Введение в диоды и выпрямители

Все о диодах

диод электрическое устройство, пропускающее ток продвигаться по нему в одном направлении с гораздо большей легкостью, чем в другом. Самый распространенный вид диодов в современной схемотехнике - это полупроводниковые . диод, хотя существуют и другие диодные технологии. Полупроводниковые диоды обозначены на схематических диаграммах, таких как рисунок ниже. Термин «диод» обычно используется для малосигнальных устройств, I ≤ 1 A. Термин выпрямитель используется для силовых устройств, I> 1 А.

Условное обозначение полупроводникового диода:стрелки указывают направление тока.

При размещении в простой цепи батарея-лампа, диод будет пропускать или предотвращать прохождение тока через лампу, в зависимости от полярности приложенного напряжения. (рисунок ниже)

Работа диода:(a) Допускается протекание тока; диод смещен в прямом направлении. (b) Текущий поток запрещен; диод имеет обратное смещение.

Когда полярность батареи такова, что ток может течь через диод, диод называется смещенным в прямом направлении . . И наоборот, когда батарея находится «в обратном направлении» и диод блокирует ток, говорят, что диод смещен в обратном направлении . . Диод можно рассматривать как переключатель:«замкнут» при прямом смещении и «разомкнут» при обратном смещении.

Направление стрелки символа диода указывает направление тока в обычном потоке. Это соглашение справедливо для всех полупроводников, на схемах которых есть «наконечники стрел». Обратное верно, когда используется поток электронов, когда направление тока направлено против «стрелки».

Аналогия с гидравлическим обратным клапаном

Поведение диода аналогично поведению гидравлического устройства, называемого обратным клапаном . . Обратный клапан позволяет жидкости проходить через него только в одном направлении, как показано на рисунке ниже.

Аналогия с гидравлическим обратным клапаном:(a) Допустимый ток. (б) Текущий поток запрещен.

Обратные клапаны - это, по сути, устройства, работающие под давлением:они открываются и пропускают поток, если давление на них имеет правильную «полярность» для открытия заслонки (в показанной аналогии давление жидкости справа больше, чем слева). Если давление имеет противоположную «полярность», перепад давления на обратном клапане закроется и удержит задвижку, чтобы не было потока.

Как и обратные клапаны, диоды, по сути, представляют собой устройства, работающие от давления (напряжения). Существенная разница между прямым и обратным смещением заключается в полярности падения напряжения на диоде. Давайте подробнее рассмотрим простую схему батарея-диод-лампа, показанную ранее, на этот раз исследуя падение напряжения на различных компонентах на рисунке ниже.

Измерения напряжения диодной цепи:(a) Прямое смещение. (б) Обратное смещение.

Конфигурация прямого смещения диода

Диод с прямым смещением проводит ток и понижает на нем небольшое напряжение, в результате чего большая часть напряжения батареи падает на лампе. Если полярность батареи поменять, диод смещается в обратном направлении и гаснет все . напряжения батареи, не оставив лампу. Если мы считаем диод самодействующим переключателем (замкнутым в режиме прямого смещения и разомкнутым в режиме обратного смещения), такое поведение имеет смысл. Наиболее существенное различие заключается в том, что диод пропускает намного больше напряжения, чем средний механический переключатель (0,7 вольт против десятков милливольт).

Это падение напряжения прямого смещения, проявляемое диодом, связано с действием области обеднения, образованной P-N переходом под влиянием приложенного напряжения. Если на полупроводниковый диод не подается напряжение, вокруг области P-N-перехода существует тонкая обедненная область, предотвращающая протекание тока. (Рисунок ниже (а)) Область обеднения почти лишена доступных носителей заряда и действует как изолятор:

Представления диодов:модель PN-перехода, схематическое обозначение, физическая часть.

Схематическое обозначение диода показано на рисунке выше (b), так что анод (указывающий конец) соответствует полупроводнику P-типа в точке (a). Катодный стержень, не указывающий конец, в точке (b) соответствует материалу N-типа в точке (a). Также обратите внимание, что катодная полоса на физической части (c) соответствует катоду на символе.

Конфигурация диода обратного смещения

Если напряжение обратного смещения приложено к переходу P-N, эта область истощения расширяется, дополнительно сопротивляясь любому току через нее. (Рисунок ниже)

Область истощения расширяется с обратным смещением.

прямое напряжение

И наоборот, если напряжение прямого смещения приложено к переходу P-N, область обеднения сжимается, становясь тоньше. Диод становится менее резистентным к проходящему через него току. Для того, чтобы через диод шел устойчивый ток; тем не менее, область истощения должна полностью схлопываться приложенным напряжением. Для этого требуется определенное минимальное напряжение, называемое прямым напряжением . как показано на рисунке ниже.

Увеличение прямого смещения от (a) до (b) уменьшает толщину обедненной области.

Для кремниевых диодов типичное прямое напряжение составляет 0,7 В от номинального. Для германиевых диодов прямое напряжение составляет всего 0,3 вольта. Химическая составляющая P-N перехода, составляющего диод, определяет его номинальное прямое напряжение, поэтому кремниевые и германиевые диоды имеют такие разные прямые напряжения. Прямое падение напряжения остается примерно постоянным для широкого диапазона токов диодов, а это означает, что падение напряжения на диоде не похоже на падение напряжения на резисторе или даже на нормальном (замкнутом) переключателе. Для наиболее упрощенного анализа схемы падение напряжения на проводящем диоде можно считать постоянным при номинальном значении и не связанным с величиной тока.

Уравнение диода

На самом деле прямое падение напряжения более сложное. Уравнение описывает точный ток через диод с учетом падения напряжения на переходе, температуры перехода и нескольких физических констант. Это широко известно как уравнение диода :

Термин kT / q описывает напряжение, возникающее внутри P-N перехода из-за воздействия температуры, и называется тепловым напряжением . , или Vt соединения. При комнатной температуре это примерно 26 милливольт. Зная это и принимая коэффициент «неидеальности» равным 1, мы можем упростить уравнение диода и переписать его как таковое:

Вам не нужно знать «уравнение диода» для анализа простых диодных цепей. Просто поймите, что падение напряжения на токопроводящем диоде делает изменяется с величиной проходящего через него тока, но это изменение довольно мало в широком диапазоне токов. Вот почему во многих учебниках просто говорится, что падение напряжения на проводящем полупроводниковом диоде остается постоянным и составляет 0,7 В для кремния и 0,3 В для германия.

Однако в некоторых схемах намеренно используется присущее P-N-переходу экспоненциальное соотношение тока / напряжения, и поэтому их можно понять только в контексте этого уравнения. Кроме того, поскольку температура является фактором в уравнении диода, прямосмещенный P-N-переход может также использоваться в качестве устройства измерения температуры и, таким образом, может быть понят, только если у человека есть концептуальное представление об этой математической зависимости.

Работа с обратным смещением

Диод с обратным смещением предотвращает прохождение тока через него из-за расширенной области обеднения. На самом деле через диод с обратным смещением может протекать очень небольшой ток, который называется током утечки . , но для большинства целей его можно игнорировать.

Способность диода выдерживать напряжения обратного смещения ограничена, как и любого изолятора. Если приложенное напряжение обратного смещения станет слишком большим, диод испытает состояние, известное как пробой . (рисунок ниже), что обычно деструктивно.

Максимальное напряжение обратного смещения диода известно как пиковое обратное напряжение . , или PIV , и может быть получена у производителя. Как и прямое напряжение, рейтинг PIV диода зависит от температуры, за исключением того, что PIV увеличивается . при повышенной температуре и понижении по мере того, как диод становится холоднее - прямо противоположно прямому напряжению.

Диодная кривая:показывает изгиб при прямом смещении 0,7 В для Si и обратном пробое.

Обычно рейтинг PIV обычного «выпрямительного» диода составляет не менее 50 вольт при комнатной температуре. Диоды с рейтингом PIV в несколько тысяч вольт доступны по скромным ценам.

ОБЗОР:

• диод представляет собой электрический компонент, действующий как односторонний клапан для тока.
• Когда на диод подается напряжение таким образом, что диод пропускает ток, диод считается смещенным в прямом направлении . .
• Когда на диод подается напряжение таким образом, что диод пропускает ток, считается, что диод смещен в обратном направлении . .
• Напряжение, падающее на проводящий диод с прямым смещением, называется прямым напряжением . . Прямое напряжение диода незначительно изменяется при изменении прямого тока и температуры и фиксируется химическим составом P-N перехода.
• Прямое напряжение кремниевых диодов составляет примерно 0,7 В.
• Прямое напряжение германиевых диодов составляет примерно 0,3 В.
• Максимальное обратное напряжение смещения, которое диод может выдержать без «пробоя», называется пиковым обратным напряжением . , или PIV рейтинг.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Рабочий лист выпрямляющих диодов
• Рабочий лист соединений PN