Содержание
Диод — полупроводниковый элемент. Принцип работы, устройство и разновидности.
Диод (Diode -eng.) – электронный прибор, имеющий 2 электрода, основным функциональным свойством которого является низкое сопротивление при передаче тока в одну сторону и высокое при передаче в обратную.
То есть при передаче тока в одну сторону он проходит без проблем, а при передаче в другую, сопротивление многократно увеличивается, не давая току пройти без сильных потерь в мощности. При этом диод довольно сильно нагревается.
Диоды бывают электровакуумные, газоразрядные и самые распространённые – полупроводниковые. Свойства диодов, чаще всего в связках между собой, используются для преобразования переменного тока электросети в постоянный ток, для нужд полупроводниковых и других приборов.
Конструкция диодов.
Конструктивно, полупроводниковый диод состоит из небольшой пластинки полупроводниковых материалов (кремния или германия), одна сторона (часть пластинки) которой обладает электропроводимостью p-типа, то есть принимающей электроны (содержащей искусственно созданный недостаток электронов («дырочная»)), другая обладает электропроводимостью n-типа, то есть отдающей электроны (содержащей избыток электронов («электронной»)).
Слой между ними называется p-n переходом. Здесь буквы p и n — первые в латинских словах negative — «отрицательный», и positive — «положительный». Сторона p-типа, у полупроводникового прибора является анодом (положительным электродом), а область n-типа — катодом (отрицательным электродом) диода.
Электровакуумные (ламповые) диоды, представляют собой лампу с двумя электродами внутри, один из которых имеет нить накаливания, таким образом подогревая себя и создавая вокруг себя магнитное поле.
При разогреве, электроны отделяются от одного электрода (катода) и начинают движение к другому электроду (аноду), благодаря электрическому магнитному полю. Если направить ток в обратную сторону (изменить полярность), то электроны практически не будут двигаться к катоду из-за отсутствия нити накаливания в аноде. Такие диоды, чаще всего применяются в выпрямителях и стабилизаторах, где присутствует высоковольтная составляющая.
Диоды на основе германия, более чувствительны на открытие при малых токах, поэтому их чаще используют в высокоточной низковольтной технике, чем кремниевые.
Типы диодов:
- · Смесительный диод — создан для приумножения двух высокочастотных сигналов.
- · pin диод — содержит область проводимости между легированными областями. Используется в силовой электронике или как фотодетектор.
- · Лавинный диод — применяется для защиты цепей от перенапряжения. Основан на лавинном пробое обратного участка вольт-амперной характеристики.
- · Лавинно-пролётный диод — применяется для генерации колебаний в СВЧ-технике.
Основан на лавинном умножении носителей заряда.
Основан на лавинном умножении носителей заряда.- · Магнитодиод. Диод, характеристики сопротивления которого зависят от значения индукции магнитного поля и расположения его вектора относительно плоскости p-n-перехода.
- · Диоды Ганна. Используются для преобразования и генерации частоты в СВЧ диапазоне.
- · Диод Шоттки. Имеет малое падение напряжения при прямом включении.
- · Полупроводниковые лазеры.
Применяются в лазеростроении, по принципу работы схожи с диодами, но излучают в когерентном диапазоне.
- · Фотодиоды. Запертый фотодиод открывается под действием светового излучения. Применяются в датчиках света, движения и т. д.
д.- · Солнечный элемент (вариация солнечных батарей). При попадании света, происходит движение электронов от катода к аноду, что генерирует электрический ток.
- · Стабилитроны — используют обратную ветвь характеристики диода с обратимым пробоем для стабилизации напряжения.
- · Туннельные диоды, использующие квантовомеханические эффекты. Применяются как усилители, преобразователи, генераторы и пр.
- · Светодиоды (диоды Генри Раунда, LED). При переходе электронов, у таких диодов происходит излучение в видимом диапазоне света.
Для данных диодов используют прозрачные корпуса для возможности рассеивания света. Также производят диоды, которые могут давать излучение в ультрафиолетовом, инфракрасном и других требуемых диапазонах (в основном, литографической и космической сфере).
- · Варикапы (диод Джона Джеумма) Благодаря тому, что закрытый p—n-переход обладает немалой ёмкостью, ёмкость зависит от приложенного обратного напряжения. Применяются в качестве конденсаторов с переменной ёмкостью.
Что такое диод: назначение, устройство, принцип работы
В электротехнике используется много радиодеталей, и все они имеют свои особенности, но семейство диодов имеет свои удивительные свойства.
Манипулируя соотношениями примесей или конструктивными особенностями, получают новые возможности этого прибора, используемые совершенно для других целей. Зная, что такое диод, его устройство и принцип работы диода можно научиться использовать его для самых неожиданных решений.
Приглашаем познакомиться с этим многоцелевым и разнообразным радиоэлементом. А начнем с назначения диода.
Назначение диода
Область применения диодов все больше и больше расширяется.
Это достигается благодаря тому, что работа над их преобразованием не утихает, а только увеличивается. Рассмотрим, где их можно встретить:
- выпрямление;
- детектирование;
- защита;
- стабилизация;
- переключение;
- излучение.
На заре своего образования диоды назывались выпрямителями. Они способны пропускать ток в одном направлении и задерживать его в противоположном. Благодаря чему переменный ток становился однонаправленным, пульсирующим. То есть напряжение носило волновой характер.
Причем выпрямление могло быть как на одном диоде, тогда на выходе была только положительная полуволна, так и на четырех, в этом случае на выходе оставались и положительная, и отрицательная полуволны.
Другой способ применения – детектирование. Радио и телевизионные сигналы передаются на несущих частотах. В передающих устройствах с помощью модулятора происходит наложение полезного сигнала на несущую частоту.
Чтобы извлечь полезную информацию, чаще всего применяют диод с конденсатором. В этом случае диод работает как однопериодный выпрямитель, а конденсатор фильтрует ненужные частоты.
Диод используется для защиты, например, в коммутируемой цепи с индукционной нагрузкой. Если катушку, по которой проходит ток отключить, то электроны под действием электромагнитного поля продолжат двигаться, создавая для ключа опасное высокое напряжение.
В качестве ключа может быть использован транзистор, который может выйти из строя. Чтобы снять накопленный заряд, параллельно катушке подключают диод, но включают его в обратном направлении относительно движения тока. При отключении выключателя диод возвращает ток на начало катушки, тем самым защищая ключ.
Несколько измененные диоды способны работать в обратном направлении, пропуская через себя ток, когда напряжение превышает допустимое значение. Такие приборы называются стабилитронами, и о них будет сказано ниже.
Для переключения частот часто требуются переменные конденсаторы.
Варикап, еще одна разновидность диода, способен менять свою емкость под действием меняющегося обратного напряжения.
Наконец, светодиоды и фотодиоды. Светодиоды способны излучать потоки лучистой энергии, фотодиоды, напротив, преобразуют солнечный свет в электрический ток. Фотодиоды по своему назначению также разнообразны и имеют различное применение.
Из чего состоит диод
Лучше всего понять, что такое диод поможет его строение. Выделим три основные группы:
- вакуумные;
- газонаполненные;
- полупроводниковые.
Как у любого другого радиоэлемента у диода есть выводы. Если перевести слово диод с древнегреческого, то получится два электрода. Они носят название:
- анод;
- катод.
В обычном состоянии на анод подается положительное напряжение, на катод отрицательное. В этом случае диод открыт и через него протекает ток.
На оба вывода могут подаваться положительные потенциалы, но на аноде этот потенциал должен превышать катодный. |
В вакуумных диодах применяются стеклянные или металлические баллоны, из которых выкачан воздух. Катод может быть:
- прямого накала;
- косвенного накала.
Катод прямого накала представляет собой спиральную нить, по которой проходит ток, разогревая его. При этом высвобождаются электроны, которые устремляются к аноду, если он имеет положительный потенциал относительно катода.
Если на аноде напряжение ниже катодного, то электроны возвращаются назад. Таким образом, происходит выпрямление переменного тока. В лампах с косвенным подогревом катод представляет собой короб или цилиндр, внутри него находится нить накала, разогревающая его.
В отличие от вакуумных диодов в газонаполненных имеется ионизированный газ. Он становится проводником между анодом и катодом. Для включения диода используют сетки или поджигающий электрод.
Вакуумные и газонаполненные диоды способны пропускать большой ток и работать с повышенным напряжением.
Однако они потребляют много энергии для своей работы, поэтому на смену им пришли полупроводники.
По проводимости электрического тока различают:
- проводники;
- полупроводники;
- диэлектрики.
Полупроводники занимают промежуточное значение между проводниками и диэлектриками. В обычном состоянии они не проводят ток, но при определенных условиях у них появляется проводимость. Достигается это, например, добавлением примесей. Различают два вида проводимости:
- с помощью электронов, n-тип;
- с помощью дырок, p-тип.
| Материал, основным носителем которого служат положительно заряженные атомы. Для этого добавляют акцепторные примеси, при этом получается материал с недостающим количеством электронов. Для n-типа добавляют донорные примеси, материал обладает избытком электронов. |
Соединяя эти два типа получают прибор, способный пропускать ток только в одном направлении.
Как определить анод и катод диода
Диоды бывают разного размера, и маркировка может несколько отличаться. Например, на диодах советского образца на корпусе, который был достаточно большим, непосредственно наносился знак диода, указывающий направление движения.
Корпус, расположенный возле катода, может иметь большое расширение в виде кольца. На некоторых видах устанавливают знаки + и – или делают отметку в виде нарисованного кольца либо точки.
В случае сомнения можно проверить диод с помощью мультиметра, поставив прибор в режим измерения сопротивления или проверки диода, если есть такой режим.
Если сопротивление маленькое, значит, щуп с положительным напряжением подключен к аноду, а минусовой к катоду. Большое сопротивление говорит, что щупы подключены в обратном порядке.
Принцип работы диода
Осталось посмотреть, как работает диод. Когда происходит соединение двух полупроводников разной проводимостью, между ними появляется пограничная полоса с нейтральным зарядом, поскольку часть электронов занимает часть дырок.
При прямом включении положительное напряжение подается на дырочную область, а отрицательное на электронную. В этом случае электроны под действием напряжения перескакивают нейтральную зону и, проходя через дырочную область, устремляются к положительному полюсу источника питания.
Если поменять напряжение, электроны уходят к положительному полюсу, увеличивая нейтральную зону. В этом случае диод закрывается.
Диод в цепи постоянного тока
В схеме с постоянным током диод работает как ключ: открывается, когда прямое напряжение превышает пороговое значение и закрывается, когда это напряжение становится меньше.
Выше было рассмотрена работа диода с катушкой индуктивности. Когда по катушке идет ток, то параллельно подключенный диод находится в закрытом состоянии, так как на аноде и катоде напряжение почти равно.
Когда цепь размыкается, по катушке продолжает идти ток и накапливается. Напряжение на аноде повышается, диод открывается и пропускает лишний заряд через себя.
После падения напряжения он закрывается.
Обозначение диода на схемах
Для пояснения работы радиоэлектронного устройства используют электрические принципиальные схемы. Найти диод на схеме не составит труда, потому что обозначение диода осуществляется с помощью треугольника с вертикальным отрезком на его вершине.
Рядом ставится порядковый номер и буквы VD.
Диод в цепи переменного тока
Если диод работает как выпрямитель переменного тока, тогда во время повышения напряжения положительной полуволны диод открывается, а когда напряжение падает ниже порогового значения, он закрывается. Во время отрицательной полуволны включается в работу параллельно подключенный диод, но обращенный в обратном направлении.
Два других подключены таким же образом к нулевому проводу. При каждой полуволне участвуют в работе два диода, один связан с фазным проводом, другой с нулевым. Снимаемое с них положительное и отрицательное напряжение подается в постоянную цепь.
Характеристики диода
Полупроводники очень чувствительны к перегреву, поэтому режим их работы строго оговаривается. Учитываются следующие параметры:
рабочее, максимальное и импульсное обратное напряжение;
- прямое напряжение;
- обратный ток;
- прямой постоянный, импульсный и ток перегрузки;
- рабочая и максимальная частота;
- максимальная температура корпуса и перехода.
Допускается максимальное значение только по одному из указанных параметров. После импульса должно пройти оговоренное время, чтобы прибор успел остыть.
Виды диодов
Кроме описанных диодов, используются диоды, у которых характеристики изменены за счет примесей и конструкторских доработок. Остановимся на двух из них: стабилитроне и светодиоде.
Стабилитроны
Работа стабилитрона отличается от работы диода. Подключается он в обратном направлении, то есть на анод подают отрицательное напряжение, а на катод положительное.
При таком подключении он работает в пробивном режиме.
Стабилитроны рассчитаны на определенное рабочее обратное напряжение, при достижении которого происходит обратимый пробой. Используются для поддержания определенного напряжения на контролируемом участке цепи. Чтобы ток не превышал рабочее значение, в цепь стабилитрона ставят ограничивающий резистор.
Светодиоды
У полупроводниковых приборов p-n-переход из-за внутреннего сопротивления постоянно греется. Это происходит главным образом во время захвата дырками электронов. Высвобождается энергия, нагревающая переход.
В 60-х годах прошлого столетия был создан светодиод, в котором часть высвобождаемой энергии была лучистой с красным и желто-зеленым свечением. Правда, процентное соотношение было маленьким, всего 0,1% от всей высвобождаемой энергии. Но это было только началом.
В 70-х годах упорные разработки привели к хорошим показателям. Сначала это был 15% выход, затем дошло до 55%. Такой показатель уже превышал к.
п. д. ламп накаливания. Испускаемый свет имеет очень узкий спектр, что позволяет получать очень качественное цветное свечение.
Оно намного превосходит свет ламп накаливания, пропущенных через светофильтр. Мощность светового потока также была поднята, это дало возможность использовать светодиоды в качестве освещения.
Тиристоры
Тиристоры – это общее название для мощных диодов, работающих в режиме ключа. Подразделяются на три вида:
- тринистор;
- динистор;
- симистор.
Тринистор имеет три вывода: анод, катод и управляющий электрод. При подаче небольшого управляющего напряжения на управляющий электрод тринистор открывается. Динистор открывается при достижении заданного напряжения на его двух выводах. Симистор – это два динистора, включенных навстречу друг другу. То есть он работает, в отличие от динистора, в двух направлениях.
Исследуя, что такое диод, можно открыть для себя еще много удивительных знаний. Здесь были рассмотрены лишь поверхностные познания, но они уже могут дать понять, что такие элементы радиотехники очень полезны и разнообразны в своем применении.
Похожие материалы на сайте:
- Причины возникновения коротких замыканий
- Что опаснее ток или напряжение
Знакомство с диодами – что это такое и как это работает
Если вы знакомы с конденсаторами и резисторами, то вы знаете, что диод – это в основном простейший полупроводник, способный выполнять множество функций, поэтому они также бывают разных форм. Сегодня мы рассмотрим все, что вам нужно знать о диодах.
Однако, прежде чем мы сможем сразу перейти к нашей основной теме дня, давайте рассмотрим основные понятия, которые вы должны знать, что поможет вам лучше понять диоды:
- Напряжение : Разница электрического потенциала между двумя точками.
- Резистор : Пассивный двухконтактный электрический компонент, реализующий электрическое сопротивление как элемент цепи.
- Конденсатор : пассивный компонент, накапливающий электрическую энергию в электрическом поле.
- Транзистор : Полупроводниковое устройство с тремя выводами для усиления или переключения электронных сигналов и электропитания.
Если вам нужна дополнительная информация об этих концепциях, загляните в эти блоги, чтобы узнать:
- Введение в электронные компоненты: что такое конденсатор?
- Что такое транзистор? Типы, применение, принцип работы
- Введение в измерительный прибор: что такое мультиметр?
- Что происходит в электрической цепи: напряжение и ток.
- Резисторы: Подтягивающие и подтягивающие резисторы.
- Электронная схема: делители напряжения
С указанным указанием давайте посмотрим на то, что будет рассмотрено в этом блоге:
- Обзор диодов
- Варианты диодов
- Диодные символы и расчеты
- Diode
- Диодные проекты
9.
6. Диоды
Что такое диод?
Диод — это полупроводниковый прибор с двумя выводами, пропускающий ток только в одном направлении.
В основном он имеет незначительное сопротивление на одном конце и высокое сопротивление на другом, чтобы предотвратить протекание тока в обоих направлениях. Таким образом, диод подобен вентилю в электрической цепи.
Ref: Wikipedia
Конструкция диода
На самом деле существует много типов диодов, но здесь мы будем говорить о конструкции базового полупроводникового диода.
Ref: Wikibooks
Как мы уже упоминали, диод — это полупроводник, поэтому он сделан либо из кремния, либо из герани. На изображении выше вы также можете видеть, что диод имеет две клеммы: анод и катод, P-переход и N-переход. В то время как область обеднения предназначена для протекания электронов.
Как работает диод?
Работа диода зависит от взаимодействия между P- и N-переходами. В нормальном сценарии P имеет высокую концентрацию дырок и низкую концентрацию свободных электронов, в то время как N имеет более низкую концентрацию дырок и более высокую концентрацию свободных электронов, электроны будут двигаться к P и позволят току течь только через P .
Приведенное выше объяснение применимо только к тому, что обычно происходит, теперь давайте рассмотрим некоторые из особых сценариев:
Прямой смещенный диод
Ref: electric4u
Это может произойти, когда положительный вывод источника подключен к P-переходу, а отрицательный вывод источника подключен к N-переходу диода при медленном увеличении напряжения от нуля.
В начале не будет протекать ток из-за потенциального барьера. Однако, если внешнее напряжение, приложенное к диоду, больше, чем прямой потенциальный барьер, диод будет действовать как короткозамкнутый путь, и только тогда ток будет ограничен внешними резисторами.
Диод обратного смещения
Ref: electric4u
Это происходит, когда источник напряжения подключен к отрицательной клемме P-перехода, а источник напряжения подключен к положительной клемме N-перехода.
Как вы уже заметили, это имеет эффект, противоположный прямому смещению диода. Из-за электростатического притяжения дырки в P-переходе будут смещены дальше от области истощения, оставив в этой области больше непокрытых отрицательных ионов.
Когда это происходит, поток тока будет заблокирован, и ток не будет течь по цепи.
Несмещенный диод
Ссылка: electric4u
Когда P- и N-переход соприкасаются друг с другом, дырки начинают распространяться от P-перехода к N-переходу и наоборот. Это связано с разницей в концентрации дырок, как упоминалось ранее. В конце концов электроны рекомбинируют в обедненной области, и диффузии зарядов больше не будет.
Варианты диода
Как мы знаем, на рынке существует очень много вариантов диодов. Но сегодня мы будем говорить только о трех распространенных типах, чтобы было легче понять.
Стабилитрон
Ссылка: Википедия
Стабилитроны представляют собой специальные сильнолегированные полупроводниковые диоды, которые позволяют току течь в противоположном направлении при достаточном напряжении, в отличие от обычных диодов. Он специально разработан для пробоя напряжения неразрушающим способом. Благодаря сильнолегированному полупроводниковому материалу обедненная область может быть очень тонкой, что увеличивает напряженность электрического поля.
Конструкция:
Ref: узнать об электронике
Выпрямительный диод
Ref: 911electronic
Выпрямительные диоды представляют собой двухпроводные полупроводники, которые, как и другие диоды, пропускают ток только в одном направлении. Они сделаны из кремния и способны преобразовывать переменный ток (AC) в постоянный ток (DC). Этот процесс называется выпрямлением.
Конструкция:
Ref: узнайте об электронике
Популярные выпрямительные диоды:
| Диод | Максимальный ток | Maximum Reverse Current |
| 1N4001 | 1A | 50V |
| 1N4002 | 1A | 100V |
| 1N4007 | 1A | 1000V |
| 1N5401 | 3A |
Хотя они очень похожи на выпрямительные диоды, но SBC обычно больше и в них не используется полупроводниковый переход PN.
Они используются в полуволновых и полноволновых выпрямителях. В типичных приложениях преобразования энергии используется один или комбинация из четырех диодов.
В случае обратного подключения ток не будет течь, потому что диод будет находиться в обратном смещении. Тогда нагрузка будет защищена от обратного тока. Однако, если полярность правильная, диод будет находиться в прямом смещении, поэтому через него может протекать ток нагрузки.
Поскольку диод подключен к положительной клемме источника питания, он работает как устройство обратного смещения, которое также может работать в условиях пробоя. Обычно используется диод с высокой номинальной мощностью, поскольку он может выдерживать обратное смещение выше напряжения пробоя. Ток стабилитрона всегда будет минимальным, если применяется минимальное входное напряжение и максимальный ток нагрузки. Учитывая входное напряжение и необходимое выходное напряжение, мы можем использовать стабилитрон с напряжением, примерно равным напряжению нагрузки.
Ток увеличивается, а сопротивление диода уменьшается. Поэтому напряжение на стабилитроне почти такое же. Обычно резистор подключают, чтобы убедиться, что максимально допустимая мощность рассеяния не превышена.
Нагрузка резистивная в положительном полупериоде, и напряжение на нагрузочном резисторе будет таким же, как напряжение питания. Ток нагрузки будет пропорционален приложенному напряжению, а входное синусоидальное напряжение будет на нагрузке.
Электричество не может течь в обедненную область, так как все дыры заполнены и нет свободных электронов или пустых мест для электричества.
Между металлом и полупроводником образуется переход полупроводник-металл, который создает барьер Шоттки. Когда через диод протекает ток, на клеммах диода возникает небольшое падение напряжения. Чем ниже падение напряжения, тем выше КПД системы и выше скорость переключения. Чаще всего диод Шоттки применяется в радиочастотах, в выпрямителях в некоторых силовых приложениях и в смесителях.
Через диод не будет протекать ток, кроме обратного тока насыщения, потому что обедненный слой перехода становится шире с увеличением напряжения обратного смещения. Выпрямительные диоды обычно используются в качестве компонента в источниках питания, которые преобразуют напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока.