Включение диода: Принцип работы диодов для чайников

Принцип работы диодов для чайников

Диод является одной из разновидностей приборов, сконструированных на полупроводниковой основе. Обладает одним p-n переходом, а также анодным и катодным выводом. В большинстве случаев он предназначен для модуляции, выпрямления, преобразования и иных действий с поступающими электрическими сигналами.

• Устройство ↓
• Назначение ↓
• Прямое включение диода ↓
• Обратное включение диода ↓
• Прямое и обратное напряжение ↓
• Работа диода и его вольт-амперная характеристика ↓
• Основные неисправности диодов ↓
• Пробой p-n-перехода ↓
• Электрический пробой ↓
• Тепловой пробой ↓

Принцип работы:

1. Электрический ток воздействует на катод, подогреватель начинает накаливаться, а электрод испускать электроны.
2. Между двумя электродами происходит образование электрического поля.
3. Если анод обладает положительным потенциалом, то он начинает притягивать электроны к себе, а возникшее поле является катализатором данного процесса. При этом, происходит образование эмиссионного тока.
4. Между электродами происходит образование пространственного отрицательного заряда, способного помешать движению электронов. Это происходит, если потенциал анода оказывается слишком слабым. В таком случае, частям электронов не удается преодолеть воздействие отрицательного заряда, и они начинают двигаться в обратном направлении, снова возвращаясь к катоду.
5. Все электроны, которые достигли анода и не вернулись к катоду, определяют параметры катодного тока. Поэтому данный показатель напрямую зависит от положительного анодного потенциала.
6. Поток всех электронов, которые смогли попасть на анод, имеет название анодный ток, показатели которого в диоде всегда соответствуют параметрам катодного тока. Иногда оба показателя могут быть нулевыми, это происходит в ситуациях, когда анод обладает отрицательным зарядом. В таком случае, возникшее между электродами поле не ускоряет частицы, а, наоборот, тормозит их и возвращает на катод. Диод в таком случае остается в запертом состоянии, что приводит к размыканию цепи.

Устройство

Ниже приводится подробное описание устройства диода, изучение этих сведений необходимо для дальнейшего понимания принципов действия этих элементов:

1. Корпус представляет собой вакуумный баллон, который может быть изготовлен из стекла, металла или прочных керамических разновидностей материала.
2. Внутри баллона имеется 2 электрода. Первый является накаленным катодом, который предназначен для обеспечения процесса эмиссии электронов. Самый простейший по конструкции катод представляет собой нить с небольшим диаметром, которая накаливается в процессе функционирования, но на сегодняшний день более распространены электроды косвенного накала. Они представляют собой цилиндры, изготовленные из металла, и обладающие особым активным слоем, способным испускать электроны.
3. Внутри катода косвенного накала имеется специфический элемент – проволока, которая накаливается под воздействием электрического тока, она называется подогреватель.
4. Второй электрод является анодом, он необходим для приема электронов, которые были выпущены катодом. Для этого он должен обладать положительным относительно второго электрода потенциалом. В большинстве случаев анод также имеет цилиндрическую форму.
5. Оба электрода вакуумных приборов полностью идентичны эмиттеру и базе полупроводниковой разновидности элементов.
6. Для изготовления диодного кристалла чаще всего используется кремний или германий. Одна из его частей является электропроводимой по p-типу и имеет недостаток электронов, который образован искусственным методом. Противоположная сторона кристалла также имеет проводимость, но n-типа и обладает избытком электронов. Между двумя областями имеется граница, которая и называется p-n переходом.

Такие особенности внутреннего устройства наделяют диоды их главным свойством – возможностью проведения электрического тока только в одном направлении.

Назначение

Ниже приводятся основные области применения диодов, на примере которых становится понятно их основное назначение:

1. Диодные мосты представляют собой 4, 6 или 12 диодов, соединенных между собой, их количество зависит от типа схемы, которая может быть однофазной, трехфазной полумостовой или трехфазной полномостовой. Они выполняют функции выпрямителей, такой вариант чаще всего используется в автомобильных генераторах, поскольку внедрение подобных мостов, а также использование вместе с ними щеточно-коллекторных узлов, позволило в значительной степени сократить размеры данного устройства и увеличить степень его надежности. Если соединение выполнено последовательно и в одну сторону, то это повышает минимальные показатели напряжения, которое потребуется для отпирания всего диодного моста.
2. Диодные детекторы получаются при комбинированном использовании данных приборов с конденсаторами. Это необходимо для того, чтобы было можно выделить модуляцию с низкими частотами из различных модулированных сигналов, в том числе амплитудно-модулированной разновидности радиосигнала. Такие детекторы являются частью конструкции многих бытовых потребителей, например, телевизоров или радиоприемников.
3. Обеспечение защиты потребителей от неверной полярности при включении схемных входов от возникающих перегрузок или ключей от пробоя электродвижущей силой, возникающей при самоиндукции, которая происходит при отключении индуктивной нагрузки. Для обеспечения безопасности схем от возникающих перегрузок, применяется цепочка, состоящая из нескольких диодов, имеющих подключение к питающим шинам в обратном направлении. При этом, вход, которому обеспечивается защита, должен подключаться к середине этой цепочки. Во время обычного функционирования схемы, все диоды находятся в закрытом состоянии, но если ими было зафиксировано, что потенциал входа ушел за допустимые пределы напряжения, происходит активация одного из защитных элементов. Благодаря этому, данный допустимый потенциал получает ограничение в рамках допустимого питающего напряжения в сумме с прямым падением показателей напряжение на защитном приборе.
4. Переключатели, созданные на основе диодов, используются для осуществления коммутации сигналов с высокими частотами. Управление такой системой осуществляется при помощи постоянного электрического тока, разделения высоких частот и подачи управляющего сигнала, которое происходит благодаря индуктивности и конденсаторам.
5. Создание диодной искрозащиты. Используются шунт-диодные барьеры, которые обеспечивают безопасность путем ограничения напряжения в соответствующей электрической цепи. В совокупности с ними применяются токоограничительные резисторы, которые необходимы для ограничения показателей электрического тока, проходящего через сеть, и увеличения степени защиты.

Использование диодов в электронике на сегодняшний день весьма широко, поскольку фактически ни одна современная разновидность электронного оборудования не обходится без этих элементов.

Прямое включение диода

На p-n-переход диода может оказывать воздействие напряжение, подаваемое с внешних источников. Такие показатели, как величина и полярность, будут сказываться на его поведении и проводимом через него электрическом токе.

Ниже подробно рассмотрен вариант, при котором происходит подключение плюса к области p-типа, а отрицательного полюса к области n-типа. В этом случае произойдет прямое включение:

1. Под воздействием напряжения от внешнего источника, в p-n-переходе сформируется электрическое поле, при этом его направление будет противоположным относительно внутреннего диффузионного поля.
2. Напряжение поля значительно снизится, что вызовет резкое сужение запирающего слоя.
3. Под воздействием этих процессов значительное количество электронов обретет возможность свободно переходить из p-области в n-область, а также в обратном направлении.
4. Показатели тока дрейфа во время этого процесса остаются прежними, поскольку они напрямую зависят только от числа неосновных заряженных носителей, находящихся в области p-n-перехода.
5. Электроны обладают повышенным уровнем диффузии, что приводит к инжекции неосновных носителей. Иными словами, в n-области произойдет повышение количества дырок, а в p-области будет зафиксирована повышенная концентрация электронов.
6. Отсутствие равновесия и повышенное число неосновных носителей заставляет их уходить вглубь полупроводника и смешиваться с его структурой, что в итоге приводит к разрушению его свойств электронейтральности.
7. Полупроводник при этом способен восстановить свое нейтральное состояние, это происходит благодаря получению зарядов от подключенного внешнего источника, что способствует появлению прямого тока во внешней электрической цепи.

Обратное включение диода

Теперь будет рассмотрен другой способ включения, во время которого изменяется полярность внешнего источника, от которого происходит передача напряжения:

1. Главное отличие от прямого включения заключается в том, что создаваемое электрическое поле будет обладать направлением, полностью совпадающим с направлением внутреннего диффузионного поля. Соответственно, запирающий слой будет уже не сужаться, а, наоборот, расширяться.
2. Поле, находящееся в p-n-переходе, будет оказывать ускоряющий эффект на целый ряд неосновных носителей заряда, по этой причине, показатели дрейфового тока останутся без изменений. Он будет определять параметры результирующего тока, который проходит через p-n-переход.
3. По мере роста обратного напряжения, электрический ток, протекающий через переход, будет стремиться достичь максимальных показателей. Он имеет специальное название – ток насыщения.
4. В соответствии с экспоненциальным законом, с постепенным увеличением температуры будут увеличиваться и показатели тока насыщения.

Прямое и обратное напряжение

Напряжение, которое оказывает воздействие на диод, разделяют по двум критериям:

1. Прямое напряжение – это то, при котором происходит открытие диода и начинается прохождение через него прямого тока, при этом показатели сопротивления прибора являются крайне низкими.
2. Обратное напряжение – это то, которое обладает обратной полярностью и обеспечивает закрытие диода с прохождением через него обратного тока. Показатели сопротивления прибора при этом начинают резко и значительно расти.

Сопротивление p-n-перехода является постоянно меняющимся показателем, в первую очередь на него оказывает влияние прямое напряжение, подающееся непосредственно на диод. Если напряжение увеличивается, то показатели сопротивления перехода будут пропорционально уменьшаться.

Это приводит к росту параметров прямого тока, проходящего через диод. Когда данный прибор закрыт, то на него воздействует фактически все напряжение, по этой причине показатели проходящего через диод обратного тока являются незначительными, а сопротивление перехода при этом достигает пиковых параметров.

Работа диода и его вольт-амперная характеристика

Под вольт-амперной характеристикой данных приборов понимается кривая линия, которая показывает то, в какой зависимости находится электрический ток, протекающий через p-n-переход, от объемов и полярности напряжения, воздействующего на него.

Подобный график можно описать следующим образом:

1. Ось, расположенная по вертикали: верхняя область соответствует значениям прямого тока, нижняя область параметрам обратного тока.
2. Ось, расположенная по горизонтали: область, находящаяся справа, предназначена для значений прямого напряжения; область слева для параметров обратного напряжения.
3. Прямая ветвь вольт-амперной характеристики отражает пропускной электрический ток через диод. Она направлена вверх и проходит в непосредственной близости от вертикальной оси, поскольку отображает увеличение прямого электрического тока, которое происходит при увеличении соответствующего напряжения.
4. Вторая (обратная) ветвь соответствует и отображает состояние закрытого электрического тока, который также проходит через прибор. Положение у нее такое, что она проходит фактически параллельно относительно горизонтальной оси. Чем круче эта ветвь подходит к вертикали, тем выше выпрямительные возможности конкретного диода.
5. По графику можно наблюдать, что после роста прямого напряжения, протекающего через p-n-переход, происходит медленное увеличение показателей электрического тока. Однако постепенно, кривая достигает области, в которой заметен скачок, после которого происходит ускоренное нарастание его показателей. Это объясняется открытием диода и проведением тока при прямом напряжении. Для приборов, изготовленных из германия, это происходит при напряжении равном от 0,1В до 0,2В (максимальное значение 1В), а для кремниевых элементов требуется более высокий показатель от 0,5В до 0,6В (максимальное значение 1,5В).
6. Показанное увеличение показателей тока может привести к перегреву полупроводниковых молекул. Если отведение тепла, происходящее благодаря естественным процессам и работе радиаторов, будет меньше уровня его выделения, то структура молекул может быть разрушена, и этот процесс будет иметь уже необратимый характер. По этой причине, необходимо ограничивать параметры прямого тока, чтобы не допустить перегрева полупроводникового материала. Для этого, в схему добавляются специальные резисторы, имеющие последовательное подключение с диодами.
7. Исследуя обратную ветвь можно заметить, что если начинает увеличиваться обратное напряжение, которое приложено к p-n-переходу, то фактически незаметен рост параметров тока. Однако в случаях, когда напряжение достигает параметров, превосходящих допустимые нормы, может произойти внезапный скачок показателей обратного тока, что перегреет полупроводник и будет способствовать последующему пробою p-n-перехода.

Основные неисправности диодов

Иногда приборы подобного типа выходят из строя, это может происходить из-за естественной амортизации и старения данных элементов или по иным причинам.

Всего выделяют 3 основных типа распространенных неисправностей:

1. Пробой перехода приводит к тому, что диод вместо полупроводникового прибора становится по своей сути самым обычным проводником. В таком состоянии он лишается своих основных свойств и начинает пропускать электрический ток в абсолютно любом направлении. Подобная поломка легко выявляется при помощи стандартного мультиметра, который начинает подавать звуковой сигнал и показывать низкий уровень сопротивления в диоде.
2. При обрыве происходит обратный процесс – прибор вообще перестает пропускать электрический ток в каком-либо направлении, то есть он становится по своей сути изолятором. Для точности определения обрыва, необходимо использовать тестеры с качественными и исправными щупами, в противном случае, они могут иногда ложно диагностировать данную неисправность. У сплавных полупроводниковых разновидностей такая поломка встречается крайне редко.
3. Утечка, во время которой нарушается герметичность корпуса прибора, вследствие чего он не может исправно функционировать.

Пробой p-n-перехода

Подобные пробои происходят в ситуациях, когда показатели обратного электрического тока начинают внезапно и резко расти, происходит это из-за того, что напряжение соответствующего типа достигает недопустимых высоких значений.

Обычно различается несколько видов:

1. Тепловые пробои, которые вызваны резким повышением температуры и последующим перегревом.
2. Электрические пробои, возникающие под воздействием тока на переход.

График вольт-амперной характеристики позволяет наглядно изучать эти процессы и разницу между ними.

Электрический пробой

Последствия, вызываемые электрическими пробоями, не носят необратимого характера, поскольку при них не происходит разрушение самого кристалла. Поэтому при постепенном понижении напряжения можно восстановить всей свойства и рабочие параметры диода.

При этом, пробои такого типа делятся на две разновидности:

1. Туннельные пробои происходят при прохождении высокого напряжения через узкие переходы, что дает возможность отдельно взятым электронам проскочить через него. Обычно они возникают, если в полупроводниковых молекулах имеется большое количество разных примесей. Во время такого пробоя, обратный ток начинает резко и стремительно расти, а соответствующее напряжение находится на низком уровне.
2. Лавинные разновидности пробоев возможны благодаря воздействию сильных полей, способных разогнать носителей заряда до предельного уровня из-за чего они вышибают из атомов ряд валентных электронов, которые после этого вылетают в проводимую область. Это явление носит лавинообразный характер, благодаря чему данный вид пробоев и получил такое название.

Тепловой пробой

Возникновение такого пробоя может произойти по двум основным причинам: недостаточный теплоотвод и перегрев p-n-перехода, который происходит из-за протекания через него электрического тока со слишком высокими показателями.

Повышение температурного режима в переходе и соседних областях вызывает следующие последствия:

1. Рост колебания атомов, входящих в состав кристалла.
2. Попадание электронов в проводимую зону.
3. Резкое повышение температуры.
4. Разрушение и деформация структуры кристалла.
5. Полный выход из строя и поломка всего радиокомпонента.

Статья была полезна?

5,00 (оценок: 1)

Обратное включение — диод — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Cтраница 1

Обратное включение диода характеризуется практически полным отсутствием тока при достаточно большом обратном напряжении; иными словами, диод при обратном включении имеет очень большое сопротивление.
 [1]

Обратное включение диода связи происходит медленнее, так как после запирания управляющего диода необходимо время, пока вследствие зарядки паразитных емкостей разрядным током напряжение на диоде связи достигнет отпирающего уровня. Это запаздывание особенно заметно в цепях младших разрядов.
 [3]

При обратном включении диода на границе p — n — перехода образуется изоляционный слой. Этот обедненный свободными носителями зарядов пограничный слой играет роль изолятора между проводящими р — и n — зонами кристалла. Фактически диод в этом случае представляет конденсатор, причем ширина изоляционного слоя такого конденсатора зависит от приложенного к диоду напряжения. Чем больше приложенное обратное напряжение, тем большей становится толщина изоляционного слоя конденсатора, а следовательно, уменьшается его емкость.
 [5]

При обратном включении диода емкость р-п перехода шунтирует большое обратное сопротивление перехода, что приводит к ухудшению его частотной характеристики.
 [7]

Давно известны однотактные преобразователи с обратным включением диода.
 [8]

Анализ переходных процессов в схеме с обратным включением диода проводится аналогично.
 [9]

Аналогично работает последовательная схема диодного ограничителя с обратным включением диода.
 [11]

Емкость р-п перехода существует при прямом и при обратном включении диода.
 [12]

Определить напряжение на диоде и резисторе нагрузки сопротивлением гн 100 кОм при обратном включении диода ( рис. 96, а), если ток диода ЮмкА, а ( Упит 80 В.
 [13]

Для воспроизведения линейно-ломаных зависимостей в I и II квадрантах используется аналогичная схема с обратным включением диода и опорным напряжением.
 [14]

Элемент И для отрицательных входных сигналов ( рис. П-19, t отличается от предыдущего обратным включением диодов.
 [15]

Страницы:  

   1

   2

   3

диодов — SparkFun Learn

Авторы:
Джимблом

Избранное

Любимый

67

Введение

После того, как вы закончите с простыми пассивными компонентами, такими как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности, пришло время вступить в удивительный мир полупроводников. Одним из наиболее широко используемых полупроводниковых компонентов является диод.

В этом уроке мы рассмотрим:

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

Рекомендуемая литература

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

.

Что такое цепь?

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

Избранное

Любимый

77

Что такое электричество?

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

Избранное

Любимый

80

Как пользоваться мультиметром

Изучите основы использования мультиметра для измерения непрерывности, напряжения, сопротивления и силы тока.

Избранное

Любимый

64

Хотите изучить различные диоды?

Мы вас прикроем!

Комплект деталей для начинающих SparkFun

В наличии

КОМПЛЕКТ-13973

18,50 $

12

Избранное

Любимый

82

Список желаний

Комплект дискретных полупроводников SparkFun

В наличии

КОМПЛЕКТ-13682

12,95 $

6

Избранное

Любимый

62

Список желаний

Диодный выпрямитель — 1А, 50В (1N4001)

В наличии

COM-08589

1

Избранное

Любимый

13

Список желаний

Диодный выпрямитель — 1А, 400В (1N4004)

В наличии

COM-14884

$0,25

0,06 долл. США

Избранное

Любимый

5

Список желаний

Посмотреть все диоды

Ideal Диоды

Основная функция Ideal 9Диод 0103 предназначен для управления направлением протекания тока. Ток, проходящий через диод, может идти только в одном направлении, называемом прямым направлением. Ток, пытающийся течь в обратном направлении, блокируется. Они как 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 выключен или смещен в обратном направлении .

Пока напряжение на диоде не отрицательное, он «включается» и проводит ток. В идеале* диод действовал бы как короткое замыкание (на нем 0 В), если бы он проводил ток. Когда диод проводит ток, это с прямым смещением (на жаргоне электроники означает «включено»).

Зависимость тока от напряжения идеального диода. Любое отрицательное напряжение создает нулевой ток — разомкнутая цепь. Пока напряжение неотрицательно, диод выглядит как короткое замыкание.

Circuit Symbol

Every diode has две клеммы — соединения на каждом конце компонента — и эти клеммы поляризованы , что означает, что эти две клеммы совершенно разные. Важно не перепутать соединения на диоде. Положительный конец диода называется 9.0102 анод , а отрицательный конец называется катодом . Ток может течь от конца анода к катоду, но не в другом направлении. Если вы забыли, каким образом ток течет через диод, попробуйте вспомнить мнемонику ACID : «анодный ток в диоде» (также анод-катод — это диод ).

Символ цепи стандартного диода представляет собой треугольник, упирающийся в линию. Как мы рассмотрим позже в этом уроке, существует множество типов диодов, но обычно их схема выглядит примерно так:

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

Выше приведена пара простых диодных схем. Слева диод D1 смещен в прямом направлении и позволяет току течь по цепи. По сути это похоже на короткое замыкание. Справа диод D2 смещен в обратном направлении. 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, просто у них есть несколько характеристик, которые заставляют их работать немного хуже, чем наша идеальная модель…

Реальные характеристики диода

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

Зависимость ток-напряжение

Наиболее важной характеристикой диода является его зависимость ток-напряжение ( i-v ). Это определяет, каков ток, протекающий через компонент, с учетом того, какое напряжение измеряется на нем. Резисторы, например, имеют простую линейную зависимость i-v … Закон Ома. Однако кривая i-v диода полностью не -линейная. Это выглядит примерно так:

Зависимость тока от напряжения диода. Чтобы преувеличить некоторые важные моменты сюжета, шкалы как в положительной, так и в отрицательной половинах не равны.

В зависимости от приложенного к нему напряжения диод будет работать в одной из трех областей:

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

Прямое напряжение

Для того, чтобы «включиться» и провести ток в прямом направлении, диоду необходимо приложить к нему определенное положительное напряжение. Типичное напряжение, необходимое для включения диода, называется прямым напряжением (V _F ). Его также можно назвать напряжением включения или напряжением включения .

Как мы знаем из кривой i-v , ток через диод и напряжение на диоде взаимозависимы. Больше ток — больше напряжение, меньше напряжение — меньше ток. Однако, как только напряжение приближается к номинальному прямому напряжению, большое увеличение тока должно означать лишь очень небольшое увеличение напряжения. Если диод является полностью проводящим, обычно можно предположить, что напряжение на нем является номинальным прямым напряжением.

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

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

Напряжение пробоя

Если к диоду приложено достаточно большое отрицательное напряжение, он поддастся и позволит току течь в обратном направлении. Это большое отрицательное напряжение называется напряжением пробоя . Некоторые диоды на самом деле предназначены для работы в области пробоя, но для большинства обычных диодов не очень полезно подвергать их воздействию больших отрицательных напряжений.

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

Техническое описание диода

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

, чтобы уточнить, как ведет себя диод. Этот график из таблицы данных диода увеличивает извилистую часть прямой области i-v кривая. Обратите внимание, что больший ток требует большего напряжения:

На этой диаграмме указана еще одна важная характеристика диода — максимальный прямой ток. Как и любой другой компонент, диоды могут рассеивать только определенную мощность, прежде чем они перегорят. Для всех диодов должны быть указаны максимальный ток, обратное напряжение и рассеиваемая мощность. Если на диод действует большее напряжение или ток, чем он может выдержать, ожидайте, что он нагреется (или, что еще хуже, расплавится, задымится и т.  д.).

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

Этот 1N4148 — это всего лишь небольшая выборка из всех существующих диодов различных типов. Далее мы рассмотрим, какое удивительное разнообразие диодов существует и для чего служит каждый тип.

Типы диодов

Обычные диоды

Сигнальные диоды

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 номинальный ток. Типичным примером сигнального диода является 1N4148.

Диод слабого сигнала — 1N4148

В наличии

COM-08588

Избранное

Любимый

9

Список желаний

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

Диод слабого сигнала, 1N4148. Обратите внимание на черный кружок вокруг диода, который указывает, какой из выводов является катодом.

Силовые диоды

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

Диодный выпрямитель — 1А, 50В (1N4001)

В наличии

COM-08589

1

Избранное

Любимый

13

Список желаний

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 доступны для поверхностного монтажа. Вы заметите, что каждый диод каким-то образом (независимо от того, насколько он крошечный или трудноразличимый) указывает, какой из двух контактов является катодом.

Светоизлучающие диоды (СИД!)

Самым ярким представителем семейства диодов должен быть светоизлучающий диод (СИД). Эти диоды буквально загораются при подаче положительного напряжения.

Несколько 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 того, чтобы они загорелись. В _F номинал светодиода обычно выше, чем у обычного диода (1,2~3 В), и зависит от цвета, излучаемого светодиодом. Например, номинальное прямое напряжение суперярко-синего светодиода составляет около 3,3 В, а суперярко-красного светодиода того же размера — всего 2,2 В.

Очевидно, светодиоды чаще всего используются в осветительных приборах. Они шустрые и веселые! Но более того, их высокая эффективность привела к широкому использованию в уличных фонарях, дисплеях, задней подсветке и многом другом. Другие светодиоды излучают свет, невидимый человеческому глазу, например, инфракрасные светодиоды, составляющие основу большинства пультов дистанционного управления. Еще одно 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, как схематическое обозначение диода отличается от обычного диода. Светодиодные символы добавляют пару стрелок, отходящих от символа.

Диоды Шоттки

Другим очень распространенным диодом является диод Шоттки.

Диод Шоттки

В наличии

COM-10926

1

Избранное

Любимый

11

Список желаний

Полупроводниковый состав диода Шоттки немного отличается от обычного диода, в результате чего значительно меньшее прямое падение напряжения , которое обычно составляет от 0,15 В до 0,45 В. Однако они все равно будут иметь очень большое напряжение пробоя.

Диоды Шоттки особенно полезны для ограничения потерь, когда каждый бит напряжения должен быть сохранен. Они достаточно уникальны, чтобы получить собственный символ цепи с парой изгибов на конце катодной линии.

Стабилитроны

Стабилитроны — странный изгой семейства диодов. Они обычно используются намеренно провести обратный ток .

Стабилитрон — 5,1 В 1 Вт

Пенсионер

COM-10301

Пенсионер

Избранное

Любимый

10

Список желаний

Стабилитроны рассчитаны на очень точное напряжение пробоя, называемое пробивным напряжением стабилитрона или напряжением стабилитрона . Когда через стабилитрон протекает в обратном направлении достаточный ток, падение напряжения на нем будет оставаться постоянным при напряжении пробоя.

Используя свойство пробоя, стабилитроны часто используются для создания известного эталонного напряжения, точно равного их напряжению Зенера. Их можно использовать в качестве стабилизатора напряжения для небольших нагрузок, но на самом деле они не предназначены для регулирования напряжения в цепях, потребляющих значительный ток.

Зенеры достаточно уникальны, чтобы иметь собственный символ цепи с волнистыми концами на катодной линии. Символ может даже определять, каково именно напряжение стабилитрона диода. Вот 3,3-вольтовый стабилитрон, создающий надежное опорное напряжение 3,3 В:

Фотодиоды

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

Миниатюрная солнечная батарея — BPW34

В наличии

ПРТ-09541

1

Избранное

Любимый

35

Список желаний

Фотодиод BPW34 (не четверть, мелочь сверху). Поместите его под солнце, и он может генерировать около нескольких мкВт энергии!

Солнечные батареи являются главным спонсором фотодиодной технологии. Но эти диоды также можно использовать для обнаружения света или даже оптической связи.

Применение диодов

Для такого простого компонента диоды имеют огромное количество применений. Практически в каждой схеме вы найдете диод того или иного типа. Они могут использоваться во всем, от слабосигнальной цифровой логики до высоковольтной схемы преобразования энергии. Давайте рассмотрим некоторые из этих приложений.

Выпрямители

Выпрямитель представляет собой цепь, которая преобразует переменный ток (AC) в постоянный ток (DC). Это преобразование имеет решающее значение для всех видов бытовой электроники. Сигналы переменного тока выходят из настенных розеток вашего дома, но постоянный ток питает большинство компьютеров и другой микроэлектроники.

Ток в цепях переменного тока буквально чередуется с — быстро переключается между положительным и отрицательным направлениями — но ток в постоянном сигнале течет только в одном направлении. Поэтому для преобразования переменного тока в постоянный вам просто нужно убедиться, что ток не может течь в отрицательном направлении. Звучит как работа для ДИОДОВ!

Однополупериодный выпрямитель может состоять всего из одного диода. Если сигнал переменного тока, такой как, например, синусоида, посылается через диод, любая отрицательная составляющая сигнала отсекается.

Входной (красный/левый) и выходной (синий/правый) кривые напряжения после прохождения через схему однополупериодного выпрямителя (в центре).

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

Схема мостового выпрямителя (в центре) и форма выходного сигнала, которую она создает (синий/справа).

Эти цепи являются критически важным компонентом блоков питания переменного тока в постоянный, которые преобразуют сигнал 120/240 В переменного тока настенной розетки в сигналы постоянного тока 3,3 В, 5 В, 12 В и т. д. Если вы разорвете настенную бородавку, вы, скорее всего, увидите там несколько диодов, исправляющих ее.

Можете ли вы найти четыре диода, образующих мостовой выпрямитель в этой настенной бородавке?

Защита от обратного тока

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

Этот диод полезен, когда разъем источника питания неполяризован, что позволяет легко перепутать и случайно соединить отрицательный источник питания с положительным входной цепи.

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

Логические элементы

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

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

Логический элемент И устроен аналогичным образом. Аноды обоих диодов соединены вместе, где находится выход схемы. Оба входа должны иметь логическую 1, заставляющую ток течь к выходному контакту и также подтягивать его к высокому уровню. Если на любом из входов низкий уровень, ток от источника питания 5 В проходит через диод.

Для обоих логических элементов можно добавить больше входов, добавив всего один диод.

Обратноходовые диоды и подавление скачков напряжения

Диоды очень часто используются для ограничения потенциального ущерба от неожиданных больших скачков напряжения. Диоды подавления переходного напряжения (TVS) — это специальные диоды, похожие на стабилитроны — с низким напряжением пробоя (часто около 20 В), но с очень большой номинальной мощностью (часто в диапазоне киловатт). Они предназначены для шунтирования токов и поглощения энергии, когда напряжение превышает их напряжение пробоя.

Обратноходовые диоды выполняют аналогичную работу по подавлению всплесков напряжения, особенно вызванных индуктивным компонентом, таким как двигатель. Когда ток через индуктор внезапно изменяется, создается всплеск напряжения, возможно, очень большой отрицательный всплеск. Обратный диод, размещенный на индуктивной нагрузке, даст этому сигналу отрицательного напряжения безопасный путь для разряда, фактически повторяя снова и снова через индуктор и диод, пока он в конечном итоге не исчезнет.

Вот лишь несколько вариантов применения этого удивительного маленького полупроводникового компонента.

Приобретение диодов

Теперь, когда ваши текущие текут в правильном направлении, пришло время применить ваши новые знания с пользой. Если вы ищете отправную точку или просто запасаетесь, у нас есть набор изобретателя, а также отдельные диоды на выбор.

Наши рекомендации:

Диод слабого сигнала — 1N4148

В наличии

COM-08588

Избранное

Любимый

9

Список желаний

Диодный выпрямитель — 1А, 50В (1N4001)

В наличии

COM-08589

1

Избранное

Любимый

13

Список желаний

Диод Шоттки

В наличии

COM-10926

1

Избранное

Любимый

11

Список желаний

Набор изобретателя SparkFun — версия 3.

2

Пенсионер

КОМПЛЕКТ-12060

76

Пенсионер

Избранное

Любимый

76

Список желаний

Хотите узнать больше об основных темах?

См. нашу страницу Engineering Essentials , где представлен полный список краеугольных тем, связанных с электротехникой.

Отведи меня туда!

Ресурсы и дальнейшее развитие

Теперь, когда вы разобрались с диодами, возможно, вам захочется изучить больше полупроводников:

• Транзисторы
• Светодиоды
• Или узнайте об интегральных схемах, например:
  • 555 Таймеры
  • Операционные усилители
  • Сдвиговые регистры

Или узнайте о некоторых других распространенных электронных компонентах:

• Резисторы
• Конденсаторы
• Катушки индуктивности
• Регуляторы напряжения

Как работают диоды и светодиоды?

Узнайте, как работает диод для управления потоком электрического тока в цепи с использованием полупроводников n-типа и p-типа.

Пришло время повысить уровень своих знаний и перейти от простых пассивных компонентов к сфере полупроводниковых компонентов. Эти детали оживают, когда их подключают к электрической цепи, и они могут разными способами манипулировать электричеством. Вам предстоит работать с двумя полупроводниковыми компонентами: диодом и транзистором. Сегодня мы поговорим о диоде, печально известном регуляторе, который позволяет электричеству течь только в одном направлении! Если вы видели светодиод в действии, вы уже далеко впереди. Давайте начнем.

Управление потоком

Диод хорошо известен своей способностью управлять потоком электрического тока в цепи. В отличие от пассивных компонентов, которые сидят сложа руки, сопротивляясь или накапливая, диоды активно держат руку на пульсе приливов и отливов тока, когда он течет по нашим устройствам. Есть два способа описать, как ток будет или не будет течь через диод:

1. Прямое смещение: Когда вы правильно вставите батарею в цепь, ток будет протекать через диод; это называется смещенным вперед состоянием.
2. Обратное смещение: Когда вы вставляете батарею в цепь в обратном направлении, ваш диод блокирует протекание любого тока, что называется состоянием с обратным смещением.

Простой способ визуализировать разницу между состояниями диода с прямым и обратным смещением в простой схеме

Хотя эти два термина могут показаться слишком сложными, думайте о диоде как о переключателе. Он либо закрыт (включен) и через него проходит ток, либо открыт (выключен), и ток через него не проходит.

Полярность диода и символы

Диоды являются поляризованными компонентами, что означает, что они имеют очень специфическую ориентацию, которую необходимо подключить в цепь для правильной работы. На физическом диоде вы заметите две клеммы, выходящие из консервной банки посередине. Одна сторона — это положительный полюс, называемый анодом. Другая клемма является отрицательным концом, называемым катодом . Ток в диоде может двигаться только от анода к катоду, а не наоборот.

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

На схеме легко найти диод. Просто найдите большую стрелку с линией, проходящей через нее, как показано ниже. У некоторых диодов и анод, и катод отмечены как положительные и отрицательные, но простой способ запомнить, как протекает ток в диоде, — это следовать направлению стрелки.

Стрелка на символе диода указывает направление тока.

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

Легирование полупроводников

Полупроводниковые элементы странные. Возьмем, к примеру, кремний. Это изолятор днем. Однако, если вы добавите к нему примеси с помощью процесса, называемого легированием, вы наделите его магической способностью проводить электричество ночью.

Из-за их двойных свойств изолятора и проводника полупроводники нашли свою идеальную нишу в компонентах, которые должны управлять потоком электрического тока в виде диодов и транзисторов. Вот как протекает процесс легирования типичного куска кремния:

1. Во-первых, кремний выращивают в строго контролируемой лабораторной среде. Это называется чистой комнатой, то есть в ней нет пыли и других загрязнений.
2. Кремний вырос, теперь пришло время его легировать. Этот процесс может идти одним из двух путей. Первый заключается в легировании кремния сурьмой, что дает ему несколько дополнительных электронов и позволяет кремнию проводить электричество. Это называется кремнием n-типа или отрицательным типом, потому что в нем больше отрицательных электронов, чем обычно.
3. Вы также можете легировать кремний в обратном порядке. Добавление бора к кремнию удаляет электроны из атома кремния, оставляя пустые дыры там, где должны быть электроны. Это называется кремнием p-типа или положительного типа.
4. Теперь, когда ваши кусочки кремния легированы как положительно, так и отрицательно, вы можете собрать их вместе. Соединяя кремний n-типа и p-типа вместе, вы создаете соединение.

Пример

Допустим, вы соединили кремний n-типа и p-типа вместе, а затем подключили батарею, создав цепь. Что случится?

В этом случае отрицательная клемма соединяется с кремнием n-типа, а положительная клемма соединяется с кремнием p-типа. А ничейная территория между двумя кусками кремния? Ну, он начинает сжиматься, и начинает течь электрический ток! Это состояние диода с прямым смещением, которое мы обсуждали вначале.

Предположим, вы подсоединили аккумулятор наоборот, с отрицательным полюсом, подключенным к кремнию p-типа, и положительным полюсом, подключенным к кремнию n-типа. Здесь происходит то, что нейтральная полоса между двумя кусками кремния становится шире, и ток вообще не течет. Это состояние с обратным смещением, которое может принимать диод.

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

Прямое напряжение и поломки

Когда вы работаете с диодами, вы узнаете, что для того, чтобы один из них пропускал ток, требуется 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.

Чем определяется это прямое напряжение? Полупроводниковый материал и типа . Вот как это разбивается:

• Кремниевые диоды. Использование диода на основе кремния потребует прямого напряжения от 0,6 до 1 В.
• Германиевые диоды. Использование диода на основе германия потребует более низкого прямого напряжения, около 0,3 В.
• Другие диоды. Для специализированных диодов, таких как светодиоды, требуется более высокое прямое напряжение, тогда как для диодов Шоттки (см. ниже) требуется более низкое прямое напряжение. Лучше всего проверить техническое описание вашего конкретного диода, чтобы определить его номинальное прямое напряжение.

Я знаю, что мы говорили о диодах, пропускающих ток только в одном направлении, но вы можете нарушить это правило. Если вы приложите огромное отрицательное напряжение к диоду, то вы сможете изменить направление его тока!

Конкретная величина напряжения, которая вызывает возникновение этого обратного потока, называется напряжением пробоя . Напряжение пробоя v для обычных диодов составляет от -50В до -100В. Некоторые специализированные диоды могут даже работать при этом отрицательном напряжении пробоя, о котором мы поговорим позже.

Распаковка семейства диодов

Существует множество диодов, каждый со своими особыми способностями. И хотя каждый из них имеет общую основу для ограничения потока тока, вы можете использовать эту общую основу для создания множества различных применений. Давайте проверим каждого члена семейства диодов!

Стандартные диоды

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

Стандартный повседневный диод, доступный в Digi-Key, обратите внимание на серебряную полоску, которая отмечает конец катода. (Источник изображения)

Выпрямительные диоды

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

Более мощные аналоги стандартного диода, разница заключается в большем номинальном токе и прямом напряжении.

Диоды Шоттки

Это причудливый родственник семейства диодов. Диод Шоттки пригодится, когда вам нужно ограничить потери напряжения в вашей цепи. Вы можете идентифицировать диод Шоттки на схеме, найдя типичный символ диода, добавив два новых изгиба (форма «S») на выводе катода.

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

Стабилитроны

Зенеровские диоды являются паршивой овцой в семействе диодов. Они посылают электрический ток в противоположном направлении! Они делают это, используя напряжение пробоя, о котором говорилось выше, также называемое пробоем Зенера. Используя эту пробойную способность, стабилитроны отлично подходят для создания стабильного опорного напряжения в определенном месте цепи.

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

Фотодиоды

Photodiodes — бунтующие подростки в семействе диодов. 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 и оптической связи.

Фотодиоды поглощают энергию света и превращают ее в электрический ток. (Источник изображения)

Светоизлучающие диоды (СИД)

Светодиоды

— это сияющие 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. Однако есть загвоздка в том, что определенные цвета светодиода требуют разных прямых напряжений. Например, для синего светодиода требуется прямое напряжение 3,3 В, тогда как для красного светодиода требуется всего 2,2 В, чтобы он начал светиться.

Что делает эти светодиоды такими популярными?

• Эффективность: Светодиоды излучают свет электронным способом, не выделяя тонны тепла, как традиционные лампы накаливания. Это позволяет им экономить тонны энергии.
• Управление: светодиодами также очень легко управлять в электронной схеме. Пока перед ними стоит резистор, они должны работать!
• Недорого: светодиоды очень доступны по цене и долговечны. Вот почему вы обнаружите, что они так часто используются в сигналах светофора, дисплеях и инфракрасных сигналах.

Светодиоды бывают разных форм и цветов, для каждого из которых требуется разное прямое напряжение для освещения! (Источник изображения)

Три наиболее распространенных применения диодов

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

1. Преобразование переменного тока в постоянный

Процесс преобразования переменного тока (AC) в постоянный ток (DC) может осуществляться только с помощью диодов! Этот процесс выпрямления (преобразования) тока позволяет вам подключать всю вашу повседневную электронику постоянного тока к настенной розетке переменного тока в вашем доме. Существует два типа приложений преобразования, в которых диод играет свою роль:

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

   

Одиночный диод в схеме однополупериодного выпрямителя, отсекающий отрицательный конец 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, как в однополупериодном выпрямителе, этот процесс преобразует все отрицательные волны в сигнале переменного тока в положительные волны для сигнала, готового к постоянному току.

Двухполупериодный мостовой выпрямитель идет еще дальше, преобразуя весь положительный и отрицательный сигнал переменного тока в постоянный. (Источник изображения)

2. Контроль скачков напряжения

Диоды

также можно использовать в приложениях, где могут возникать неожиданные скачки напряжения. Диоды в этих приложениях могут ограничить любое повреждение, которое может произойти с устройством, поглощая любое избыточное напряжение, попадающее в диапазон напряжения пробоя диода.

3. Защита вашего текущего

Наконец, вы также обнаружите, что диоды могут защищать чувствительные схемы. Если вы когда-нибудь разбивали батарею неправильным образом, и ничего не взрывалось, вы можете поблагодарить свой дружелюбный диод. Размещение диода последовательно с положительной стороной источника питания гарантирует, что ток течет только в правильном направлении.

Начало работы с диодами

Ну вот, контрольный диод и все его сумасшедшие члены семьи! Диоды имеют множество применений, от питания этих красочных светодиодных ламп до преобразования переменного тока в постоянный. Но почему диод не получил такой широкой огласки, как транзистор или интегральная схема? Мы думаем, что все дело в том, что на кухне слишком много поваров.