN-перехода диод проводит ток только в одном направлении. Таков принцип действия этих устройств. Для чего нужны они?

Назначение диодов

Диоды бывают различного исполнения: от громоздких советских до миниатюрных современных. Может устройство быть одной и той же мощности, но из-за времени выпуска различаться по габаритам. Диоды на большой ток нуждаются в охлаждении, поэтому производятся с креплением под радиатор. Соответственно, устройства без радиатора рассчитаны на малый ток.

Применение диодов

Устройства диодов могут быть ориентированы на ограничение или приостановление движения тока. Чрезвычайно распространенным приложением является его использование в качестве выпрямителя.

Выпрямители

Поскольку диод позволяет току течь лишь в одном направлении, то переменный ток проходит через диод только положительную или отрицательную часть напряжения синусоидальной волны. Это означает, что можно эффективно преобразовывать переменный ток в постоянный ток, применяя диоды, расположенные в виде полноволнового выпрямителя.

Например, имеется источник переменного тока. На выходе из него в цепь поставлен диод, через который подключена нагрузка. Что получится? Если источник дает синусоиду, то на выходе диода пройдет только положительная полуволна. И так до следующей полуволны. Но если развернуть диод другой стороной, то на выходе получится отрицательная полуволна, то есть устройство пропускает ток только в одном направлении.

Если поставить на место диода мост, состоящий из четырех диодов, то на выходе будет сигнал в форме полуволн, напоминающих верблюжий горб. Полуволны будут развернуты все в одном направлении. При установке после диодов дополнительного конденсатора получатся те же полуволны, только сглаженные.

Варикапы

Графический значок варикапа очень напоминает условное изображение полупроводникового диода. Варикап – это и есть обыкновенный диод. Работа устройства основана на зависимости барьерной ёмкости p-n-перехода от обратного напряжения. Если напряжение подается маленькое, емкость получается большая, если подается большое напряжение – емкость становится маленькой. Реально варикапы изменяют свою емкость в несколько раз (до 7 раз).

Стабилитроны

Стабилитрон – это полупроводниковый диод, работающий при обратном смещении в режиме пробоя. Выбирают стабилитрон с большим запасом рассеиваемой мощности, потому что он постоянно работает в режиме пробоя. Основное назначение стабилитронов – стабилизация напряжения.

Основной целью стабилизатора напряжения является поддержание постоянного напряжения на нагрузке, независимо от изменений входного напряжения и тока нагрузки. При изменяющихся условиях тока нагрузки стабилитрон может использоваться для получения стабилизированного выходного напряжения. Это основная причина использования стабилитрона в качестве стабилизатора напряжения.

Диоды Шоттки

Диод Шоттки – это низковольтное устройство, в котором используются в качестве электродов металл и обогащенный электронами полупроводник. Напряжение такого диода составляет примерно 0,2-0,4 В, в сравнение с обычным диодом эта величина в два раза меньше.

Зона применения диода Шоттки ограниченная, поскольку он не может работать без стабилитрона. В основном диоды Шоттки используются в устройствах, работающих в низковольтных цепях при обратном напряжении порядка единиц и нескольких десятков вольт.

Светодиоды

Светоизлучающие диоды в настоящее время широко применяются в качестве диодных блоков легких энергосберегающих лампочек. Они становятся незаменимыми для жизни людей, поскольку способствуют снижению возрастающих цен на электроэнергию.

Для информации. Мигающие светодиоды часто применяют в различных сигнальных цепях, для украшения домашнего интерьера. Существуют схемы, с помощью которых можно заставить мигать светодиоды. Сделать мигающие светодиоды – вполне выполнимая задача.

Диод это — полупроводниковый прибор, который пропускает электрический ток только в одном направлении. Это очень краткое описание свойства диода и его работы и самое точное. Теперь давай разберемся подробнее, тем более, что с диода ты начинаешь свое знакомство с огромным семейством полупроводников. Что такое полупроводник? Из самого названия полупроводник, понятно, это проводящий на половину. В конкретном случае диод пропускает электрический ток только в одну сторону и не пропускает его в обратном направлении. Работает как система ниппель или золотник в камере автомобиля или велосипеда. Воздух, нагнетаемый насосом через золотник или ниппель поступает в камеру автомобиля и не выходит обратно за счет запирания его золотником. На рисунке изображен диод так как его обозначают на электрических схемах.

В соответствии с рисунком, треугольник (анод) показывает в какую сторону проходит электрический ток от плюса к минусу диод будет «открыт», соответственно со стороны вертикальной полосы (катода) диод будет «заперт».

Это свойство диода используется для преобразования переменного тока в постоянный для этого из диодов собирается диодный мост .

Диодный мост

Как работает диодный мост. На следующем рисунке изображена принципиальная схема диодного моста. Обрати внимание, что на вход диодного моста подается переменный ток, на выходе уже получаем постоянный ток. Теперь давай разберемся как происходит преобразование переменного тока в постоянный.

Если ты читал мою статью “Что такое переменный ток” ты должен помнить, что переменный ток меняет свое направление с определенной частотой. Проще говоря, на входных клеммах диодного моста, плюс с минусом будут меняться местами с частотой сети (в России эта частота составляет 50 Герц), значит (+) и (-) меняются местами 50 раз в секунду. Допустим в первом цикле на клемме “А” будет положительный потенциал (+) на клемме “Б”отрицательный (-) . Плюс от клеммы “А” может пройти только в одном направлении по красной стрелке, через диод “Д1” на выходную клемму со знаком (+) и далее через резистор (R1) через диод “Д3” на минус клеммы “Б”. В следующем цикле когда плюс и минус поменяются местами, все произойдет с точностью до наоборот. Плюс с клеммы “Б” через диод “Д2” пройдет на выходную клемму со знаком (+) и далее через резистор (R1) через диод “Д4” на минус клеммы “А”. Таким образом получаем на входе выпрямителя постоянный электрический ток который движется только в одном направлении от плюса к минусу (как в обычной батарейке). Этот способ преобразования переменного тока в постоянный используется во всех электронных устройствах которые питаются от электрической сети 220Вольт. Кроме диодных мостов собранных из отдельных диодов применяют электронные компоненты в которых для удобства монтажа выпрямительные диоды заключены в один компактный корпус. Такое устройство называют “диодная сборка” .

Диоды бывают не только выпрямительные. Есть диоды проводимость которых зависит от освещенности их называют “фотодиоды” обозначаются они так —

Выглядеть могут так —

Светодиоды, тебе хорошо известны, они встречаются и в елочной гирлянде и в мощных прожекторах и фарах автомобилей. Н схеме они обозначаются так —

Выглядят светодиоды так —

Как проверить диод

Проверить диод можно обычным мультиметром — как пользоваться мультиметром в этой статье , для проверки переключаем тестер в режим прозвонки . Подключаем щупы прибора к электродам диода, черный щуп к катоду

(на корпусах современных диодах катод обозначен кольцевой меткой), красный щуп подключаем к аноду (как ты уже знаешь диод пропускают напряжение только в одну сторону) сопротивление диода будет маленьким т.е. цифры на приборе будут иметь значение большое значение.

Переключаем щупы прибора наоборот —

Сопротивление будет очень большим практически бесконечным. Если у тебя все получится так как я написал, диод исправен, если в обоих случаях сопротивление очень большое значит “диод в обрыве” неисправен и не пропускает напряжение вообще, если сопротивление очень маленькое значит диод пробит и пропускает напряжение в обоих направлениях.

Как проверить диодный мост

Если диодный мост собран из отдельных диодов, каждый диод проверяют отдельно, как было описано выше. Выпаивать каждый диод из схемы не обязательно, но лучше отключить плюсовой или минусовой вывод выпрямителя от схемы.

Если нужно проверить диодную сборку, где диоды находятся в одно корпусе и добраться до них невозможно, поступаем следующим образом,

Подключаем один щуп мультимерта к плюсу диодной сборки, а вторым поочередно касаемся к выводам сборки куда подается переменный ток. В одном направлении прибор должен показать малое сопротивление при смене щупов в обратном направлении очень большое сопротивление. После чего также проверяем выпрямитель относительно минусового выхода. Если при измерении показания в обоих направления будут малыми или большими диодная сборка неисправна. Этот способ проверки применяют, когда проводится ремонт электроники .

Высокочастотные диоды, импульсные, туннельные, варикапы все эти диоды широко применяются в бытовой и специальной аппаратуре. Для того, чтобы понять и разобраться, как правильно применять и где какие использовать диоды, необходимо совершенствовать свои знания изучать специальную литературу и конечно не стесняться задавать вопросы.

– электронный прибор с двумя (иногда тремя) электродами, обладающий односторонней проводимостью. Электрод, подключенный к положительному полюсу прибора, называют анодом, к отрицательному – катодом. Если к прибору приложено прямое напряжение, то он находится в открытом состоянии, при котором сопротивление мало, а ток протекает беспрепятственно. Если прикладывается обратное напряжение, прибор, благодаря высокому сопротивлению, является закрытым. Обратный ток присутствует, но он настолько мал, что условно принимается равным нулю.

Общая классификация

Диоды делятся на большие группы – неполупроводниковые и полупроводниковые.

Неполупроводниковые

Одной из наиболее давних разновидностей являются ламповые (электровакуумные) диоды . Они представляют собой радиолампы с двумя электродами, один из которых нагревается нитью накала. В открытом состоянии с поверхности нагреваемого катода заряды движутся к аноду. При противоположном направлении поля прибор переходит в закрытую позицию и ток практически не пропускает.

Еще одни вид неполупроводниковых приборов – газонаполненные , из которых сегодня используются только модели с дуговым разрядом. Газотроны (приборы с термокатодами) наполняются инертными газами, ртутными парами или парами других металлов. Специальные оксидные аноды, используемые в газонаполненных диодах, способны выдерживать высокие нагрузки по току.

Полупроводниковые

В основе полупроводниковых приборов лежит принцип p-n перехода. Существует два типа полупроводников – p-типа и n-типа. Для полупроводников p-типа характерен избыток положительных зарядов, n-типа – избыток отрицательных зарядов (электронов). Если полупроводники этих двух типов находятся рядом, то возле разделяющей их границы располагаются две узкие заряженные области, которые называются p-n переходом. Такой прибор с двумя типами полупроводников с разной примесной проводимостью (или полупроводника и металла) и p-n-переходом называется полупроводниковым диодом . Именно полупроводниковые диодные устройства наиболее востребованы в современных аппаратах различного назначения. Для разных областей применения разработано множество модификаций таких приборов.

Полупроводниковые диоды

Виды диодов по размеру перехода

По размерам и характеру p-n перехода различают три вида приборов – плоскостные, точечные и микросплавные.

Плоскостные детали представляют одну полупроводниковую пластину, в которой имеются две области с различной примесной проводимостью. Наиболее популярны изделия из германия и кремния. Преимущества таких моделей – возможность эксплуатации при значительных прямых токах, в условиях высокой влажности. Из-за высокой барьерной емкости они могут работать только с низкими частотами. Их главные области применения – выпрямители переменного тока, устанавливаемые в блоках питания. Эти модели называются выпрямительными .

Точечные диоды имеют крайне малую площадь p-n перехода и приспособлены для работы с малыми токами. Называются высокочастотными, поскольку используются в основном для преобразования модулированных колебаний значительной частоты.

Микросплавные модели получают путем сплавления монокристаллов полупроводников p-типа и n-типа. По принципу действия такие приборы – плоскостные, но по характеристикам они аналогичны точечным.

Материалы для изготовления диодов

При производстве диодов используются кремний, германий, арсенид галлия, фосфид индия, селен. Наиболее распространенными являются первые три материала.

Очищенный кремний – относительно недорогой и простой в обработке материал, имеющий наиболее широкое распространение. Кремниевые диоды являются прекрасными моделями общего назначения. Их напряжение смещения – 0,7 В. В германиевых диодах эта величина составляет 0,3 В. Германий – более редкий и дорогой материал. Поэтому германиевые приборы используются в тех случаях, когда кремниевые устройства не могут эффективно справиться с технической задачей, например в маломощных и прецизионных электроцепях.

Виды диодов по частотному диапазону

По рабочей частоте диоды делятся на:

• Низкочастотные – до 1 кГц.
• Высокочастотные и сверхвысокочастотные – до 600 мГц. На таких частотах в основном используются устройства точечного исполнения. Емкость перехода должна быть невысокой – не более 1-2 пФ. Эффективны в широком диапазоне частот, в том числе низкочастотном, поэтому являются универсальными.
• Импульсные диоды используются в цепях, в которых принципиальным фактором является высокое быстродействие. По технологии изготовления такие модели разделяют на точечные, сплавные, сварные, диффузные.

Области применения диодов

Современные производители предлагают широкий ассортимент диодов, адаптированных для конкретных областей применения.

Выпрямительные диоды

Эти устройства служат для выпрямления синусоиды переменного тока. Их принцип действия основывается на свойстве устройства переходить в закрытое состояние при обратном смещении. В результате работы диодного прибора происходит срезание отрицательных полуволн синусоиды тока. По мощности рассеивания, которая зависит от наибольшего разрешенного прямого тока, выпрямительные диоды делят на три типа – маломощные, средней мощности, мощные.

• Слаботочные диоды могут использоваться в цепях, в которых величина тока не превышает 0,3 А. Изделия отличаются малой массой и компактными габаритами, поскольку их корпус изготавливается из полимерных материалов.
• Диоды средней мощности могут работать в диапазоне токов 0,3-10,0 А. В большинстве случаев они имеют металлический корпус и жесткие выводы. Производят их в основном из очищенного кремния. Со стороны катода изготавливается резьба для фиксации на теплоотводящем радиаторе.
• Мощные (силовые) диоды работают в цепях с током более 10 А. Их корпусы изготавливают из металлокерамики и металлостекла. Конструктивное исполнение – штыревое или таблеточное. Производители предлагают модели, рассчитанные на токи до 100 000 А и напряжение до 6 кВ. Изготавливаются в основном из кремния.

Диодные детекторы

Такие устройства получают комбинацией в схеме диодов с конденсаторами. Они предназначены для выделения низких частот из модулированных сигналов. Присутствуют в большинстве аппаратов бытового применения – радиоприемниках и телевизорах. В качестве детекторов излучения используются фотодиоды, преобразующие свет, попадающий на светочувствительную область, в электрический сигнал.

Ограничительные устройства

Защиту от перегруза обеспечивает цепочка из нескольких диодов, которые подключают к питающим шинам в обратном направлении. При соблюдении стандартного рабочего режима все диоды закрыты. Однако при выходе напряжения сверх допустимого назначения срабатывает один из защитных элементов.

Диодные переключатели

Переключатели, представляющие собой комбинацию диодов, которые применяются для мгновенного изменения высокочастотных сигналов. Такая система управляется постоянным электрическим током. Высокочастотный и управляющие сигналы разделяют с помощью конденсаторов и индуктивностей.

Диодная искрозащита

Эффективную искрозащиту создают с помощью комбинирования шунт-диодного барьера, ограничивающего напряжение, с токоограничительными резисторами.

Параметрические диоды

Используются в параметрических усилителях, которые являются подвидом резонансных регенеративных усилителей. Принцип работы основан на физическом эффекте, который заключается в том, что при поступлении на нелинейную емкость разночастотных сигналов часть мощности одного сигнала можно направить на рост мощности другого сигнала. Элементом, предназначенным для содержания нелинейной емкости, и является параметрический диод.

Смесительные диоды

Смесительные устройства используются для трансформации сверхвысокочастотных сигналов в сигналы промежуточной частоты. Трансформация сигналов осуществляется, благодаря нелинейности параметров смесительного диода. В качестве смесительных СВЧ-диодов используются приборы с барьером Шоттки, варикапы, обращенные диоды, диоды Мотта.

Умножительные диоды

Эти СВЧ устройства используются в умножителях частоты. Они могут работать в дециметровом, сантиметровом, миллиметровом диапазонах длин волн. Как правило, в качестве умножительных приборов используются кремниевые и арсенид-галлиевые устройства, часто – с эффектом Шоттки.

Настроечные диоды

Принцип работы настроечных диодов основан на зависимости барьерной емкости p-n перехода от величины обратного напряжения. В качестве настроечных используются приборы кремниевые и арсенид-галлиевые. Эти детали применяют в устройствах перестройки частоты в сверхчастотном диапазоне.

Генераторные диоды

Для генерации сигналов в сверхвысокочастотном диапазоне востребованы устройства двух основных типов – лавинно-пролетные и диоды Ганна. Некоторые генераторные диоды при условии включения в определенном режиме могут выполнять функции умножительных устройств.

Виды диодов по типу конструкции

Стабилитроны (диоды Зенера)

Эти устройства способны сохранять рабочие характеристики в режиме электрического пробоя. В низковольтных устройствах (напряжение до 5,7 В) используется туннельный пробой, в высоковольтных – лавинный. Стабилизацию невысоких напряжений обеспечивают стабисторы.

Стабисторы

Стабиистор, или нормистор, — это полупроводниковый диод, в котором для стабилизации напряжения используется прямая ветвь вольт-амперной характеристики (то есть в области прямого смещения напряжение на стабисторе слабо зависит от тока). Отличительной особенностью стабисторов по сравнению со стабилитронами является меньшее напряжение стабилизации (примерно 0,7-2 V).

Диоды Шоттки

Устройства, применяемые в качестве выпрямительных, умножительных, настроечных, работают на базе контакта металл-полупроводник. Конструктивно они представляют собой пластины из низкоомного кремния, на которые наносится высокоомная пленка с тем же типом проводимости. На пленку вакуумным способом напыляется металлический слой.

Варикапы

Варикапы выполняют функции емкости, величина которой меняется с изменением напряжения. Основная характеристика этого прибора – вольт-фарадная.

Туннельные диоды

Эти полупроводниковые диоды имеют падающий участок на вольтамперной характеристике, возникающий из-за туннельного эффекта. Модификация туннельного устройства – обращенный диод, в котором ветвь отрицательного сопротивления выражена мало или отсутствует. Обратная ветвь обращенного диода соответствует прямой ветви традиционного диодного устройства.

Тиристоры

В отличие от обычного диода, тиристор, кроме анода и катода, имеет третий управляющий электрод. Для этих моделей характерны два устойчивых состояния – открытое и закрытое. По устройству эти детали разделяют на динисторы, тринисторы, симисторы. При производстве этих изделий в основном используется кремний.

Симисторы

Симисторы (симметричные тиристоры) – это разновидность тиристора, используется для коммутации в цепях переменного тока. В отличие от тиристора, имеющего катод и анод, основные (силовые) выводы симистора называть катодом или анодом некорректно, так как в силу структуры симистора они являются тем и другим одновременно. Симистор остаётся открытым, пока протекающий через основные выводы ток превышает некоторую величину, называемую током удержания.

Динисторы

Динистором, или диодным тиристором, называется устройство, не содержащее управляющих электродов. Вместо этого они управляются напряжением, приложенным между основными электродами. Их основное применение – управление мощной нагрузкой при помощи слабых сигналов. Также динисторы используют при изготовлении переключающих устройств.

Диодные мосты

Это 4, 6 или 12 диодов, которые соединяются между собой. Число диодных элементов определяется типом схемы, которая бывает – однофазной, трехфазной, полно- или полумостовой. Мосты выполняют функцию выпрямления тока. Часто используются в автомобильных генераторах.

Фотодиоды

Предназначены для преобразования световой энергии в электрический сигнал. По принципу работы аналогичны солнечным батареям.

Светодиоды

Эти устройства при подключении к электрическому току излучают свет. Светодиоды, имеющие широкую цветовую гамму свечения и мощность, применяются в качестве индикаторов в различных приборах, излучателей света в оптронах, используются в мобильных телефонах для подсветки клавиатуры. Приборы высокой мощности востребованы в качестве современных источников света в фонарях.

Инфракрасные диоды

Это разновидность светодиодов, излучающая свет в инфракрасном диапазоне. Применяется в бескабельных линиях связи, КИП, аппаратах дистанционного управления, в камерах видеонаблюдения для обзора территории в ночное время суток. Инфракрасные излучающие устройства генерируют свет в диапазоне, который не доступен человеческому взгляду. Обнаружить его можно с помощью фотокамеры мобильного телефона.

Диоды Ганна

Эта разновидность сверхчастотных диодов изготавливается из полупроводникового материала со сложной структурой зоны проводимости. Обычно при производстве этих устройств используется арсенид галлия электронной проводимости. В этом приборе нет p-n перехода, то есть характеристики устройства являются собственными, а не возникающими на границе соединения двух разных полупроводников.

Магнитодиоды

В таких приборах ВАХ изменяется под действием магнитного поля. Устройства используются в бесконтактных кнопках, предназначенных для ввода информации, датчиках движения, приборах контроля и измерения неэлектрических величин.

Лазерные диоды

Эти устройства, имеющие сложную структуру кристалла и сложный принцип действия, дают редкую возможность генерировать лазерный луч в бытовых условиях. Благодаря высокой оптической мощности и широким функциональным возможностям, приборы эффективны в высокоточных измерительных приборах бытового, медицинского, научного применения.

Лавинные и лавинно-пролетные диоды

Принцип действия устройств заключается в лавинном размножении носителей заряда при обратном смещении p-n перехода и их преодолении пролетного пространства за определенный временной промежуток. В качестве исходных материалов используются арсенид галлия или кремний. Приборы в основном предназначаются для получения сверхвысокочастотных колебаний.

PIN-диоды

PIN-устройства между p- и n-областями имеют собственный нелегированный полупроводник (i-область). Широкая нелегированная область не позволяет использовать этот прибор в качестве выпрямителя. Однако зато PIN-диоды широко применяются в качестве смесительных, детекторных, параметрических, переключательных, ограничительных, настроечных, генераторных.

Триоды

Триоды – это электронные лампы. Он имеет три электрода: термоэлектронный катод (прямого или косвенного накала), анод и управляющую сетку. Сегодня триоды практически полностью вытеснены полупроводниковыми транзисторами. Исключение составляют области, где требуется преобразование сигналов с частотой порядка сотен МГц — ГГц высокой мощности при маленьком числе активных компонентов, а габариты и масса не имеют большого значения.

Маркировка диодов

Маркировка полупроводниковых диодных устройств включает цифры и буквы:

• Первая буква характеризует исходный материал. Например, К – кремний, Г – германий, А – арсенид галлия, И – фосфид индия.
• Вторая буква – класс или группа диода.
• Третий элемент, обычно цифровой, обозначает применение и электрические свойства модели.
• Четвертый элемент – буквенный (от А до Я), обозначающий вариант разработки.

Пример: КД202К – кремниевый выпрямительный диффузионный диод.

Была ли статья полезна?

Что вам не понравилось?

Диод и его использование при подключении концевиков

Ещё один элемент, который так же, как и реле, часто используется в установке автосигнализаций — диод.

Диод (от ди- и -од из слова электрод) — двухэлектродный электронный прибор, обладает различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока. Электрод диода, подключённый к положительному полюсу источника тока, когда диод открыт (то есть, имеет маленькое сопротивление), называют анодом, подключённый к отрицательному полюсу — катодом.

Диоды бывают электровакуумными (кенотроны), газонаполненными (газотроны, игнитроны, стабилитроны), полупроводниковыми и др. В настоящее время в подавляющем большинстве случаев применяются полупроводниковые диоды.

У нас при установке автосигнализаций тоже применяются полупроводниковые диоды.

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковые диоды используют свойство односторонней проводимости p-n перехода — контакта между полупроводниками с разным типом примесной проводимости, либо между полупроводником и металлом.

 

Полупроводниковые диоды — очень простые устройства. Кроме оценки силы тока диода, есть три основных вещи, которые вы должны держать в уме:
1. Катод (сторона с полосой)
2. Анод (сторона без полосы)
3. Диод пропускает «-» от катода к аноду (не пропускает «+») и «+» от анода к катоду (не пропускает «-»).

Подключение концевиков дверей с помощью диодов

Немного про использование диодов при подключении автосигнализации к электропроводке автомобиля написано в статье Поиск концевиков.

Встречаются автомобили, у которых нет общей точки концевиков дверей, т.е. все концевики развязаны. Для каждой двери свой концевик. Например, Honda некоторые, Ford, GM и т.д.

При подключении автосигнализации в таких автомобилях можно подцепиться к плафону в салоне и запрограммировать функцию вежливой подсветки, можно тупо все провода концевиков связать вместе.

Первый способ не всегда может пройти. Почему, написано в статье Поиск концевиков.

Второй способ может подойти, если при таком виде подключения не нарушится функциональность некоторых приборов автомобиля. Если у вас на автомобиле на приборной панели показывается открытие каждой двери отдельно — такой способ не подойдёт. Если после установки автосигнализации у вас при открытии любой двери, а не только водительской, начинает пищать зуммер, указывающий об оставленном ключе в замке зажигания, значит, был применён вышеприведенный способ подключения концевиков.

В таких автомобилях при подключении автосигнализации правильнее всего использовать диоды.

Ниже приведены примеры подключения автосигнализации с использованием диодов к отрицательным и положительным концевикам дверей.

Подключение отрицательных концевиков к автосигнализации при помощи диодов

Подключение положительных концевиков к автосигнализации при помощи диодов

Эти же схемы используются при подключении двух датчиков к одному входу (например, удара и наклонного).

Диоды могут использоваться и при установке хитрушек (смотрите в Cхемах хитрушек) и при других обстоятельствах (смотрите Подключение центрального замка в Toyota Harrier).

диодов — learn.sparkfun.com

Добавлено в избранное Любимый 63

Введение

После того, как вы перейдете от простых пассивных компонентов, таких как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности, пора перейти в удивительный мир полупроводников. Одним из наиболее широко используемых полупроводниковых компонентов является диод.

В этом уроке мы рассмотрим:

• Что такое диод !?
• Теория работы диодов
• Важные свойства диода
• Диоды разные
• Как выглядят диоды
• Типичные применения диодов

Рекомендуемая литература

Некоторые концепции в этом руководстве основаны на предыдущих знаниях в области электроники.Перед тем, как перейти к этому руководству, подумайте о том, чтобы сначала прочитать (хотя бы бегло просмотр) эти:

Что такое схема?

Каждый электрический проект начинается со схемы. Не знаю, что такое схема? Мы здесь, чтобы помочь.

Что такое электричество?

Мы можем видеть электричество в действии на наших компьютерах, освещающее наши дома, как удары молнии во время грозы, но что это такое? Это непростой вопрос, но этот урок прольет на него некоторый свет!

Как пользоваться мультиметром

Изучите основы использования мультиметра для измерения целостности цепи, напряжения, сопротивления и тока.

Хотите изучить различные диоды?

Мы вас прикрыли!

Комплект запчастей для начинающих SparkFun

В наличии КОМПЛЕКТ-13973

Комплект деталей для начинающих SparkFun — это небольшой контейнер с часто используемыми деталями, который дает вам все основные компоненты, которые вы…

12

---

Идеальные диоды

Ключевая функция диода ideal заключается в управлении направлением потока тока.Ток, проходящий через диод, может идти только в одном направлении, называемом прямым направлением. Ток, пытающийся течь в обратном направлении, заблокирован. Они похожи на односторонний клапан электроники.

Если напряжение на диоде отрицательное, ток не может течь *, и идеальный диод выглядит как разомкнутая цепь. В такой ситуации говорят, что диод от или с обратным смещением .

Пока напряжение на диоде не отрицательное, он «включается» и проводит ток.В идеале * диод будет действовать как короткое замыкание (0 В на нем), если он проводит ток. Когда диод проводит ток, он смещен в прямом направлении (жаргон электроники означает «включено»).

Соотношение тока и напряжения идеального диода. Любое отрицательное напряжение дает нулевой ток — разрыв цепи. Пока напряжение неотрицательно, диод выглядит как короткое замыкание.

Характеристики идеального диода
Режим работы	Вкл. (Смещение вперед)	Выкл.	В = 0	В
Диод выглядит как	Короткое замыкание	Обрыв цепи

Обозначение цепи

Каждый диод имеет две клеммы — соединения на каждом конце компонента — и эти клеммы имеют поляризацию , что означает, что эти две клеммы совершенно разные.Важно не перепутать соединения на диоде. Положительный конец диода называется анодом , а отрицательный конец называется катодом . Ток может течь от конца анода к катоду, но не в другом направлении. Если вы забыли, в каком направлении протекает ток через диод, попробуйте вспомнить мнемоническое обозначение ACID : «анодный ток в диоде» (также анодный катод — это диод ).

Обозначение цепи стандартного диода представляет собой треугольник, соприкасающийся с линией.Как мы расскажем позже в этом руководстве, существует множество типов диодов, но обычно их обозначение схемы будет выглядеть примерно так:

Вывод, входящий в плоский край треугольника, представляет собой анод. Ток течет в направлении, указанном треугольником / стрелкой, но не может идти в обратном направлении.

Выше приведены несколько простых примеров схем диодов. Слева диод D1 смещен в прямом направлении и пропускает ток через цепь. По сути это похоже на короткое замыкание.Справа диод D2 имеет обратное смещение. Ток не может течь по цепи, и она выглядит как разомкнутая цепь.

* Внимание! Звездочка! Не совсем так … К сожалению, идеального диода не существует. Но не волнуйтесь! Диоды действительно настоящие, у них просто есть несколько характеристик, которые заставляют их работать немного хуже, чем наша идеальная модель …

---

Реальные характеристики диода

В идеале , диоды будут блокировать любой ток, текущий в обратном направлении, или просто действовать как короткое замыкание, если ток идет вперед.К сожалению, реальное поведение диодов не совсем идеальное. Диоды действительно потребляют некоторое количество энергии при проведении прямого тока, и они не будут блокировать весь обратный ток. Реальные диоды немного сложнее, и все они имеют уникальные характеристики, которые определяют, как они на самом деле работают.

Взаимосвязь тока и напряжения

Наиболее важной характеристикой диода является его вольт-амперная зависимость ( i-v ). Это определяет ток, протекающий через компонент, с учетом того, какое напряжение на нем измеряется.Резисторы, например, имеют простую линейную зависимость i-v … Закон Ома. Кривая i-v диода, однако, не является линейной для . Выглядит это примерно так:

Вольт-амперная зависимость диода. Чтобы преувеличить несколько важных моментов на графике, масштабы как в положительной, так и в отрицательной половине не равны.

В зависимости от приложенного к нему напряжения диод будет работать в одном из трех регионов:

1. Прямое смещение : Когда напряжение на диоде положительное, диод включен, и ток может протекать через него.Напряжение должно быть больше прямого напряжения (V _F ), чтобы ток был значительным.
2. Обратное смещение : Это режим «выключения» диода, при котором напряжение меньше V _F , но больше -V _BR . В этом режиме ток (в основном) заблокирован, а диод выключен. Очень малый ток (порядка нА), называемый током обратного насыщения, может протекать через диод в обратном направлении.
3. Пробой : Когда напряжение, приложенное к диоду, очень большое и отрицательное, большой ток может течь в обратном направлении, от катода к аноду.

прямое напряжение

Чтобы «включиться» и провести ток в прямом направлении, диод требует приложения определенного количества положительного напряжения. Типичное напряжение, необходимое для включения диода, называется прямым напряжением (В _F ).Его также можно было бы называть либо напряжения включения , либо напряжения включения .

Как мы знаем из кривой i-v , сквозной ток и напряжение на диоде взаимозависимы. Больше тока означает большее напряжение, меньшее напряжение означает меньший ток. Однако, как только напряжение приближается к номинальному прямому напряжению, большое увеличение тока по-прежнему должно означать лишь очень небольшое увеличение напряжения. Если диод полностью проводящий, обычно можно предположить, что напряжение на нем соответствует номинальному прямому напряжению.

Мультиметр с настройкой диода можно использовать для измерения (минимального) прямого падения напряжения на диоде.

Конкретный диод V _F зависит от того, из какого полупроводникового материала он сделан. Обычно кремниевый диод имеет напряжение V _F около 0,6–1 В . Диод на основе германия может быть ниже, около 0,3 В. Тип диода также имеет некоторое значение для определения прямого падения напряжения; светоизлучающие диоды могут иметь гораздо больший V _F , в то время как диоды Шоттки разработаны специально, чтобы иметь гораздо более низкое, чем обычно, прямое напряжение.

Напряжение пробоя

Если к диоду приложить достаточно большое отрицательное напряжение, он поддастся и позволит току течь в обратном направлении. Это большое отрицательное напряжение называется напряжением пробоя . Некоторые диоды действительно предназначены для работы в области пробоя, но для большинства нормальных диодов не очень полезно подвергаться воздействию больших отрицательных напряжений.

Для обычных диодов это напряжение пробоя составляет от -50 В до -100 В или даже более отрицательное.

Таблицы данных диодов

Все вышеперечисленные характеристики должны быть подробно описаны в паспорте каждого диода. Например, в этом техническом описании диода 1N4148 указано максимальное прямое напряжение (1 В) и напряжение пробоя (100 В) (среди множества другой информации):

Таблица данных может даже представить вам хорошо знакомый график вольт-амперной характеристики, чтобы более подробно описать поведение диода. Этот график из таблицы данных диода увеличивает изогнутую переднюю часть кривой i-v .Обратите внимание, как больший ток требует большего напряжения:

Эта диаграмма указывает на еще одну важную характеристику диода — максимальный прямой ток. Как и любой другой компонент, диоды могут рассеивать только определенное количество энергии, прежде чем они взорвутся. На всех диодах должны быть указаны максимальный ток, обратное напряжение и рассеиваемая мощность. Если диод подвергается большему напряжению или току, чем он может выдержать, ожидайте, что он нагреется (или, что еще хуже, расплавится, задымится и т. Д.).

Некоторые диоды хорошо подходят для больших токов — 1 А или более — другие, такие как малосигнальный диод 1N4148, показанный выше, могут подходить только для тока около 200 мА.

---

Этот 1N4148 — лишь крошечная выборка всех существующих типов диодов. Далее мы рассмотрим, какое удивительное разнообразие существует и для какой цели служит каждый тип.

Типы диодов

Нормальные диоды

Диоды сигнальные

Стандартные сигнальные диоды являются одними из самых простых, средних и простых членов семейства диодов. Обычно они имеют средне-высокое прямое падение напряжения и низкий максимальный ток.Типичный пример сигнального диода — 1N4148.

Очень общего назначения, он имеет типичное прямое падение напряжения 0,72 В и максимальный номинальный прямой ток 300 мА.

Слабосигнальный диод 1N4148. Обратите внимание на черный кружок вокруг диода, который отмечает, какой из выводов является катодом.

Силовые диоды

Выпрямитель или силовой диод — это стандартный диод с гораздо более высоким максимальным током. Этот более высокий номинальный ток обычно достигается за счет большего прямого напряжения.1N4001 — это пример силового диода.

1N4001 имеет номинальный ток 1 А и прямое напряжение 1,1 В.

Диод 1N4001 PTH. На этот раз серая полоса указывает, какой вывод является катодом.

И, конечно же, большинство типов диодов также выпускаются для поверхностного монтажа. Вы заметите, что у каждого диода есть способ (независимо от того, насколько он крошечный или плохо различимый), чтобы указать, какой из двух контактов является катодом.

Светодиоды (светодиоды!)

Самым ярким представителем семейства диодов должен быть светодиод (LED).Эти диоды буквально загораются при подаче положительного напряжения.

Горстка сквозных светодиодов. Слева направо: желтый 3 мм, синий 5 мм, зеленый 10 мм, сверхяркий красный 5 мм, RGB 5 мм и синий 7-сегментный светодиод.

Как и обычные диоды, светодиоды пропускают ток только в одном направлении. Они также имеют номинальное прямое напряжение, то есть напряжение, необходимое для их включения. Рейтинг светодиода V _F обычно выше, чем у обычного диода (1.2 ~ 3 В), и это зависит от цвета, излучаемого светодиодом. Например, номинальное прямое напряжение сверхяркого синего светодиода составляет около 3,3 В, а для сверхяркого красного светодиода такого же размера — всего 2,2 В.

Очевидно, вы чаще всего найдете светодиоды в осветительных приборах. Они веселые и веселые! Но более того, их высокая эффективность привела к широкому использованию в уличных фонарях, дисплеях, подсветке и многом другом. Другие светодиоды излучают свет, невидимый человеческому глазу, например инфракрасные светодиоды, которые являются основой большинства пультов дистанционного управления.Другое распространенное использование светодиодов — оптическая изоляция опасной высоковольтной системы от низковольтной цепи. Оптоизоляторы соединяют инфракрасный светодиод с фотодатчиком, который пропускает ток при обнаружении света от светодиода. Ниже приведен пример схемы оптоизолятора. Обратите внимание на то, как схематический символ диода отличается от обычного диода. Светодиодные символы добавляют пару стрелок, выходящих из символа.

Диоды Шоттки

Другой очень распространенный диод — диод Шоттки.

Диод Шоттки

В наличии COM-10926

Диоды Шоттки известны своим низким прямым падением напряжения и очень быстрым переключением. Этот диод Шоттки 1 А 40 В равен…

. 1

Полупроводниковый состав диода Шоттки немного отличается от обычного диода, и это приводит к значительному на уменьшению прямого падения напряжения , которое обычно находится между 0.15 В и 0,45 В. Однако они все равно будут иметь очень большое напряжение пробоя.

Диоды Шоттки

особенно полезны для ограничения потерь, когда нужно сберечь каждый последний бит напряжения . Они достаточно уникальны, чтобы получить собственное обозначение схемы с парой изгибов на конце катодной линии.

Стабилитроны

Стабилитрон

— это странный изгой из семейства диодов. Обычно они используются, чтобы намеренно проводить обратный ток .

Стабилитрон — 5.1 В 1 Вт

На пенсии COM-10301

Стабилитроны полезны для создания опорного напряжения или в качестве стабилизатора напряжения в слаботочных приложениях. Эти диоды…

Пенсионер Стабилитрон

разработан для обеспечения очень точного напряжения пробоя, называемого стабилитроном или напряжением стабилитрона . Когда через стабилитрон протекает достаточный ток в обратном направлении, падение напряжения на нем будет стабильным на уровне напряжения пробоя.

За счет преимущества своих пробивных свойств стабилитроны часто используются для создания известного опорного напряжения, точно соответствующего их напряжению стабилитрона. Их можно использовать в качестве регуляторов напряжения для небольших нагрузок, но на самом деле они не предназначены для регулирования напряжения в цепях, которые потребляют значительный ток.

Стабилитроны

достаточно особенные, чтобы иметь собственное обозначение схемы с волнистыми концами на катодной линии. Этот символ может даже обозначать, что такое напряжение стабилитрона диода.Вот стабилитрон 3,3 В, создающий надежное опорное напряжение 3,3 В:

Фотодиоды

Фотодиоды — это специально сконструированные диоды, которые улавливают энергию фотонов света (см. Физика, квантовая) для генерации электрического тока. Вид работы как анти-светодиод.

Фотодиод BPW34 (не четверть, да еще мелочь). Поставьте его на солнце, и он может генерировать около нескольких мкВт энергии !.

Солнечные элементы — главный благодетель фотодиодной технологии.Но эти диоды также могут использоваться для обнаружения света или даже для оптической связи.

---

Применение диодов

Для такого простого компонента диоды имеют множество применений. Вы найдете диод того или иного типа практически в каждой цепи. Они могут быть представлены в чем угодно, от цифровой логики слабого сигнала до схемы преобразования энергии высокого напряжения. Давайте рассмотрим некоторые из этих приложений.

Выпрямители

Выпрямитель — это схема, преобразующая переменный ток (AC) в постоянный (DC).Это преобразование критично для всякой бытовой электроники. Сигналы переменного тока выходят из розеток вашего дома, но именно постоянный ток питает большинство компьютеров и другой микроэлектроники.

Ток в цепях переменного тока буквально чередуется — быстро переключается между положительным и отрицательным направлениями — но ток в сигнале постоянного тока течет только в одном направлении. Итак, чтобы преобразовать переменный ток в постоянный, вам просто нужно убедиться, что ток не может течь в отрицательном направлении. Похоже на работу для ДИОДОВ!

Однополупериодный выпрямитель может быть изготовлен только из одного диода.Если сигнал переменного тока, такой как, например, синусоида, передается через диод, любая отрицательная составляющая сигнала отсекается.

Формы входного (красный / левый) и выходного (синий / правый) сигналов напряжения после прохождения через схему полуволнового выпрямителя (в центре).

Двухполупериодный мостовой выпрямитель использует четыре диода для преобразования этих отрицательных выступов в сигнале переменного тока в положительные.

Схема мостового выпрямителя (в центре) и форма выходной волны, которую она создает (синий / правый).

Эти цепи являются критическим компонентом источников питания переменного тока в постоянный, которые преобразуют сигнал 120/240 В переменного тока сетевой розетки в сигналы постоянного тока 3,3 В, 5 В, 12 В и т. Д. Если вы разорвали стенную бородавку, вы, скорее всего, увидели бы там несколько диодов, которые ее исправили.

Можете ли вы заметить четыре диода, образующие мостовой выпрямитель в этой бородавке?

Защита от обратного тока

Когда-нибудь вставлял батарею неправильно? Или поменять местами красный и черный провода питания? Если это так, то диод может быть благодарен за то, что ваша схема все еще жива.Диод, расположенный последовательно с положительной стороной источника питания, называется диодом обратной защиты. Это гарантирует, что ток может течь только в положительном направлении, а источник питания подает только положительное напряжение в вашу цепь.

Этот диод полезен, когда разъем источника питания не поляризован, что позволяет легко испортить и случайно подключить отрицательный источник питания к положительному полюсу входной цепи.

Недостатком диода обратной защиты является то, что он вызывает некоторую потерю напряжения из-за прямого падения напряжения.Это делает диодов Шоттки отличным выбором для диодов обратной защиты.

Логические ворота

Забудьте о транзисторах! Простые цифровые логические вентили, такие как И или ИЛИ, могут быть построены из диодов.

Например, диодный логический элемент ИЛИ с двумя входами может быть построен из двух диодов с общими катодными узлами. Выход логической схемы также находится в этом узле. Когда один из входов (или оба) являются логической 1 (высокий / 5 В), выход также становится логической 1.Когда оба входа имеют логический 0 (низкий / 0 В), на выходе через резистор подается низкий уровень.

Логический элемент И построен аналогичным образом. Аноды , обоих диодов соединены вместе, и именно там находится выход схемы. Оба входа должны иметь логическую единицу, заставляя ток течь по направлению к выходному выводу и также подтягивать его к высокому уровню. Если на каком-либо из входов низкий уровень, ток от источника питания 5 В проходит через диод.

Для обоих логических вентилей можно добавить больше входов, добавив только один диод.

Обратные диоды и подавление скачков напряжения

Диоды

очень часто используются для ограничения возможного повреждения из-за неожиданных больших скачков напряжения. Диоды подавления переходных напряжений (TVS) — это специальные диоды, вроде стабилитронов с низким пробивным напряжением (часто около 20 В), но с очень большими номинальными мощностями (часто в диапазоне киловатт). Они предназначены для шунтирования токов и поглощения энергии, когда напряжение превышает их напряжение пробоя.

Обратные диоды

выполняют аналогичную работу по подавлению скачков напряжения, в частности, вызванных индуктивным компонентом, например двигателем.Когда ток через катушку индуктивности внезапно изменяется, создается всплеск напряжения, возможно, очень большой отрицательный всплеск. Обратный диод, помещенный на индуктивную нагрузку, даст этому отрицательному сигналу напряжения безопасный путь для разряда, фактически многократно проходя через индуктивность и диод, пока он в конечном итоге не погаснет.

Это всего лишь несколько вариантов применения этого удивительного маленького полупроводникового компонента.

---

Покупка диодов

Теперь, когда ваш текущий движется в правильном направлении, пришло время найти хорошее применение вашим новым знаниям.Независимо от того, ищете ли вы отправную точку или просто пополняете запасы, у нас есть набор изобретателя, а также отдельные диоды на выбор.

Наши рекомендации:

Диод Шоттки

В наличии COM-10926

Диоды Шоттки известны своим низким прямым падением напряжения и очень быстрым переключением.Этот диод Шоттки 1 А 40 В равен…

. 1

Комплект изобретателя SparkFun — версия 3.2

На пенсии КОМПЛЕКТ-12060

** Как вы, возможно, видели из [нашего сообщения в блоге] (https://www.sparkfun.com/news/2241), мы недавно перенесли нашу пресс-форму для SIK…

76 Пенсионер

Ресурсы и дальнейшее развитие

Теперь, когда вы разобрались с диодами, возможно, вы захотите продолжить изучение других полупроводников:

Или откройте для себя другие распространенные электронные компоненты:

Объяснение

диодов — Инженерное мышление

Узнайте, как работают диоды, а также почему и где мы их используем.

Прокрутите вниз, чтобы посмотреть руководство YouTube.

Что такое диод

Пример диода

Диод выглядит примерно так, как на изображении выше, и бывает разных размеров. Обычно они имеют черный цилиндрический корпус с полосой на одном конце, а также несколько выводов, которые позволяют нам подключить его в цепь. Этот конец известен как анод, а этот конец — катод, и мы увидим, что это значит, позже в видео.

Вы также можете получить другие формы, такие как стабилитрон или даже светодиод, который представляет собой светоизлучающий диод, но мы не будем рассматривать их в этой статье.

Другие примеры диодов

Диод позволяет току течь только в одном направлении.

Представим себе водопроводную трубу с установленным поворотным клапаном. Когда вода течет по трубе, она толкает распашную заслонку и продолжает течь. Однако, если вода меняет направление, вода закроет заслонку и не сможет течь. Следовательно, вода может течь только в одном направлении.

Водопроводная труба Это очень похоже на диод, мы используем их для управления направлением тока в цепи.

Теперь мы анимировали это с помощью электронного потока, в котором электроны перетекают от отрицательного к положительному. Однако в электронике традиционно используется обычный поток, который изменяется от положительного к отрицательному. Обычный ток, вероятно, легче понять, вы можете использовать любой, на самом деле это не имеет значения, но просто помните о двух и о том, какой из них мы используем.

Пример светодиода

Итак, если мы подключим диод в простую светодиодную схему, подобную приведенной выше, необходимо отметить, что светодиод будет включаться только тогда, когда диод установлен правильно.Это позволяет току течь только в одном направлении. Таким образом, в зависимости от того, как он установлен, он может действовать как проводник или изолятор.

Полосатый конец подсоединяется к минусу, а черный конец подсоединяется к плюсу, чтобы он действовал как проводник. Это позволяет току течь, мы называем это прямым смещением. Если перевернуть диод, он будет действовать как изолятор, и ток не будет течь. Мы называем это обратным смещением.

Прямое смещение и обратное смещение

Как работает диод?

Как вы, возможно, знаете, электричество — это поток свободных электронов между атомами.Мы используем медные провода, потому что в меди много свободных электронов, что облегчает пропускание электричества. Мы используем резину, чтобы изолировать медные провода и обезопасить себя, потому что резина является изолятором, что означает, что ее электроны удерживаются очень плотно и, следовательно, не могут перемещаться между атомами.

Если мы посмотрим на базовую модель атома металлического проводника, у нас есть ядро ​​в центре, и оно окружено множеством орбитальных оболочек, удерживающих электроны. Каждая оболочка содержит максимальное количество электронов, и электрон должен иметь определенное количество энергии, чтобы попасть в каждую оболочку.Электроны, расположенные дальше всего от ядра, обладают наибольшей энергией. Самая внешняя оболочка известна как валентная оболочка, и проводник имеет от 1 до 3 электронов в своей валентной оболочке.

Атом меди

Электроны удерживаются на месте ядром. Но есть еще одна оболочка, известная как зона проводимости. Если электрон может достичь этого, он может вырваться из атома и перейти к другому. У атома металла, такого как медь, зона проводимости и валентная оболочка перекрываются, поэтому электрону очень легко перемещаться.

Самая внешняя оболочка уплотнена изолятором. Электрону практически нет места для присоединения. Ядро плотно захватывает электроны, а зона проводимости находится далеко, поэтому электроны не могут дотянуться до нее, чтобы убежать. Следовательно, электричество не может проходить через этот материал.

Однако есть еще один материал, известный как полупроводник. Кремний — это пример полупроводника. В этом материале слишком много электронов во внешней оболочке, чтобы быть проводником, поэтому он действует как изолятор.Однако следует отметить; что, поскольку зона проводимости довольно близка; если мы предоставим некоторую внешнюю энергию, некоторые электроны получат достаточно энергии, чтобы совершить прыжок из баллона в зону проводимости, чтобы стать свободными. Следовательно, этот материал может действовать как изолятор, так и как проводник.

Чистый кремний почти не имеет свободных электронов, поэтому инженеры добавляют в кремний небольшое количество других материалов, чтобы изменить его электрические свойства.

Изолятор, проводник, полупроводник. Пример

Мы называем это легированием P-типа и N-типа.Мы объединяем эти легированные материалы в диод.

Итак, внутри диода есть два вывода, анод и катод, которые подключаются к тонким пластинам. Между этими пластинами имеется слой легированного кремния P-типа на анодной стороне и слой легированного кремния N-типа на катодной стороне. Все это покрыто смолой для изоляции и защиты материалов.

Пример диода

. Давайте представим, что материал еще не легирован, так что внутри находится чистый кремний. Каждый атом кремния окружен 4 другими атомами кремния.Каждому атому нужно 8 электронов в своей валентной оболочке, но атомы кремния имеют только 4 электрона в своей валентной оболочке, поэтому они тайком делят электрон со своим соседним атомом, чтобы получить 8 желаемых. Это известно как ковалентное связывание.

Ковалентное связывание

Когда мы добавляем материал N-типа, такой как фосфор, он займет положение некоторых атомов кремния. В валентной оболочке атома фосфора 5 электронов. Так как атомы кремния делятся электронами, чтобы получить желаемое 8, им не нужен этот дополнительный электрон, поэтому теперь в материале есть дополнительный электрон, и поэтому они могут свободно перемещаться.

Добавление фосфора

При легировании P-типа мы добавляем такой материал, как алюминий. У этого атома всего 3 электрона в валентной оболочке, поэтому он не может предоставить своим 4 соседям один электрон, поэтому одному из них придется обойтись без него. Таким образом, создается дыра, в которой электрон может сидеть и занимать ее.

Итак, теперь у нас есть два легированных куска кремния, один со слишком большим количеством электронов, а другой с недостаточным количеством электронов.

Два материала соединяются, образуя соединение P-N.На этом стыке мы получаем так называемую область истощения. В этой области часть избыточных электронов со стороны N-типа переместится, чтобы занять дырки со стороны P-типа. Эта миграция образует барьер с скоплением электронов и дырок на противоположных сторонах. Электроны заряжены отрицательно, а дырки считаются положительно заряженными. Таким образом, нарастание приводит к образованию слегка отрицательно заряженной области и слегка положительно заряженной области. Это создает электрическое поле и предотвращает перемещение большего количества электронов.В типичных диодах разность потенциалов в этой области составляет около 0,7 В.

Пример истощения

Когда мы подключаем источник напряжения через диод с анодом (P-типа), подключенным к плюсу, а катод (N), соединенным с минусом, это создаст прямое смещение и позволит току течь. Источник напряжения должен быть выше барьера 0,7 В, иначе электроны не смогут попасть в перемычку.

Источник напряжения должен быть больше, чем барьер

Когда мы реверсируем источник питания, положительный полюс подключается к катоду N-типа, а отрицательный — к аноду P-типа.Отверстия притягиваются к отрицательному полюсу, а электроны притягиваются к положительному положению, что вызывает расширение барьера, и поэтому диод действует как проводник, предотвращая протекание тока.

Технические характеристики

Пример символа

Диоды представлены на технических чертежах символом, подобным изображению выше. Полоса на корпусе обозначена вертикальной линией на символе, а стрелка указывает в направлении обычного тока.

Когда мы смотрим на диод, мы видим эти цифры и буквы на корпусе.Они идентифицируют диод, поэтому вы можете найти технические подробности в Интернете.

I-V Diagram

У диода будет I-V диаграмма, как показано выше. На этой диаграмме показаны характеристики тока и напряжения диода, которые построены в виде изогнутой линии. Эта сторона должна работать как проводник, а эта сторона — как изолятор.

Вы можете видеть, что диод может действовать как изолятор только до определенной разности напряжений на нем. Если вы превысите это значение, он станет проводником и позволит току течь.Это приведет к выходу из строя диода и, возможно, вашей схемы, поэтому вам необходимо убедиться, что размер диода соответствует применению.

Точно так же диод может выдерживать только определенное напряжение или ток при прямом смещении. Значение разное для каждого диода, вам нужно будет просмотреть эти данные, чтобы узнать подробности.

Диод требует определенного уровня напряжения для открытия и пропуска тока в прямом смещении. Большинство из них около 0,6 В. Если мы подадим напряжение меньше этого, он не откроется, чтобы позволить току течь.Но по мере того, как мы увеличиваем это значение, величина тока, который может протекать, будет быстро увеличиваться.

Пример напряжения диода

Диоды также будут обеспечивать падение напряжения в цепи. Например, когда я добавил этот диод в простую светодиодную схему, установленную на макетной плате, я получил значение падения напряжения 0,71 В.

Почему мы их используем

Как уже упоминалось, мы используем диоды для управления направлением тока в цепи. Это полезно, например, для защиты нашей цепи, если источник питания был подключен сзади на переднюю.Диод может блокировать ток и обеспечивать безопасность наших компонентов.

Мы также можем использовать их для преобразования переменного тока в постоянный. Как вы, возможно, знаете, переменный или переменный ток перемещает электроны вперед и назад, создавая синусоидальную волну с положительной и отрицательной половиной, но постоянный или постоянный ток перемещает электроны только в одном направлении, что дает плоскую линию в положительной области.

Если мы подключим первичную сторону трансформатора к источнику переменного тока, а затем подключим вторичную сторону к одному диоду, диод пропустит только половину волны и заблокирует ток в противоположном направлении.Таким образом, цепь проходит только положительную половину цикла, поэтому теперь это очень грубая цепь постоянного тока, хотя ток пульсирует, но мы можем это улучшить.

Первичный пример

Один из способов сделать это — если мы подключим четыре диода к вторичной стороне, мы создадим двухполупериодный выпрямитель. Диоды контролируют, по какому пути может течь переменный ток, блокируя или позволяя ему проходить. Как мы только что видели, разрешена прохождение положительной половины синусоидальной волны, но на этот раз разрешено прохождение и отрицательной половины, хотя это было инвертировано, чтобы превратить ее также в положительную половину.Это дает нам лучшую подачу постоянного тока, поскольку пульсация значительно снижается. Но мы все еще можем улучшить это, мы просто добавляем несколько конденсаторов, чтобы сгладить пульсацию и в конечном итоге получить плавную линию, чтобы точно имитировать постоянный ток.

Четыре подключенных диода

Мы подробно рассмотрели, как работают конденсаторы в нашей предыдущей статье, проверьте, что ЗДЕСЬ .

Как проверить диод

Для проверки диода нам понадобится мультиметр с настройкой проверки диодов, символ будет выглядеть так.Мы настоятельно рекомендуем вам иметь в своем наборе инструментов хороший мультиметр, который поможет вам как в обучении, так и в диагностике проблем.

Итак, берем наш диод и мультиметр. Подключаем черный провод к концу диода линией. Затем к противоположному концу подключаем красный провод. Когда мы это сделаем, на экране должно появиться значение.

Например, диод модели 1N4001 дает показание 0,516 В. Это минимальное напряжение, необходимое для открытия диода и протекания тока.

Если мы теперь поменяем местами провода, подключенные к диодам, мы должны увидеть на экране OL, что означает выход за пределы.Это говорит нам о том, что он не может измерить, это хорошо, потому что он не может замкнуть цепь, поэтому диод выполняет свою работу.

Если мы получаем сообщение о соединении в обеих конфигурациях, значит, компонент неисправен и не должен использоваться.

Неисправный компонент

Чтобы проверить диод в цепи на падение напряжения, мы просто переводим мультиметр в функцию постоянного напряжения, а затем помещаем черный щуп к концу полосы, а красный щуп — к черному концу. Это даст нам значение, например, 0.71V, что является падением напряжения.

---

Как проверить направление диода

Электронные схемы предназначены для работы с другими схемами, чтобы сформировать единицу, которая выполняет обозначенную задачу. Многие цепи, такие как цепи регулирования мощности, должны быть защищены от скачков напряжения и случайного изменения полярности. Диод — это электронный компонент, который пропускает электричество только в одном направлении, предотвращая попадание потенциально вредных реверсивных сигналов в чувствительную цепь.Электричество течет в «катод» (отрицательная сторона) диода, а затем выходит из «анода» (положительная сторона) в сторону защищаемой цепи. Знание стандартов электроники обязательно при установке диода.

Найдите принципиальную электрическую схему. Отследите электрическую полярность по мере ее прохождения в цепи до точки, где катод (отрицательная сторона) диода должен быть припаян к плате. Обратите внимание, что диодный глиф на схеме имеет вертикальную линию с одной стороны и сплошную черную стрелку, указывающую на эту линию.Вертикальная линия представляет катод диода. Этот конец диода должен быть обращен в сторону, откуда идет отрицательный ток.

Внимательно осмотрите диод, при необходимости используя увеличительное стекло. Каждый диод имеет либо цветную точку, либо полосу на катодном (отрицательном) конце компонента. Черные пластиковые диоды будут иметь белую полосу на катодном конце, а стеклянные диоды будут иметь белую или черную полосу.

Используйте цифровой мультиметр для проверки полярности диода, если маркировка полярности отсутствует или отсутствует.Просто включите измеритель и поверните циферблат, чтобы измерить «Ом». Поднесите черный (отрицательный) щуп к одной металлической ножке диода, а красный (положительный) щуп — к другой металлической ножке. Если вы не видите показаний или на дисплее отображается только «1», поменяйте местами датчики. Когда вы увидите на дисплее фактическое значение в омах, обратите внимание на сторону отрицательного (черного) щупа. Это катодная (отрицательная) сторона диода.

• Может быть трудно увидеть небольшую белую полосу на катодной стороне стеклянного диода.При необходимости положите стеклянный диод на темный лист бумаги или ткани, чтобы белая полоса двигалась видимой.

  Цвета полос на некоторых типах диодов могут отличаться, но не расположение. Полоса всегда находится на катодной стороне диода. Цвет ремешка значения не имеет.

  На некоторых специальных диодах, таких как стабилитроны, дополнительные полосы обозначают допуски и значения напряжения. Даже в этом случае первая полоса на конце — это полоса полярности.

Как работает диод и светодиод? | ОРЕЛ

С возвращением, капитаны компонентов! Сегодня пришло время повысить уровень своих знаний и перейти от простых пассивных компонентов к области полупроводниковых компонентов.Эти детали оживают, когда соединяются в цепь, и могут управлять электричеством разными способами! Вам предстоит работать с двумя полупроводниковыми компонентами: диодом и транзистором. Сегодня мы поговорим о диоде, пресловутом уродливом устройстве управления, которое позволяет электричеству течь только в одном направлении! Если вы видели светодиод в действии, значит, вы уже далеко впереди, давайте приступим.

Управляйте потоком

Диод хорошо известен своей способностью управлять протеканием электрического тока в цепи.В отличие от пассивных компонентов, которые бездействуют, сопротивляясь или накапливая, диоды активно задействуют приливы и отливы тока, протекающего по нашим устройствам. Есть два способа описать, как ток будет или не течет через диод, и они включают:

• С опережением. Если вы правильно вставите батарею в цепь, ток будет проходить через диод; это называется состоянием с прямым смещением.
• Обратно-смещенный. Когда вам удается вставить батарею в цепь в обратном направлении, ваш диод блокирует прохождение любого тока, и это называется состоянием с обратным смещением.

Простой способ визуализировать разницу между состояниями прямого и обратного смещения диода в простой схеме

Хотя эти два термина могут показаться слишком сложными, представьте диод как переключатель. Он либо закрыт (включен) и пропускает ток, либо открыт (выключен), и ток не может течь через него.

Полярность диодов и символы

Диоды — это поляризованные компоненты, что означает, что они имеют очень специфическую ориентацию, поэтому для правильной работы их необходимо подключить в цепь. На физическом диоде вы заметите две клеммы, выходящие из формы жестяной банки посередине. Одна сторона — это положительный вывод, называемый анодом . Другой вывод — это отрицательный конец, называемый катодом . Возвращаясь к нашему потоку электричества, ток может течь только в диоде от анода к катоду, а не наоборот.

Вы можете определить катодную сторону физического диода, посмотрев на серебряную полоску рядом с одним из выводов. (Источник изображения)

Вы можете легко обнаружить диод на схеме, просто найдите большую стрелку с линией, проходящей через нее, как показано ниже. У некоторых диодов и анод, и катод помечены как положительный и отрицательный, но простой способ запомнить, в каком направлении течет ток в диоде, — это следить за направлением стрелки.

Стрелка на символе диода указывает направление протекания тока.

В наши дни большинство диодов изготовлено из двух самых популярных полупроводниковых материалов в электронике — кремния или германия. Но если вы знаете что-нибудь о полупроводниках, то знаете, что в своем естественном состоянии ни один из этих элементов не проводит электричество. Так как же заставить электричество проходить через кремний или германий? С помощью небольшого волшебного трюка под названием допинг.

Легирование полупроводников

Странные полупроводниковые элементы. Возьмем, к примеру, кремний.Днем это изолятор, но если вы добавите в него примеси с помощью процесса, называемого допингом, вы придадите ему магическую силу проводить электричество ночью.

Благодаря своим двойным свойствам как изолятор, так и проводник, полупроводники нашли свою идеальную нишу в компонентах, которые должны контролировать поток электрического тока в виде диодов и транзисторов. Вот как работает процесс легирования в типичном куске кремния.

• Расти.Во-первых, кремний выращивают в строго контролируемой лабораторной среде. Это называется чистой комнатой, то есть в ней нет пыли и других загрязнений.
• Допинг это отрицательно. Теперь, когда кремний вырос, пришло время легировать его. Этот процесс может идти двумя путями. Первый — это легирование кремния сурьмой, которая дает ему несколько дополнительных электронов и позволяет кремнию проводить электричество. Этот кремний называется кремнием n-типа или отрицательного типа, потому что в нем больше отрицательных электронов, чем обычно.
• Допинг положительно. Вы также можете легировать кремний в обратном направлении. Добавляя бор к кремнию, он удаляет электроны из атома кремния, оставляя группу пустых дырок там, где должны быть электроны. Это называется кремнием p-типа или положительного типа.
• Объедините . Теперь, когда ваши кусочки кремния легированы как положительно, так и отрицательно, вы можете соединить их вместе. Соединяя кремний n-типа и p-типа вместе, вы создаете так называемое соединение.

Именно на этом перекрестке, который можно представить себе как некую нейтральную зону, происходит вся магия в диоде.Допустим, вы соединяете кремний n-типа и p-типа, а затем подключаете батарею, создавая цепь. Что случится?

В этом случае отрицательный вывод подключен к кремнию n-типа, а положительный вывод подключен к кремнию p-типа. А между двумя кусками кремния — нейтральная зона? Что ж, он начинает сжиматься, и начинает течь электрический ток! Это состояние диода с прямым смещением, о котором мы говорили в начале.

Правильное подключение батареи к кремнию n-типа и p-типа позволяет току течь через переход.(Источник изображения)

Теперь предположим, что вы подключаете батарею наоборот: отрицательная клемма подключена к кремнию p-типа, а положительная клемма — к кремнию n-типа. Здесь происходит то, что нейтральная зона между двумя кусками кремния становится шире, и ток вообще не течет. Это состояние с обратным смещением, которое может принять диод.

Подсоедините батарею в непреднамеренном направлении, и ваш диод остановит протекание тока между n-типом и p-типом.(Источник изображения)

Прямое напряжение и пробои

Когда вы работаете с диодами, вы узнаете, что для того, чтобы один пропускал ток, требуется очень определенное количество положительного напряжения. Напряжение, необходимое для включения диода, называется прямым напряжением (VF). Вы также можете увидеть, что это называется напряжением включения или напряжением включения.

Что определяет это прямое напряжение? Полупроводник , материал и типа . Вот как он распадается:

• Кремниевые диоды.Для использования кремниевого диода потребуется прямое напряжение от 0,6 до 1 В.
• Германиевые диоды. Для использования диода на основе германия потребуется более низкое прямое напряжение около 0,3 В.
• Прочие диоды. Специализированные диоды, такие как светодиоды, потребуют более высокого прямого напряжения, тогда как диоды Шоттки (см. Ниже) потребуют более низкого прямого напряжения. Лучше всего свериться с таблицей данных для вашего конкретного диода, чтобы определить его номинальное прямое напряжение.

Я знаю, что мы все это время говорили о диодах, позволяющих току течь только в одном направлении, но это правило можно нарушить.Если вы приложите огромное отрицательное напряжение к диоду, вы действительно сможете изменить направление его тока! Конкретная величина напряжения, которая вызывает этот обратный поток, называется напряжением пробоя . Для обычных диодов напряжение пробоя находится в диапазоне от -50 В до -100 В. Некоторые специализированные диоды даже предназначены для работы при этом отрицательном напряжении пробоя, о котором мы поговорим позже.

Семейство диодов — наконец вместе

Существует множество диодов, каждый из которых имеет свои собственные особенности.И хотя у каждого из них есть общая основа ограничения потока тока, вы можете использовать эту общую основу для создания множества различных применений. Давайте посмотрим на каждого члена семейства диодов!

Стандартные диоды

Ваш средний диод. Стандартные диоды имеют умеренные требования к напряжению и низкий максимальный ток.

Стандартный диод для повседневного использования, доступный в компании Digi-Key, обратите внимание на серебряную полоску, которая отмечает катодный конец. (Источник изображения)

Выпрямительные диоды

Это более мощные собратья стандартных диодов и имеют более высокий максимальный ток и прямое напряжение.В основном они используются в источниках питания.

Более мощные собратья стандартного диода, разница состоит в большем номинальном токе и прямом напряжении.

Диоды Шоттки

Это необычный родственник семейства диодов. Диод Шоттки пригодится, когда вам нужно ограничить величину потери напряжения в вашей цепи. Вы можете идентифицировать диод Шоттки на схеме, ища свой типичный символ диода с добавлением двух новых изгибов (S-образной формы) на катодном выводе.

Найдите изгибы на катодном конце диода, чтобы быстро определить, что это изгибы Шоттки.

Стабилитроны

Стабилитроны — это черная овца в семействе диодов. Эти парни используются для того, чтобы посылать электрический ток в обратном направлении! Они делают это, используя напряжение пробоя, которое мы обсуждали выше, также называемое пробоем Зенера. Воспользовавшись этой пробивной способностью, стабилитроны отлично подходят для создания стабильного опорного напряжения в определенной точке цепи.

Стабилитрон разительно отличается от остальных диодов семейства и может передавать ток от катода к аноду. (Источник изображения)

Фотодиоды

Фотодиоды — непокорные подростки из семейства диодных. Вместо того, чтобы просто пропускать ток через цепь, фотодиоды улавливают энергию источника света и превращают ее в электрический ток. Вы найдете их для использования в солнечных панелях, а также в оптических коммуникациях.

Фотодиоды поглощают все это, улавливая энергию света и превращая ее в электрический ток.(Источник изображения)

Светодиоды (светодиоды)

Яркие звезды семейства диодов. Как и стандартные диоды, светодиоды позволяют току течь только в одном направлении, но с изгибом! Когда подается правильное прямое напряжение, эти светодиоды загораются яркими цветами. Но вот загвоздка: светодиоды определенного цвета требуют разного прямого напряжения. Например, для синего светодиода требуется прямое напряжение 3,3 В, а для красного светодиода требуется только 2,2 В.

Что делает эти светодиоды настолько популярными?

• Эффективность .Светодиоды излучают свет с помощью электроники, не выделяя тонны тепла, как традиционные лампы накаливания. Это позволяет им экономить массу энергии.
• Контроль. Светодиодами также очень легко управлять в электронной схеме. Если перед ними установлен резистор, они обязательно будут работать!
• Недорого. Светодиоды также очень недороги и рассчитаны на длительный срок службы. Вот почему они так часто используются в светофорах, дисплеях и инфракрасных сигналах.

Светодиоды бывают разных форм и цветов, каждый из которых требует разного прямого напряжения для включения! (Источник изображения)

Наиболее распространенное применение диодов

Поскольку диоды бывают разных форм, размеров и конфигураций, их использование в наших электронных схемах столь же разнообразно! Вот лишь несколько примеров использования диодов:

Преобразование переменного тока в постоянный

Процесс преобразования переменного тока (AC) в постоянный ток (DC) может выполняться только диодами! Этот процесс выпрямления (преобразования) тока — это то, что позволяет вам подключить всю вашу повседневную электронику постоянного тока к розетке переменного тока в вашем доме.Есть два типа приложений преобразования, в которых играет свою роль диод:

• Полуволновое выпрямление. Для этого преобразования требуется только один диод. Если вы отправляете сигнал переменного тока в цепь, то ваш единственный диод отсекает отрицательную часть сигнала, оставляя только положительный вход в виде волны постоянного тока.
  

  Одиночный диод в цепи однополупериодного выпрямителя, ограничивающий отрицательный полюс сигнала переменного тока. (Источник изображения)

• Полноволновое мостовое выпрямление .В этом процессе преобразования используются четыре диода. И вместо того, чтобы просто отсекать отрицательную часть сигнала переменного тока, такую ​​как полуволновой выпрямитель, этот процесс фактически преобразует все отрицательные волны в сигнале переменного тока в положительные волны для сигнала готовности постоянного тока.
  

  Двухполупериодный мостовой выпрямитель делает еще один шаг вперед, преобразуя весь положительный и отрицательный сигнал переменного тока в постоянный. (Источник изображения)

Управляющие скачки напряжения

Вы также найдете диоды, которые используются в приложениях, где могут произойти неожиданные скачки напряжения.Диоды в этих приложениях могут ограничить любое повреждение, которое может произойти с устройством, поглощая любое избыточное напряжение, которое попадает в диапазон напряжения пробоя диода.

Защита вашего тока

Наконец, вы также найдете диоды, которые используются для защиты чувствительных цепей. Если вы хоть раз разбили аккумулятор неправильно и ничего не взорвалось, то можете поблагодарить за это свой дружелюбный диод. Размещение диода последовательно с положительной стороной источника питания гарантирует, что ток течет только в правильном направлении.

Пора освободиться от потока

Вот и все, контрольный диод и все его сумасшедшие члены семьи! У диодов есть масса применений, от питания этих ярких светодиодных ламп до преобразования переменного тока в постоянный. Но почему, несмотря на все эти удивительные применения, диод не получил такой же огласки, как транзистор или интегральная схема? Мы думаем, что дело в том, что на кухне слишком много поваров. Первый диод был открыт почти 150 лет назад, и с тех пор сотни инженеров и ученых приложили свои усилия, чтобы улучшить это открытие.Несмотря на долгую историю существования многих людей, диод до сих пор считается четвертым по значимости изобретением после колеса.

Знаете ли вы, что Autodesk EAGLE включает в себя массу бесплатных библиотек диодов, которые вы можете начать использовать уже сегодня? Пропустите рутинную работу по созданию деталей, попробуйте Autodesk EAGLE бесплатно сегодня!

Диод

Обзор

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

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

Типовой диод и обозначение его принципиальной схемы

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

Диод позволяет току течь только в одном направлении.

Свойства полупроводниковых материалов

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

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

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

Ковалентные связи в кристаллической решетке

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

Кристаллическая решетка кремния со свободными электронами и дырками

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

Ток в собственном полупроводнике

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

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

Структура кристаллической решетки кремния n-типа

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

Основными носителями заряда в материале n-типа являются электроны.

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

Структура кристаллической решетки кремния p-типа

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

Основными носителями заряда в материале p-типа являются дырки.

P-n переход

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

Электроны и дырки рядом с переходом мигрируют через него.

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

Слой обеднения создается миграцией носителей заряда.

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

Показанный здесь переход имеет обратное смещение.

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

Прямое смещение

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

Секция через кремниевый диод

Характеристики диодов

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

Характеристики кремниевых и германиевых диодов.

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

Преобразование мощности

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

Базовый однополупериодный выпрямитель

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

Двухполупериодный мостовой выпрямитель

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

Обычный ток в положительном полупериоде

Обычный ток в отрицательном полупериоде

Точечный диод

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

Конструкция точечного диода

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

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

Стабилитрон

В нормальном диоде с переходом работа диода при напряжении пробоя или выше приведет к разрушению обедненного слоя и необратимому повреждению диода.Стабилитроны — это диоды, которые могут проводить ток в обратном направлении при определенном фиксированном опорном напряжении (их напряжение пробоя) без повреждений. Каждый стабилитрон рассчитан на определенное напряжение обратного пробоя (от 2,4 В и выше), при котором он будет проводить ток в обратном направлении, и имеет максимальную номинальную мощность (типовые значения — 400 мВт и 1,3 Вт). Стабилитрон может использоваться отдельно для обеспечения чувствительного к напряжению переключателя или последовательно с токоограничивающим резистором для регулирования напряжения.Символ принципиальной схемы стабилитрона показан ниже вместе с характеристической кривой типичного стабилитрона.

Условное обозначение принципиальной схемы стабилитрона

Характеристика напряжения и тока стабилитрона

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

куда:

I _MAX = максимальный обратный ток

P = номинальная мощность диода

В = напряжение стабилитрона

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

Простая схема регулятора питания

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

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

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

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

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

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

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

Диоды 101: что они делают и как работают?

Диоды — важные средства защиты чувствительных компонентов в случае неожиданных скачков напряжения, но как они работают? Как использовать диоды? А чьим диодам можно доверять?

Что такое диод?

На самом базовом уровне диод — это компонент, который создает улицу с односторонним движением для электрических токов, протекающих по цепи.Направляя и блокируя эти токи, диоды предотвращают скачки напряжения и другие незапланированные эффекты от повреждения чувствительных компонентов. Они также играют важную роль в обработке сигналов, особенно в радиочастотных приложениях.

Первые диоды были изобретены в начале 20 века компаниями беспроводного телеграфа. С тех пор диоды стали важными компонентами ранней радиотехнологии — хотите верьте, хотите нет, но сегодняшние цифровые устройства были бы невозможны без этих небольших (но мощных) компонентов.

Что делает диод?

Диоды — бесценный актив в современной технологии, потому что они пропускают ток только в одном направлении. Когда ток течет вперед от анода диода к его катоду, диод действует как оголенный провод и пропускает ток. Когда тот же самый ток течет в противоположном направлении, диод становится мощным резистором и блокирует проход.

Следовательно, защита электроники — одно из наиболее распространенных применений диодов.

Электромагнитные компоненты, такие как двигатели и реле, при выключении высвобождают накопившиеся заряды, посылая токи обратно по цепи, где они могут повредить чувствительные части. Диод, установленный между двигателями и реле, будет направлять этот ток от остальной цепи.

Обработка радиосигналов (из-за чего были изобретены диоды) по-прежнему широко используются в диодах даже сегодня. Выходя за рамки старых AM-радиоприемников, диоды также интегрированы во множество современных устройств, от телевизоров до микроволновых печей и даже спутников связи.

Как работает диод?

Современные диоды изготавливаются из полупроводниковых материалов, таких как кремний, германий или арсенид галлия. Производители полупроводников вводят в эти материалы определенные примеси, чтобы придать диоду его особые свойства.

Этот процесс «легирования» создает в диоде три области. Во-первых, на аноде имеется положительно заряженная p-область, в которой легирование создает большое количество электронных дырок. Кроме того, на катоде имеется отрицательно заряженная n-область, где легирование создает большое количество свободных электронов.Они встречаются в p-n-переходе, где электроны n-области перепрыгивают, чтобы заполнить электронные дырки p-области — это создает третью «обедненную область», которая действует как изолятор и препятствует протеканию тока.

Прямое смещение

Диод «смещен в прямом направлении», когда ток течет от положительного анода к отрицательному катоду. В идеальном случае ток устраняет обедненную область и проходит через диод, как если бы его там не было.

На самом деле, диоду для работы требуется начальное напряжение, называемое прямым напряжением (Vf).По сути, настоящий диод действует как идеальный диод, соединенный последовательно с резистором, создавая небольшое, но заметное падение напряжения. В наиболее распространенных сигнальных диодах Vf составляет около 0,7 В.

Однако следует обратить внимание на температуру — Vf диода будет уменьшаться при повышении температуры. В некоторых случаях вы можете превратить эту температурную чувствительность в функцию. Например, в статье на Hackaday объясняется, как использовать эту характеристику для создания однодиодного датчика температуры.

Обратное смещение

Когда через диод протекает ток в противоположном направлении, от катода к аноду, это называется «обратным смещением».Вышеупомянутая обедненная область становится еще больше, превращая диод в мощный резистор и блокируя прохождение тока.

Однако у каждого электронного компонента есть предел, и диоды не исключение. Порог диода определяется так называемым напряжением пробоя (Vbr). После этого Vbr обедненная область перестает работать, освобождая обратный ток, чтобы течь через цепь и наносить ущерб, что часто приводит к выгоранию, связанному с синим дымом.

Обозначение диода

Символ диода напоминает боковой треугольник с вертикальной полосой на конце.Треугольник указывает направление тока прямого смещения, а полоса представляет собой блокирующее действие диода при обратном смещении тока.

Поскольку диоды поляризованы, вам нужно знать, как их вставить в ваши схемы. Из-за этого упаковка диода будет иметь полосу на конце катода, как и вертикальная полоса в символе диода.

Какие бывают диоды?

Диоды в конструкции электронных схем имеют два основных различия: силовые диоды и сигнальные диоды.В этих широких категориях вы найдете всевозможные узкоспециализированные диоды, созданные для решения конкретных задач. Некоторые диоды также могут генерировать свет — метко названные светодиоды, или светодиоды, как их чаще называют, — но это достаточно большая тема для отдельной статьи.

Силовые диоды

Подавление перенапряжения, как мы говорили ранее, является одним из методов использования силовых диодов. Помимо блокировки индуктивных скачков от таких компонентов, как двигатели, вы также можете использовать диоды для предотвращения электростатического разряда (ESD).Это искра, которую вы иногда видите, когда подключаете зарядное устройство к телефону — эта маленькая вспышка посылает мгновенный всплеск в 15000 вольт прямо на ваше устройство, а это защитный диод от электростатического разряда, который предохраняет ваш любимый телефон от перегрева.

Еще одно повседневное использование силовых диодов можно найти в зарядном устройстве вашего телефона. Силовые диоды помогают преобразовывать переменный ток (AC), выходящий из стены, в постоянный ток (DC), который используется принимающей электроникой.

Диоды сигнальные

Сигнальные диоды работают с гораздо меньшими токами и напряжениями.Этот тип диодов используется в схемах, обрабатывающих аналоговые сигналы, и в некоторых случаях эти приложения помогают остальной части схемы лучше выполнять свою работу.

Забавный эксперимент, демонстрирующий, как работают сигнальные диоды, — это самодельный AM-радио, состоящий из провода, металлического стержня, диода и динамика. Использование незаземленного провода в качестве антенны преобразует входящую радиоволну в переменный ток. Так же, как и приходящая радиоволна, этот ток имеет постоянную частоту быстрых колебаний между пиками и минимумами напряжения.Размер этих пиков и впадин (он же амплитуда) является сигналом, который, к сожалению, важен сам по себе, эти волны имеют тенденцию гасить друг друга в наушниках. Однако включение диода блокирует впадины и позволяет пикам проходить через наушники для преобразования в аудиосигнал.

Другой способ обработки аналоговых сигналов диодами — защита чувствительной электроники от слишком сильных сигналов. Например, диоды в цепи ограничителя будут отключать сигналы, когда напряжение выходит за пределы определенной точки.В зависимости от конструкции схемы, схема ограничителя ограничивает положительное напряжение, отрицательное напряжение или и то, и другое.

Gmoon, участник

Instructables, демонстрирует, как схема с диодным ограничителем может придать гитарному усилителю звук, более похожий на ламповый.

Диоды специальные

Производители могут выбирать материалы, чтобы придать диодам особые свойства, чтобы схемы работали лучше.

Диод Шоттки, например, имеет очень низкое прямое напряжение. Если типичный сигнальный диод имеет Vf 0.7 В, Vf диода Шоттки может упасть до 0,15 В. Поставщик электроники для хобби SparkFun рекомендует диоды Шоттки, «когда нужно беречь до последнего бита напряжения».

Стабилитрон

— это своего рода антидиод. Производители конструируют стабилитроны так, чтобы через них протекали обратные токи, не повреждая диод. Диод будет блокировать ток с обратным смещением, пока напряжение остается ниже определенной точки. После этого стабилитрон пропускает ток при постоянном напряжении стабилитрона (Vz).

Кто делает диоды?

По данным исследовательской компании Technavio, продажи одних только дискретных диодов приносят более 3 миллиардов долларов в год. Рынок лазерных диодов стоит еще 55 миллиардов долларов. Это кое-что говорит о том, насколько ценны эти крошечные компоненты для современной электроники.

Однако, в отличие от некоторых отраслей, рынок диодов фрагментирован, и поэтому на нем не доминирует горстка крупных игроков. Некоторые известные надежные поставщики качественных диодов включают:

Эти компании продают продукцию производителям по всему миру, но их продукция доступна в меньших количествах у торговых посредников, таких как Mouser Electronics или DigiKey Electronics.Менее известные производители диодов, такие как Chanzon и T&F Electronics, имеют хорошую репутацию среди клиентов Amazon.

Кто вы рекомендуете источник высококачественных диодов? Какие особенности вы ищете, чтобы найти надежного поставщика диодов? Поделитесь с нами в комментариях ниже!

Вы только что видели, что диод пропускает ток в одном

Расшифрованный текст изображения: Вы только что видели, что диод пропускает ток в одном направлении … при прямом смещении. Сказать, что он не пропускает ток в обратном направлении смещения, — это приближение, которое работает для большинства инженерных приложений, но даже в инженерии вы не скажете, что диод пропускает все от нуля вольт и выше.эВ / кТл -1) I_o зависит от материалов, но не от приложенного тока или напряжения. Предположим, здесь 5,0 нА. V в уравнении положительно для прямого смещения и отрицательно для обратного смещения. k — постоянная Больцмана (в Джоулях / Кельвинах), а T — температура, поэтому предположим, что это комнатная температура при 300 К. e — это заряд электрона, как обычно. Я хотел бы, чтобы вы построили график этого уравнения в диапазоне от -0,40 вольт до 0,40 вольт. Нарисуйте график вручную или распечатайте график с помощью любого графического калькулятора, который у вас есть.Либо прикрепите распечатанную страницу, нарисуйте результаты на обратной стороне этой страницы. Пусть по горизонтальной оси будет напряжение, а по вертикальной оси — ток, как показано на обратной стороне этой страницы. Выберите интервалы между метками осей, чтобы график охватывал как можно больше всей площади. Однако вы обнаружите, что вам нужно приблизиться к отрицательным напряжениям … но пусть это покажет в основном, что происходит. Может быть, вы хотите использовать шкалу журнала? Решать вам. Используйте не менее двадцати напряжений в диапазоне и тщательно промаркируйте оси, показывая, какой ток соответствует какому напряжению.Вот несколько значений, которые могут помочь: Какой ток при прямом смещении 0,5 В? _______________ Какой ток при прямом смещении 0,2 В? _______________ Какой ток при прямом смещении 0,01 В? _______________ Какой ток при обратном смещении -0,1 вольт? _______________ Какой ток при обратном смещении -0,2 В? _______________ Какой ток при обратном смещении -0,5 В? _______________ Какое отношение прямого тока к обратному току при: 0,50 вольт вперед к -0.Обратное смещение 50 вольт? _______________ Вы бы сказали, что это число маленькое, очень маленькое, большое, очень большое? _________________ Итак, основываясь на этих числах и вашем графике, объясните более подробно, что делает диод.