Диод схема: Диод | Виды, характеристики, параметры диодов

Диод | Виды, характеристики, параметры диодов

Что такое диод

Полупроводниковый диод или просто диод представляет из себя радиоэлемент, который пропускает электрический ток только в одном направлении и блокирует его прохождение в другом направлении. По аналогии с гидравликой диод можно сравнить с обратным клапаном: устройством, которое пропускает жидкость только в одном направлении.

обратный клапан

Диод – это радиоэлемент с двумя выводами. Некоторые  диоды выглядят почти также как и резисторы:

А некоторые выглядят чуточку по-другому:

Есть также и SMD исполнение диодов:

Выводы диода называются – анод и катод. Некоторые по ошибке называют их “плюс” и “минус”. Это неверно. Так говорить нельзя.

На схемах диод обозначается так

Он может пропускать электрический ток только от анода к катоду.

Из чего состоит диод

В нашем мире встречаются вещества, которые отлично проводят электрический ток. Сюда в основном можно отнести металлы, например, серебро, медь, алюминий, золото и так далее. Такие вещества называют проводниками. Есть вещества, которые ну очень плохо проводят электрический ток – фарфор, пластмассы, стекло и так далее. Их называют диэлектриками или изоляторами. Между проводниками и диэлектриками находятся полупроводники. Это в основном германий и кремний.

После того, как германий или кремний смешивают с мельчайшей долей мышьяка или индия, образуется полупроводник N-типа, если смешать с мышьяком; или полупроводник P-типа, если смешать с индием.

Теперь если эти два полупроводника P и N -типа приварить вместе, на их стыке образуется PN-переход. Это и есть строение диода. То есть диод состоит из PN-перехода.

строение диода

Полупроводник P-типа в диоде является анодом, а полупроводник N-типа – катодом.

Давайе вскроем советский диод Д226 и посмотрим, что у него внутри, сточив часть корпуса на наждачном круге.

диод Д226

Вот это и есть тот самый PN-переход

PN-переход диода

Как определить анод и катод диода

1) на некоторых диодах катод обозначают полоской, отличающейся от цвета корпуса

2) можно проверить диод с помощью мультиметра и узнать, где у него катод, а где анод.   Заодно проверить его работоспособность. Этот способ железный ;-). Как проверить диод с помощью мультиметра можно узнать в этой статье.

Где находится анод, а где катод очень легко запомнить, если вспомнить воронку для наливания жидкостей в узкие горлышки бутылок. Воронка очень похожа на схему диода. Наливаем в воронку, и жидкость у нас очень хорошо бежит, а если ее перевернуть, то попробуй налей-ка через узкое горлышко воронки ;-).

Диод в цепи постоянного тока

Как мы уже говорили, диод пропускает электрический ток только в одном направлении. Для того, чтобы это показать, давайте соберем простую схему.

прямое включение диода

Так как наша лампа накаливания на 12 Вольт, следовательно, на блоке питания тоже выставляем значение в 12 В и собираем всю электрическую цепь по схеме выше. В результате, лампочка у нас прекрасно горит. Это говорит о том, что через диод проходит электрический ток. В этом случае говорят, что диод включен в прямом направлении.

диод в прямом включении

Давайте теперь поменяем выводы диода. В результате, схема примет такой вид.

обратное включение диода

Как вы видите, лампочка не горит, так как диод не пропускает электрический ток, то есть блокирует его прохождение, хотя источник питания и выдает свои честные 12 Вольт.

обратное включение диода

Какой вывод можно из этого сделать? Диод проводит постоянный ток только в одном направлении.

Диод в цепи переменного тока

Кто забыл, что такое переменный ток, читаем эту статью. Итак, для того, чтобы рассмотреть работу диода в цепи переменного тока, давайте составим схему. Здесь мы видим генератор частоты G, диод и два клеммника Х1 и Х2, с которых мы будем снимать сигнал с помощью осциллографа.

Мой генератор частоты выглядит вот так.

генератор частот

Осциллограмму будем снимать с помощью цифрового осциллографа

Генератор выдает переменное синусоидальное напряжение.

синусоидальный сигнал

Что же будет после диода? Цепляемся к клеммам X1 и X2 и видим вот такую осциллограмму.

переменное напряжение после диода

Диод вырезал нижнюю часть синусоиды, оставив только верхнюю часть.

А что будет, если мы поменяем выводы диода? Схема примет такой вид.

переменый ток после диода

Что же получим на клеммах Х1 и Х2 ? Смотрим на осциллограмму.

переменный ток после диода

Ничего себе! Диод срезал только положительную часть синусоиды!

[quads id=1]

Характеристики диода

Давайте рассмотрим характеристику диода КД411АМ. Ищем его характеристики в интернете, вбивая в поиск “даташит КД411АМ”

Для объяснения параметров диода, нам также потребуется его ВАХ

1) Обратное максимальное напряжение Uобр – это  такое напряжение диода, которое он выдерживает при подключении в обратном направлении, при этом через него будет протекать ток Iобр – сила тока  при обратном подключении диода. При превышении обратного напряжения в диоде возникает так называемый лавинный пробой, в результате этого резко возрастает ток, что может привести  к полному тепловому разрушению диода.   В нашем исследуемом диоде это напряжение равняется 700 Вольт.

2) Максимальный прямой ток Iпр – это  максимальный ток, который может течь через диод в прямом направлении.  В нашем случае это 2 Ампера.

3) Максимальная частота Fd , которую нельзя превышать. В нашем случае максимальная частота диода будет 30 кГц. Если частота будет больше, то наш диод будет работать неправильно.

Виды диодов

Стабилитроны

Стабилитроны  представляют из себя те же самые диоды. Даже из названия понятно, чтоб стабилитроны что-то стабилизируют. А стабилизируют они напряжение.  Но  чтобы стабилитрон выполнял стабилизацию, требуется одно  условие.  Они должны подключатся противоположно, чем диоды. Анод на минус, а катод на плюс. Странно не правда ли? Но почему так? Давайте разберемся.  В Вольт амперной характеристике (ВАХ) диода используется положительная ветвь – прямое направление, а вот в стабилитроне другая часть ветки ВАХ – обратное направление.

Снизу на графике мы видим стабилитрон на 5 Вольт. Сколько бы у нас не изменялась сила тока, мы все равно будем получать 5 Вольт ;-). Круто, не правда ли? Но есть и подводные камни. Сила тока не должны быть больше, чем в описании на диод, иначе он выйдет из строя от высокой температуры – Закон Джоуля-Ленца. Главный параметр стабилитрона – это напряжение стабилизации (Uст). Измеряется в Вольтах. На графике вы видите стабилитрон с напряжением стабилизации 5 Вольт. Также есть диапазон силы тока, при котором будет работать стабилитрон – это минимальный и максимальный ток (Imin, Imax). Измеряется в Амперах.

Выглядят стабилитроны точно также, как и обычные диоды:

На схемах обозначаются вот так:

Светодиоды

Светодиоды – особый класс диодов, которые излучают видимый и невидимый свет. Невидимый свет – это свет в инфракрасном или ультрафиолетовом диапазоне.  Но для промышленности все таки большую роль играют светодиоды с видимым светом. Они используются для индикации, оформления вывесок, светящихся баннеров, зданий а также для освещения. Светодиоды имеют такие же параметры, как и любые другие диоды, но обычно их максимальный ток значительно ниже.

Предельное обратное напряжение (Uобр) может достигать 10 Вольт. Максимальный ток (Imax) будет ограничиваться для простых светодиодов порядка 50 мА.  Для осветительных больше. Поэтому при подключении обычного диода нужно вместе с ним последовательно подключать резистор. Резистор можно рассчитать по нехитрой формуле, но в идеале лучше использовать переменный резистор, подобрать нужное свечение, замерять  номинал переменного резистора и поставить туда постоянный резистор с таким же номиналом.

Лампы освещения из светодиодов потребляют копейки электроэнергии и стоят дешево.

Очень большим спросом пользуются светодиодные ленты, состоящие из множества SMD светодиодов. Смотрятся очень красиво.

На схемах светодиоды обозначаются так:

Не забываем, что светодиоды делятся на индикаторные и осветительные. Индикаторные светодиоды обладают слабым свечением и используются для индикации каких-либо процессов, происходящих в электронной цепи. Для них характерно слабое свечение и малый ток потребления

Ну и осветительные светодиоды – это те, которые используются в ваших китайских фонариках, а также в LED-лампах

Светодиод – это токовый прибор, то есть для его нормальной работы требуется номинальный ток, а не напряжение. При номинальном токе на светодиоде падает некоторое напряжение, которое зависит от типа светодиода (номинальной мощности, цвета, температуры). Ниже табличка, показывающая какое падение напряжения бывает на светодиодах разных цветов свечения при номинальном токе:

Как проверить светодиод  можно узнать из этой статьи.

Тиристоры

Тиристоры представляют собой диоды, проводимость которых управляется с помощью третьего вывода – управляющего электрода (УЭ). Основное применение тиристоров – это управление мощной нагрузкой с помощью слабого сигнала, подаваемого на управляющий электрод. Выглядят тиристоры  примерно как диоды или транзисторы. У тиристоров параметров столько, что не хватит статьи для их описания. Главный параметр – Iос,ср. – среднее значение тока, которое должно протекать через тиристор  в прямом направлении без вреда для его здоровья. Немаловажным параметром является напряжение открытия тиристор –  (Uу), которое подается на управляющий электрод  и при котором тиристор полностью открывается.

а вот так примерно выглядят силовые тиристоры, то есть тиристоры, которые работают с  большой силой тока:

На схемах  триодные тиристоры  выглядят вот таким образом:

Существуют также  разновидности тиристоров – динисторы и симисторы. У динисторов нет управляющего электрода и он выглядит, как обычный диод. Динисторы начинают пропускать через себя электрический ток в прямом включении, когда напряжение на нем превысит какое-то значение. Симисторы – это те же самые триодные тиристоры, но при включении пропускают через себя электрический ток в двух направлениях, поэтому они используются в цепях с переменным током.

Диодный мост и диодные сборки

Производители также  несколько диодов заталкивают в один корпус и соединяют их между собой в определенной последовательности. Таким образом получаются диодные сборки.  Диодные мосты  – одна из разновидностей диодных сборок.

 На схемах диодный мост обозначается вот так:

Существуют также и другие виды диодов, такие как варикапы, диод Ганна, диод Шоттки  и тд. Для того, чтобы их всех описать, нам не хватит и вечности.

Очень интересное видео про диод

Похожие статьи по теме “диод”

Как работает стабилитрон

Диод Шоттки

Диодный мост

Как проверить диод и светодиод мультиметром

Как проверить тиристор

Схема для проверки тиристоров

ДИОДЫ

   Диод является двух электродным полупроводниковым прибором. Это соответственно Анод (+) или положительный электрод и Катод (-) или отрицательный электрод. Принято говорить, что диод имеет (p) и (n) области, они соединены с выводами диода. Вместе они образуют p-n переход. Разберем подробнее, что же такое этот p-n переход. Полупроводниковый диод представляет собой очищенный кристалл кремния или германия, в котором в область (p) введена акцепторная примесь, а в область (n) введена донорная примесь. В качестве донорной примеси могут выступать ионы Мышьяка, а в качестве акцепторной примеси ионы Индия. Основное свойство диода, это возможность пропускать ток только в одну сторону. Рассмотрим приведенный ниже рисунок:

Пример односторонней проводимости диода

   На этом рисунке видно, что если диод включить Анодом к плюсу питания и Катодом к минусу питания, то диод находится в открытом состоянии и проводит ток, так как его сопротивление незначительно. Если диод включен Анодом к минусу, а Катодом к плюсу, то сопротивление диода будет очень большим, и тока в цепи практически не будет, вернее он будет, но настолько маленьким, что им можно пренебречь.

Иллюстрация прямой обратный ток диода

   Подробнее можно узнать, посмотрев следующий график, Вольт-Амперную характеристику диода:

Вольт-амперная характеристика диода

   В прямом включении, как мы видим из этого графика диод имеет небольшое сопротивление, и соответственно хорошо пропускает ток, а в обратном включении до определенной величины напряжения диод закрыт, имеет большое сопротивление и практически не проводит ток. В этом легко убедиться, если есть под рукой диод и мультиметр, нужно поставить прибор в положение звуковой прозвонки, либо установив переключатель мультиметра напротив значка диода, в крайнем случае, можно попробовать прозвонить диод, установив переключатель на положение 2 КОм измерения сопротивления. Изображается на принципиальных схемах диод так, как на рисунке ниже, запомнить, где какой вывод легко: ток у нас, как известно, всегда течет от плюса к минусу, так вот треугольник в изображении диода как бы показывает своей вершиной направление тока, то есть от плюса к минусу.

Диод полупроводниковый

   Соединив красный щуп мультиметра с Анодом, мы можем убедиться в том, что диод пропускает ток в прямом направлении, на экране прибора будут цифры равные ~ 800-900 или близкие к этому. Подключив щупы наоборот, черный щуп к аноду, красный к катоду мы увидим на экране единицу, что подтверждает, в обратном включении диод не пропускает ток. Рассмотренные выше диоды бывают плоскостные и точечные. Плоскостные диоды рассчитаны на среднюю и большую мощность и используют их в основном в выпрямителях. Точечные диоды рассчитаны на незначительную мощность и применяются в детекторах радиоприемников, могут работать на высоких частотах.

Плоскостной и точечный диод

Какие бывают типы диодов ?

Схематическое изображение диодов

Фото выпрямительного диода

   А) На фото изображен рассмотренный нами выше диод.

Стабилитрон изображение на схеме

   Б) На этом рисунке изображён стабилитрон, (иностранное название диод Зенера), он используется при обратном включении диода. Основная цель: поддержание напряжения стабильным.

Двуханодный стабилитрон — изображение на схеме

   В) Двухсторонний (или двуханодный) стабилитрон. Плюс этого стабилитрона в том, что его можно включать вне зависимости от полярности.

Туннельный диод

   Г) Туннельный диод, может использоваться в качестве усилительного элемента.

Обращенный диод

   Д) Обращенный диод, применяется в высокочастотных схемах для детектирования.

Варикап

   Е) Варикап, применяется как конденсатор переменной ёмкости.

Фотодиод

   Ж) Фотодиод, при освещении прибора в цепи, подключенной к нему, возникает ток из-за возникновения пар электронов и дырок.

Светодиоды

   З) Светодиоды, всем известные, и наверное наиболее широко применяемые приборы, после обычных выпрямительных диодов. Применяются во многих электронных устройствах для индикации и не только.

   Выпрямительные диоды выпускаются также в виде диодных мостов, разберем, что это такое — это соединенные для получения постоянного (выпрямленного) тока четыре диода в одном корпусе. Подключены они по Мостовой схеме, стандартной для выпрямителей:

Схема диодного моста

   Имеют четыре промаркированных вывода: два для подключения переменного тока, и плюс с минусом. На фото изображен диодный мост КЦ405:

Фото диодный мост

   А теперь давайте рассмотрим подробнее область применения светодиодов. Светодиоды (вернее светодиодная лампа) выпускаются промышленностью и для освещения помещений, как экономичный и долговечный источник света, с цоколем позволяющим вкрутить их в обычный патрон для ламп накаливания.

Светодиодная лампа фото

   Светодиоды существуют в разных корпусах, в том числе и SMD.

smd светодиод фото

   Выпускаются и так называемые RGB светодиоды, внутри них находятся три кристалла светодиодов с разным свечением Red-Green-Blue соответственно Красный — Зеленый – Голубой, эти светодиоды имеют четыре вывода и позволяют путем смешения цветов получить видимым любой цвет.

Подключение RGB ленты

   Эти светодиоды в SMD исполнении часто выпускаются в виде лент с уже установленными резисторами и позволяют подключать их напрямую к источнику питания 12 вольт. Можно для создания световых эффектов использовать специальный контроллер:

Контроллер rgb

   Светодиоды при использовании не любят, когда на них подается напряжение питания выше того, на которое они рассчитаны и могут перегореть сразу или спустя какое-то время, поэтому напряжение источника питания должно быть рассчитано по формулам. Для советских светодиодов типа АЛ-307 напряжение питания должно подаваться примерно 2 вольта, на импортные 2-2,5 вольта, естественно с ограничением тока. Для питания светодиодных лент, если не используется специальный контроллер, необходимо стабилизированное питание. Материал подготовил — AKV.

   Форум по радиодеталям

Диоды. Устройство и работа. Характеристики и особенности

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.

Похожие темы:

Диоды выпрямительные, принцип работы, характеристики, схемы подключения

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.

При подаче на диод прямого постоянного напряжения через него начинает протекать ток, определяемый сопротивлением нагрузки Rн. Поскольку он не должен превышать предельно допустимого значения следует определить его величину, после чего выбрать тип диода:

Iпр=Uн/Rн — все просто — это закон Ома.

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 <Uвн+Uоткр питание осуществляется от внутреннего источника, иначе — подключается внешний.

© 2012-2020 г. Все права защищены.

Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

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.

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?

0,00 (оценок: 0)

Электронные схемы — диод как переключатель

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

Электрические выключатели над механическими выключателями

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

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

Следовательно, электрический переключатель более полезен, чем механический переключатель.

Работа диода в качестве переключателя

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

Следующая схема объясняет, как диод работает как переключатель.

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

звонкий

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

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

Время переключения диода

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Концентрация несущей

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

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

Давайте рассмотрим несколько обозначений.

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

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

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

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

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

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

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

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

Из приведенного выше рисунка рассмотрим график тока диода.

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

−IR= frac−VRR

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

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

Таким образом, время, необходимое для полного разомкнутого контура

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

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

Определения

Давайте просто пройдемся по определениям обсуждаемых периодов времени.

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

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

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

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

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

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

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

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

Факторы, влияющие на время переключения диодов

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

  • Диодная емкостьемкость PN перехода изменяется в зависимости от условий смещения.

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

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

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

Диодная емкостьемкость PN перехода изменяется в зависимости от условий смещения.

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

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

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

Приложения

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

Диодный мост, принцип работы и схема

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

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

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

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

Схема и принцип работы диодного моста

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

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

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

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

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

  • Просмотров: 16567
  • Что такое диод? — Основы схемотехники

    Диод — это специализированный электронный компонент, который действует как односторонний переключатель. Он проводит электрический ток только в одном направлении и ограничивает ток в противоположном направлении. Диод смещен в обратном направлении, когда он действует как изолятор, и смещен в прямом направлении, когда он пропускает ток. Диод имеет два вывода: анод и катод. Диоды используются в переключателях, модуляторах сигналов, смесителях сигналов, выпрямителях, ограничителях сигналов, регуляторах напряжения, генераторах и демодуляторах сигналов.

    Диод в прямом смещении

    Напряжение, приложенное к аноду, положительно по отношению к катоду. Кроме того, напряжение в диоде выше порогового напряжения, поэтому он действует как короткое замыкание и пропускает ток.

    Диод в обратном смещении

    Если катод положительный по отношению к аноду, диод имеет обратное смещение. Затем он будет действовать как разомкнутая цепь, в результате чего ток не будет протекать.

    Для чего используются диоды?

    Защита от обратного тока

    Блокирующий диод используется в некоторых схемах для защиты в случае случайной проблемы с обратным подключением, такой как неправильное подключение источника постоянного тока или изменение полярности.Поток тока в неправильном направлении может повредить другие компоненты схемы.

    Диод для защиты от обратного тока

    На рисунке выше показано, что блокирующий диод включен последовательно с нагрузкой и с положительной стороной источника питания. В случае обратного подключения ток не будет течь, потому что диод будет иметь обратное смещение. Тогда нагрузка будет защищена от обратного тока. Однако, если полярность правильная, диод будет в прямом смещении, поэтому ток нагрузки может протекать через него.

    Простые регуляторы напряжения

    Стабилизатор напряжения используется для понижения входного напряжения до требуемого уровня и поддерживает его неизменным, несмотря на колебания напряжения питания. Его также можно использовать для регулирования выходного напряжения. Стабилитрон обычно используется в качестве регулятора напряжения, поскольку он предназначен для работы в условиях обратного смещения. При прямом смещении он ведет себя как нормальный сигнальный диод. С другой стороны, напряжение остается постоянным в широком диапазоне токов, когда к нему прикладывается обратное напряжение.

    Стабилитрон как регулятор напряжения

    На рисунке выше ток в диоде ограничивается последовательным резистором, подключенным к цепи. Поскольку диод подключен к положительной клемме источника питания, он работает как обратное смещение, которое также может работать в условиях пробоя. Обычно используется диод высокой мощности, потому что он может выдерживать обратное смещение, превышающее его напряжение пробоя. Ток стабилитрона всегда будет минимальным, если приложены минимальное входное напряжение и максимальный ток нагрузки.Учитывая входное напряжение и необходимое выходное напряжение, мы можем использовать стабилитрон с напряжением, примерно равным напряжению нагрузки.

    Стабилизаторы напряжения

    Ток, протекающий через стабилитрон, уменьшается в пользу тока нагрузки, когда нагрузочный резистор подключен параллельно стабилитрону. Величина протекающего в нем тока важна, потому что это ключ к стабилизации. Глядя на кривую вольт-амперной характеристики стабилитронов, вы заметите резкое увеличение напряжения выше напряжения пробоя, что доказывает, что он лучше всего подходит для стабилизации небольших постоянных напряжений.Ток увеличивается, а сопротивление диода уменьшается. Поэтому напряжение на стабилитроне практически одинаковое. Обычно резистор подключается, чтобы убедиться, что максимально допустимая рассеиваемая мощность не превышена.

    Преобразование переменного тока в постоянный

    Диоды

    обычно используются для построения различных типов выпрямительных схем, таких как полуволновые, двухполупериодные, центральные и полные мостовые выпрямители. Одно из его основных применений — преобразование мощности переменного тока в мощность постоянного тока.

    Во время положительного полупериода входного питания анод становится положительным по отношению к катоду. Диод будет находиться в прямом смещении, что приведет к протеканию тока к нагрузке. Однако во время отрицательного полупериода входной синусоидальной волны анод становится отрицательным по отношению к катоду. Таким образом, диод будет иметь обратное смещение, и ток на нагрузку не будет течь. Выходное напряжение будет пульсирующим постоянным током, когда и напряжение, и ток на стороне нагрузки имеют одну полярность.Нагрузка является резистивной в положительном полупериоде, и напряжение на нагрузочном резисторе будет таким же, как и напряжение питания. Ток нагрузки будет пропорционален приложенному напряжению, а входное синусоидальное напряжение будет на нагрузке.

    Как работает диод?

    Диод считается полупроводниковым устройством, имеющим два вывода и выполняющим функцию односторонней двери для электрического тока. Полупроводники могут быть проводниками или изоляторами. Его сопротивление можно контролировать, увеличивая или уменьшая его сопротивление, называемое легированием.Легирование — это процесс добавления примесных атомов в материал.

    Есть два типа полупроводниковых материалов:

    • Материал N-типа — добавление мышьяка, фосфора, сурьмы, висмута и других пятивалентных элементов позволяет получить полупроводниковый материал N-типа. В нем есть лишние электроны. Его дополнительные отрицательно заряженные частицы перемещаются из отрицательно заряженной области в положительно заряженную.
    • Материал P-типа — добавление алюминия, галлия, бора, индия и других количеств позволяет получить полупроводниковый материал P-типа.Есть лишние отверстия.

    Наличие дырок означает отсутствие электрона и положительный заряд. Каждый раз, когда электрон движется в дыру, он создает новую дыру позади себя, поскольку они движутся в противоположном направлении электронов. Комбинация материалов N-типа и P-типа образует соединение P-N. Вы можете увидеть обедненные области по обе стороны от диодного перехода. Эта область обеднена свободными электронами и дырками. Электроны со стороны N-типа заполняют отверстия со стороны P-типа.

    Что такое зона истощения?

    Область обеднения образуется, когда на диод не подается напряжение, поэтому электроны из материала N-типа заполняют отверстия в материале P-типа вдоль перехода между слоями.В этой области материал N-типа или P-типа возвращается в исходное изоляционное состояние. Электричество не может течь в область истощения, поскольку все дыры заполнены, и нет свободных электронов или пустых пространств для электричества.

    Вы увидите переход P-N, когда отверстия перемещаются со стороны P на материал N-типа и обнажают отрицательные заряды. Затем вы увидите дырки и электроны, диффундирующие на другую сторону. После этого начинает формироваться область истощения.

    Диоды с прямым смещением и диоды с обратным смещением

    Диоды специального назначения

    Стабилитроны

    Он состоит из сильно легированного PN перехода, который проводит в обратном направлении при достижении определенного заданного напряжения.Он также позволяет току течь в прямом или обратном направлении. Он обычно используется для ограничителей перенапряжения, регулирования напряжения, опорных элементов и любых других коммутационных приложений и схем ограничителей.

    Диоды Шоттки

    Диоды Шоттки

    имеют низкое прямое падение напряжения, но очень быстрое переключение. Между металлом и полупроводником образуется переход полупроводник-металл, который создает барьер Шоттки. Когда через диод протекает ток, на выводах диода наблюдается небольшое падение напряжения.Чем меньше падение напряжения, тем выше эффективность системы и выше скорость переключения. Наиболее распространенные применения диода Шоттки — это радиочастота, выпрямитель в некоторых силовых приложениях и смеситель.

    Выпрямительные диоды

    Выпрямительные диоды могут быть смещенными или несмещенными. Выпрямительный диод становится несмещенным, когда на него не подается напряжение. В это время на P-стороне находится большинство дырок носителей заряда и очень мало электронов, тогда как на N-стороне больше всего электронов и очень мало дырок.С другой стороны, он становится смещенным в прямом направлении, когда положительный вывод источника напряжения подключается к стороне P-типа, а отрицательный вывод подключается к стороне N-типа. Он будет иметь обратное смещение, когда положительный вывод источника напряжения подключен к концу N-типа, а отрицательный вывод источника подключен к концу P-типа диода. Через диод не будет тока, кроме тока обратного насыщения, потому что истощающий слой перехода становится шире с увеличением напряжения обратного смещения.Выпрямительные диоды обычно используются в качестве компонента в источниках питания, который преобразует напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока.

    Сигнальные диоды

    Сигнальные диоды обычно используются для обнаружения сигналов. Обычно они имеют низкий максимальный ток и среднее или высокое прямое напряжение. Одно из наиболее распространенных применений сигнального диода — это основной диодный переключатель.

    Германиевые диоды

    Германиевые диоды имеют низкое прямое падение напряжения, обычно 0.3 вольта. Низкое прямое падение напряжения приводит к низким потерям мощности и более эффективному диоду, что делает его во многих отношениях лучше, чем кремниевый диод. Это более важно в средах с очень низким уровнем сигнала, например, при обнаружении сигналов от аудио до частот FM и в логических схемах низкого уровня. Германиевые диоды имеют больший ток утечки для германия при обратном напряжении, чем для кремния.

    Соединительные диоды

    Переходные диоды — одни из самых простых полупроводниковых приборов.Но в отличие от других диодов, они не ведут себя линейно по отношению к приложенному напряжению. Диоды имеют экспоненциальную зависимость тока от напряжения. Он образуется, когда полупроводник P-типа объединяется с полупроводником N-типа, создавая потенциальный барьер через диодный переход.

    Три возможных условия «смещения» для стандартного переходного диода

    1. Прямое смещение — потенциал напряжения связан отрицательно с материалом N-типа и положительно с материалом N-типа на диоде, что уменьшает ширину диода с PN-переходом.

    2. Обратное смещение. Потенциал напряжения соединен положительно с материалом N-типа и отрицательно с материалом P-типа на диоде, что увеличивает ширину диода с PN-переходом.

    3. Нулевое смещение — На диод PN-перехода не подается внешнее напряжение.

    Введение в диоды и выпрямители | Диоды и выпрямители

    Все о диодах

    Диод — это электрическое устройство, позволяющее току проходить через него в одном направлении с гораздо большей легкостью, чем в другом.Наиболее распространенным видом диодов в современной схемотехнике является полупроводниковый 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 A.

    Схематический символ полупроводникового диода: стрелки указывают направление тока.

    При включении в простую схему «батарея-лампа» диод пропускает или предотвращает прохождение тока через лампу, в зависимости от полярности приложенного напряжения.(рисунок ниже)

    Работа диода: а) ток разрешен; диод смещен в прямом направлении. (b) Текущий поток запрещен; диод имеет обратное смещение.

    Когда полярность батареи такова, что ток может течь через диод, диод считается смещенным в прямом направлении. И наоборот, когда батарея находится «в обратном направлении» и диод блокирует ток, говорят, что диод имеет обратное смещение. 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».

    Гидравлический обратный клапан Аналог

    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. (b) 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 задвижки (в показанной аналогии давление жидкости справа больше, чем слева). Если давление имеет противоположную «полярность», перепад давления на обратном клапане закроется и будет удерживать заслонку, так что потока не будет.

    Как и обратные клапаны, диоды, по сути, являются устройствами, работающими 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. (b) Обратное смещение.

    Конфигурация диода прямого смещения

    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 меняется на противоположную, диод становится смещенным в обратном направлении и падает все напряжение батареи, не оставляя лампе ничего. 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 при проводке падает 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:

    Изображения 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 быть полностью сжата под действием приложенного напряжения. 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, номинальное. Для германиевых диодов прямое напряжение 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 обычном (замкнутом) переключателе. Для наиболее упрощенного анализа схемы падение напряжения на проводящем диоде можно считать постоянным при номинальном значении и не связанным с величиной тока.

    Диодное уравнение

    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 в переходе P-N из-за действия температуры, и называется тепловым напряжением или Vt перехода. 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 напряжение, падающее на токопроводящий диод, действительно изменяется с величиной тока, проходящего через него, 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 на уровне 0.7 вольт для кремния и 0,3 вольт для германия.

    Тем не менее, некоторые схемы намеренно используют присущее P-N переходу экспоненциальное соотношение тока / напряжения и, таким образом, могут быть поняты только в контексте этого уравнения. Кроме того, поскольку температура является фактором в уравнении диода, смещенный в прямом направлении P-N переход также может 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, называемый током утечки, но его можно игнорировать для большинства целей.

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

    Максимальное напряжение обратного смещения диода известно как пиковое обратное напряжение, или PIV, и его можно получить у производителя.Как и прямое напряжение, рейтинг PIV диода зависит от температуры, за исключением того, что PIV увеличивается с повышением температуры и уменьшается по мере того, как диод становится холоднее, что в точности противоположно значению прямого напряжения.

    Диодная кривая: показывает излом при прямом смещении 0,7 В для Si и обратный пробой.

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

    ОБЗОР:

    • Диод — это электрический компонент, действующий как односторонний клапан для тока.
    • Когда напряжение подается на диод таким образом, что диод пропускает ток, диод считается смещенным в прямом направлении.
    • Когда на диод подается напряжение таким образом, что диод не пропускает ток, говорят, что диод имеет обратное смещение.
    • Напряжение, падающее на проводящий диод с прямым смещением, называется прямым напряжением.Прямое напряжение диода изменяется незначительно при изменении прямого тока и температуры и фиксируется химическим составом P-N перехода.
    • Кремниевые диоды

    • имеют прямое напряжение около 0,7 В.
    • Прямое напряжение германиевых диодов

    • составляет примерно 0,3 В.
    • Максимальное напряжение обратного смещения, которое диод может выдержать без «пробоя», называется пиковым обратным напряжением или номинальным значением PIV.

    СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

    диодов — учимся.sparkfun.com

    Добавлено в избранное

    Любимый

    61

    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
    • Типовые 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 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?

    Идеальные диоды

    Ключевая функция идеального диода — управлять направлением 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 выключен или смещен в обратном направлении.

    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 (на жаргоне электроники «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
    Рабочий режим Вкл. (Смещение вперед) Выкл. В = 0 В
    Диод выглядит как Короткое замыкание Обрыв цепи

    Символ цепи

    Каждый диод имеет 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 анодом, а отрицательный конец — катодом. Ток может течь от конца анода к катоду, но не в другом направлении. Если вы забыли, в каком направлении протекает ток через диод, постарайтесь запомнить мнемоническую КИСЛОТУ: «ток анода в диоде» (также анодный катод — диод).

    Обозначение схемы стандартного диода — треугольник, стыкующийся 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 бывает.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 в прямом направлении. 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, полностью нелинейна.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, когда напряжение меньше, чем V F , но больше, чем -V BR . В этом режиме ток (в основном) заблокирован, а диод выключен. Очень небольшой 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 (V F ). Его также можно назвать либо напряжением включения, либо напряжением включения.

    Как мы знаем из кривой i-v, ток через диод и напряжение на диоде взаимозависимы. Больше тока означает большее напряжение, меньшее напряжение означает меньший ток.Однако, когда 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 (минимума) прямого падения напряжения на диоде.

    V F конкретного диода зависит от того, из какого полупроводникового материала он сделан. Обычно кремниевый диод имеет V F около 0.6-1В. Диод на основе германия может быть ниже, около 0,3 В. Тип диода также имеет некоторое значение при определении 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 нормальных 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 даташите на каждый диод. 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 извилистую, прямую 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…).

    Некоторые диоды хорошо подходят для больших токов — 1 А или более — другие, например, 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

    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 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 членом 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 больше, 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 составляет…

    .

    1

    Полупроводниковый состав диода Шоттки немного отличается от обычного диода, и это приводит к гораздо меньшему прямому падению 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 беречь каждый последний бит напряжения. Они достаточно уникальны, чтобы получить собственное обозначение схемы с парой изгибов на конце катодной линии.

    Стабилитроны

    Стабилитроны

    — странный изгой из семейства диодов. Обычно они используются для преднамеренного проведения обратного тока.

    Стабилитрон — 5.1 В 1 Вт

    Нет на складе

    COM-10301

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

    Стабилитрон

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

    За счет своих пробивных свойств стабилитроны часто используются для создания известного опорного напряжения, точно равного 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, квант) для генерации электрического тока. Вид работы как анти-светодиод.

    Фотодиод BPW34 (не четверть, да 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 можно сделать только из одного диода.Если сигнал переменного тока, такой как, например, синусоида, передается через диод, любая отрицательная составляющая сигнала отсекается.

    Формы сигналов входного (красный / левый) и выходного (синий / правый) 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.

    Это применение диода полезно, 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 диоды 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 на обоих входах установлен логический 0 (низкий / 0 В), на выходе через резистор подается низкий уровень.

    Логический элемент И построен аналогичным образом. Аноды обоих диодов соединены вместе, где и 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 потенциального 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 большой номинальной мощностью (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 ваше течение течет 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 составляет…

    .

    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 литьевую форму для SIK…

    76

    На пенсии

    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:

    схем диодов

    Глава 2 Диодные схемы

    В предыдущей главе мы обсудили некоторые свойства полупроводниковых материалов и представили диод.Мы представили идеальное соотношение тока и напряжения и рассмотрели кусочно-линейную модель, которая упрощает деанализ диодных цепей. В этой главе методы и концепции, разработанные в главе 1, используются для анализа и проектирования электронных схем, содержащих диоды.

    Диодные схемы, которые следует рассматривать, выполняют такие функции, как выпрямление, ограничение. и зажимные. Эти функции возможны только из-за нелинейных свойств диода на pn переходе.Преобразование переменного напряжения в постоянное, например, для источника постоянного тока, называется выпрямлением. Схемы ограничивающих диодов ограничивают части сигнала, которые находятся выше или ниже некоторого опорного уровня. Цепи фиксатора сдвигают весь сигнал на некоторое значение постоянного тока. Стабилитроны, которые работают в области пробоя обратного смещения, имеют то преимущество, что напряжение на диоде в этой области почти постоянно в широком диапазоне токов. Такие диоды используются в схемах опорного напряжения или регулятора напряжения.

    Наконец, рассмотрим схемы двух специальных диодов: светодиода (LED) и фотодиода. Светодиодная схема используется в визуальных дисплеях, таких как семисегментный цифровой дисплей. Схема фотодиода используется для обнаружения наличия или отсутствия света и преобразования этой информации в электрический сигнал.

    Хотя диоды являются полезными электронными устройствами, мы начнем видеть ограничения этих устройств и желательность наличия какого-либо типа «усилительного» устройства.

    2.1 ЦЕПИ ВЫПРЯМИТЕЛЯ
    Одно из важных применений диодов — это конструкция выпрямительных цепей. Диодный выпрямитель образует первую ступень источника постоянного тока, как показано на рисунке 2.1 ниже.

    Как мы увидим по всему тексту, для смещения всех электронных схем требуется источник постоянного тока. Выходное напряжение постоянного тока vo обычно находится в диапазоне от 3 до 24 В в зависимости от приложения.

    Выпрямление — это процесс преобразования переменного напряжения в одну полярность.Диод полезен для этой функции из-за его нелинейных характеристик, то есть ток существует для одной полярности напряжения, но по существу равен нулю для противоположной полярности. Выпрямление подразделяется на полуволновое или двухполупериодное, причем полуволновое является самым простым.

    2.1.1 Полуволновое выпрямление
    На рисунке 2.2 (а) показан силовой трансформатор с диодом и резистором, подключенными к вторичной обмотке трансформатора.

    Мы будем использовать кусочно-линейный подход при анализе этой схемы, предполагая, что прямое сопротивление диода равно rf = 0, когда диод включен.«

    Входной сигнал vI часто представляет собой сигнал переменного тока 120 В (среднеквадратичное значение), 60 Гц. Напомним, что вторичное напряжение vs и первичное напряжение vI идеального трансформатора связаны соотношением

    .

    , где N1 и N2 — количество витков первичной и вторичной обмоток соответственно. Это отношение называется отношением витков трансформатора.

    Обратите внимание, что при использовании кусочно-линейной модели диода мы обычно определяем линейные области (проводящие или нет), в которых работает диод с помощью

    1. определяет состояние входного напряжения, при котором диод включен.Затем найдите выходной сигнал для этого условия, тогда
    2. определяет условие входного напряжения, при котором диод выключен, и находит выходной сигнал для этого условия (порядок этих двух значений НЕ важен).

    На рисунке 2.2 (b) показаны характеристики передачи напряжения. v0 по сравнению с vs для схемы.

    Когда vs <0, диод смещен в обратном направлении, что означает, что ток равен нулю, а выходное напряжение равно нулю.Пока vs vs> Vγ, диод смещается в прямом направлении и в цепи индуцируется ток. В этом случае мы можем написать

    Для vs> Vγ наклон передаточной кривой равен 1.

    Если vs — синусоидальный сигнал, как показано на рисунке 2.3 (а),

    , выходное напряжение можно определить с помощью кривой передачи напряжения на Рисунке 2.2 (b) выше.

    1. Когда vs> Vγ, выходное напряжение равно нулю;
    2. Когда vs ≤ Vγ, выход vo = vs — Vγ

    и показан на рисунке ниже.

    Мы видим, что в то время как входной сигнал vs меняет полярность и имеет среднее по времени значение, равное нулю, выходное напряжение vo является однонаправленным и имеет ненулевое среднее значение и, следовательно, выпрямляется. Поскольку выходное напряжение появляется только во время положительного периода входного сигнала, схема называется полуволновым выпрямителем.

    Когда диод отключен и не проводит ток, на резисторе R не происходит падения напряжения: поэтому все напряжение входного сигнала появляется на диоде, как показано ниже.

    Следовательно, диод должен выдерживать пиковый ток в прямом направлении и выдерживать большое пиковое обратное напряжение (PIV) без пробоя.

    Одним из недостатков однополупериодного выпрямителя является то, что мы «тратим впустую» отрицательные полупериоды. Ток равен нулю во время отрицательных полупериодов, поэтому энергия не рассеивается, но в то же время мы не используем любую доступную доступную энергию.

    2.1.2 Полноволновое выпрямление
    Двухполупериодный выпрямитель инвертирует отрицательные части синусоиды, так что униполярный выходной сигнал генерируется во время обеих половин входной синусоиды. Один из примеров схемы двухполупериодного выпрямителя показан на рисунке 2.6 (а).

    Вход выпрямителя состоит из силового трансформатора, в котором на входе обычно используется сигнал переменного тока 120 В (среднеквадратичное значение), 60 Гц, а два выхода — от вторичной обмотки с центральным отводом, которая обеспечивает равные напряжения по сравнению с показанными полярностями. .Когда входное линейное напряжение положительное, оба выходных сигнала vs напряжения также положительны. Входной силовой трансформатор также обеспечивает электрическую изоляцию между цепью линии питания и электронными цепями, которые смещаются выпрямительной цепью. Эта изоляция снижает риск поражения электрическим током.

    В течение положительной половины цикла входного напряжения оба выходных напряжения vs положительны; следовательно, диод D1 смещен в прямом направлении и проводит, а диод D2 — в обратном направлении и отсечен.Ток через D1 и выходное сопротивление создают положительное выходное напряжение. Во время отрицательного полупериода ситуация с диодами обратная. Если мы предположим, что прямым сопротивлением каждого диода rf пренебрежимо мало, мы получим характеристики передачи напряжения yo по сравнению с vS, показанные на рисунке 2.6 (b).

    Для синусоидального входного напряжения мы можем определить выходное напряжение в зависимости от времени, используя кривую передачи напряжения, показанную на рисунке 2.6 (b).Соответствующие сигналы входного и выходного напряжения показаны на Рисунке 2.6 (c).

    Поскольку выпрямленное выходное напряжение возникает как в положительном, так и в отрицательном цикле входного сигнала, эта схема называется двухполупериодным выпрямителем.

    Другой пример схемы двухполупериодного выпрямителя показан на Рисунке 2.7 (а).

    Эта схема представляет собой мостовой выпрямитель, который обеспечивает гальваническую развязку между входной линией питания переменного тока и выходом выпрямителя, но не требует вторичной обмотки с центральным отводом.Однако в нем используются четыре диода.

    Во время положительной половины цикла входного напряжения vs является положительным, D1 и D2 смещены в прямом направлении. D3 и D4 имеют обратное смещение, а направление тока показано на рисунке 2.7 (a). Во время отрицательного полупериода входного напряжения vs отрицательно, а D3 и D4 смещены в прямом направлении. Направление тока, показанное на рисунке 2.7 (b), дает ту же полярность выходного напряжения, что и раньше.

    На рис. 2.7 (c) показаны синусоидальное напряжение vs и выпрямленное выходное напряжение vo.

    Поскольку два диода включены последовательно в каждом из проводящих путей, величина v0 на два диода меньше, чем величина по сравнению с

    .

    2.1.3 Фильтры, пульсации напряжения и диодного тока
    Если конденсатор добавлен параллельно нагрузочному резистору полуволнового выпрямителя, чтобы сформировать простую схему фильтра (рис. 2.8 (а)), мы можем начать преобразовывать полуволновой синусоидальный выходной сигнал в постоянное напряжение. На рисунке 2.8 (b) показана положительная половина выходной синусоидальной волны и начальная часть напряжения на конденсаторе, если предположить, что конденсатор изначально не заряжен.

    Когда напряжение сигнала достигает своего пика и начинает уменьшаться, напряжение на конденсаторе также начинает уменьшаться, что означает, что конденсатор начинает разряжаться. Единственный путь тока разряда — через резистор. Если постоянная времени RC велика, напряжение на конденсаторе экспоненциально разряжается со временем (рис. 2.8 (c)). В это время диод отключен.

    Более подробный анализ отклика схемы, когда входное напряжение близко к пиковому значению, указывает на небольшую разницу между фактической работой схемы и качественным описанием.Если предположить, что диод выключается сразу же, когда входное напряжение начинает уменьшаться от своего пикового значения, то выходное напряжение будет экспоненциально уменьшаться со временем, как указывалось ранее. Увеличенный эскиз этих двух напряжений показан на Рисунке 2.8 (d). Выходное напряжение уменьшается быстрее, чем входное,
    это означает, что в момент времени t1 напряжение на диоде больше Vγ. Однако этого условия не может быть, и диод не выключается сразу.Если постоянная времени RC велика, разница между временем пикового входного напряжения и временем выключения диода очень мала.

    Во время следующего положительного цикла входного напряжения существует точка, в которой входное напряжение превышает напряжение конденсатора, и диод снова включается. Диод остается включенным до тех пор, пока входной сигнал не достигнет своего пикового значения и напряжение конденсатора не будет полностью заряжено.

    Поскольку конденсатор отфильтровывает большую часть синусоидального сигнала, он называется конденсатором фильтра.Установившееся выходное напряжение RC-фильтра показано на Рисунке 2.8 (e).

    Эффект пульсации на выходе схемы выпрямителя с двухполупериодной фильтрацией можно увидеть в форме выходного сигнала на рисунке 2.9.

    Конденсатор заряжается до пикового значения напряжения, когда входной сигнал достигает пикового значения. Когда входной сигнал уменьшается, диод становится смещенным в обратном направлении, и конденсатор разряжается через выходное сопротивление R. Определение напряжения пульсаций необходимо для разработки схемы с приемлемым количеством пульсаций.Вывод этого находится на стр. 58 вашего текста.

    Если мы можем предположить, что эффект пульсации невелик, мы получим следующее приближение

    где Tp — время между пиковыми значениями выходного напряжения.

    Для двухполупериодного выпрямителя Tp составляет половину периода сигнала. Следовательно, мы можем связать Tp с частотой сигнала,

    , а напряжение пульсации становится

    .

    Диод в цепи выпрямителя с фильтром проводит короткий интервал Δt около пика синусоидального входного сигнала (рисунок 2.10 (а)).

    Ток диода обеспечивает заряд, потерянный конденсатором во время разряда. На рисунке 2.11 показана эквивалентная схема двухполупериодного выпрямителя во время зарядки.

    Мы видим, что

    В тексте приводится приблизительное значение среднего и максимального тока диода на стр. 60.

    2.1.4 Цепь удвоителя напряжения
    Схема стабилизатора напряжения очень похожа на двухполупериодный выпрямитель, за исключением того, что два диода заменены конденсаторами, и она может создавать напряжение, примерно в два раза превышающее пиковую мощность трансформатора (рисунок 2.13).

    На рисунке 2.14 (a) показана эквивалентная схема, когда полярность напряжения на «верхней стороне» трансформатора отрицательная; на рисунке 2.14 (b) показана эквивалентная схема для противоположной полярности. В схеме на рисунке 2.14 (a), прямое сопротивление диода D2 невелико, поэтому конденсатор C будет заряжаться почти до пикового значения vs. Клемма 2 на C1 положительна по отношению к клемме 1. Когда величина vs уменьшается от своего пикового значения, C1 разряжается. через RL и C2.Мы предполагаем, что постоянная времени RLC2 очень велика по сравнению с периодом входного сигнала.

    Поскольку полярность vs изменяется на полярность, показанную на рис. 2.14 (b), напряжение на C1, по существу, остается постоянным на уровне VM, а клемма 2 остается положительной. Когда vs достигает своего максимального значения, напряжение на C2 по существу становится равным VM. Согласно закону Кирхгофа, пиковое напряжение на RL теперь по существу равно 2VM, что в два раза превышает пиковую мощность трансформатора. Возникает тот же эффект пульсаций, что и в выходном напряжении схем выпрямителя, но если C1 и C2 относительно велики, то пульсационное напряжение Vr довольно мало.

    Существуют также схемы с тройным и учетверенным напряжением. Эти схемы обеспечивают средство, с помощью которого можно генерировать несколько напряжений постоянного тока из одного источника переменного тока и силового трансформатора.

    2.2 ЦЕПИ ДИОДА ЗЕНЕРА
    В главе 1 мы увидели, что напряжение пробоя стабилитрона почти постоянно в широком диапазоне токов обратного смещения. Это делает стабилитрон полезным в качестве стабилизатора напряжения или опорной цепи постоянного напряжения. В этой главе мы рассмотрим идеальную схему опорного напряжения и последствия включения неидеального сопротивления стабилитрона.

    Результаты этого раздела позволят завершить проектирование электронного блока питания, показанного на Рисунке 2.1. Следует отметить, что в реальных конструкциях источников питания стабилизатор напряжения будет представлять собой более сложную интегральную схему, а не более простую конструкцию стабилитронов, которая будет разработана здесь. Одна из причин заключается в том, что стандартный стабилитрон с определенным желаемым напряжением пробоя может быть недоступен.

    2.2.1 Цепь идеального опорного напряжения
    Фигура 2.15 показана схема стабилитронного стабилизатора напряжения. Для этой схемы выходное напряжение должно оставаться постоянным, даже когда сопротивление выходной нагрузки изменяется в довольно широком диапазоне, и когда входное напряжение изменяется в определенном диапазоне.

    Сначала мы определяем правильное входное сопротивление Ri. Это сопротивление ограничивает ток через стабилитрон и снижает избыточное напряжение между VPS и VZ.

    , который предполагает, что сопротивление стабилитрона для идеального диода равно нулю.Решение этого уравнения для тока диода. Из, получаем

    , где 1L = Vz / RL, а переменными являются источник входного напряжения VPS и ток нагрузки 1L.

    Для правильной работы этой схемы диод должен оставаться в зоне пробоя, а рассеиваемая мощность в диоде не должна превышать его номинальное значение. Другими словами:

    1. Ток в диоде минимален, Iz (rnin), когда ток нагрузки максимален, IL (max), а напряжение источника минимально, VPS (min).
    2. Ток в диоде является максимальным, Iz (max), когда ток нагрузки минимален, IL (min), а напряжение источника является максимальным, VPS (max).

    Подставляя эти две характеристики в предыдущее уравнение, получаем

    и

    Приравнивая эти два выражения, получаем

    Разумно предположить, что мы знаем диапазон входного напряжения, диапазон выходного тока нагрузки и напряжение стабилитрона.Тогда предыдущее уравнение содержит два неизвестных Iz (min) и Iz (max). Кроме того, в качестве минимального требования мы можем установить минимальный ток стабилитрона равным одной десятой максимального тока стабилитрона, или IZ (min) = 0,1 IZ (max). Затем мы можем решить для IZ (max), используя предыдущее уравнение, следующим образом:

    Используя максимальный ток, полученный из приведенного выше уравнения, мы можем определить максимальную требуемую мощность стабилитрона. Затем мы можем определить необходимое значение входного сопротивления, используя одно из предыдущих уравнений.

    2.2.2 Регулирование сопротивления стабилитрона и процентного соотношения
    В идеальном стабилитроне сопротивление стабилитрона равно нулю. Однако в реальных стабилитронах это не так. В результате выходное напряжение является функцией тока стабилитрона или тока нагрузки. На рисунке 2.17 показана эквивалентная схема регулятора напряжения.

    Из-за сопротивления стабилитрона выходное напряжение не остается постоянным. Мы можем определить минимальные и максимальные значения выходного напряжения.Показатель качества регулятора напряжения называется процентным регулированием и определяется как

    .

    где VL (номинал) — номинальное значение выходного напряжения.

    Когда процент регулирования приближается к нулю, схема приближается к идеальному стабилизатору напряжения.

    2.3 ЦЕПИ КЛИПЕРА И ЗАЖИМА
    В этом разделе мы продолжим обсуждение применения диодов в нелинейных схемах. Диоды могут использоваться в схемах формирования сигнала, которые либо ограничивают, либо «ограничивают» части сигнала, либо смещают уровень постоянного напряжения.Схемы называются клипсаторами и зажимами соответственно.

    2.3.1 Машинки для стрижки
    Схемы ограничителя, также называемые схемами ограничителя, используются для устранения частей сигнала, которые находятся выше или ниже заданного уровня. Например, полуволновой выпрямитель представляет собой схему с ограничителем, поскольку все напряжения ниже нуля устраняются. Простое применение ограничителя — ограничить напряжение на входе в электронную схему, чтобы предотвратить пробой транзисторов в цепи.Схема может использоваться для измерения частоты сигнала, поэтому амплитуда не является важной частью сигнала.

    На рисунке 2.18 показаны общие характеристики передачи напряжения цепи ограничителя.

    Ограничитель представляет собой линейную схему, если входной сигнал находится в диапазоне

    .

    где Av — наклон передаточной кривой.

    Если Av ≤ 1, как в диодных схемах, схема является пассивным ограничителем. На рисунке 2.18 показана общая передаточная кривая двойного ограничителя, в которой ограничиваются как положительные, так и отрицательные пиковые значения входного сигнала.

    Возможны различные комбинации и. Оба параметра могут быть положительными, оба отрицательными или один может быть положительным, а другой отрицательным, как показано на рисунке.

    На рис. 2.19 (а) показана схема с ограничителем на одном диоде.

    Диод Dl не горит, пока vI VB + Vγ, диод включается, выходное напряжение ограничивается, и vo = VB + Vγ.Выходной сигнал показан на Рисунке 2.19 (б). Другие схемы ограничения могут быть созданы путем изменения диода, полярности источника напряжения или того и другого. Рисунки 2.20 (а). (b) и (c) показывают эти схемы вместе с соответствующими входными и выходными сигналами.

    Положительное и отрицательное ограничение может выполняться одновременно с использованием двойного ограничителя или параллельного ограничителя, такого как схема, показанная на рисунке 2.21. Входные и выходные сигналы также показаны на рисунке.В параллельном ограничителе используются два диода и два источника напряжения, ориентированные в противоположных направлениях.

    2.3.2 Зажимы
    Фиксация сдвигает все напряжение сигнала на уровень постоянного тока. В установившемся режиме выходной сигнал является точной копией входного сигнала, но выходной сигнал смещен на величину постоянного тока, которая зависит от схемы. Отличительной особенностью фиксатора является то, что он регулирует уровень постоянного тока без необходимости знать точную форму волны.

    Пример зажима показан на Рисунке 2.25 (а). Сигнал синусоидального входного напряжения показан на рисунке 2.25 (b).

    Предположим, что конденсатор изначально не заряжен. В течение первых 90 градусов входного сигнала напряжение на конденсаторе следует за входом, и vc = vI (при условии, что rf и Vγ = 0). После того, как vI и vc достигают своих пиковых значений, vI начинает уменьшаться, и диод становится смещенным в обратном направлении. В идеале конденсатор не может разряжаться, поэтому напряжение на конденсаторе остается постоянным при vc = VM.По закону напряжения Кирхгофа

    Конденсатор и выходное напряжение показаны на Рисунках 2.25 (c) и (d).

    Выходное напряжение «фиксируется» на уровне нуля вольт, то есть vo ≤ 0. В установившемся режиме формы входных и выходных сигналов одинаковы, а выходной сигнал смещен на определенный уровень постоянного тока по сравнению с входным. сигнал.

    Схема ограничения, которая включает в себя независимый источник напряжения VB, показана на рисунке 2.26 (а). В этой схеме предполагается, что постоянная времени RLC большая, где RL — сопротивление нагрузки, подключенной к выходу.Если для простоты предположить, что rf и Vγ = 0, то выход будет ограничен на VB. На рисунке 2.26 (b) показан пример синусоидального входного сигнала и результирующего сигнала выходного напряжения.

    Когда полярность VB такая, как показано, выход сдвигается в отрицательном направлении напряжения. Точно так же на рисунке 2.26 (c) показаны прямоугольный входной сигнал и результирующий сигнал выходного напряжения. Для прямоугольного сигнала мы пренебрегаем емкостными эффектами диода и предполагаем, что напряжение может изменяться мгновенно.

    2.4 МНОГОДИОДНЫЕ ЦЕПИ
    Поскольку диод является нелинейным устройством, часть анализа диодной цепи включает определение того, включен ли диод или нет. Если схема содержит более одного диода, анализ усложняется из-за различных возможных комбинаций «включено» и «выключено».

    В этом разделе мы рассмотрим несколько схем с несколькими диодами. Мы увидим, например, как диодные схемы могут использоваться для выполнения логических функций.Этот раздел служит введением в цифровые логические схемы, которые будут подробно рассмотрены в главах 16 и 17.

    2.4.1 Пример диодных схем
    Вкратце рассмотрим две однодиодные схемы. На рисунке 2.30 (а) показан диод, включенный последовательно с резистором. График передаточных характеристик напряжения v0 в зависимости от vI показывает кусочно-линейный характер этой схемы (рис. 2.30 (b)).

    Диод не начинает проводить до тех пор, пока vI = Vγ.Следовательно, при vI Vγ выходное напряжение vo = vI — Vγ.

    На рис. 2.31 (a) показана аналогичная диодная схема, но с явно включенным источником входного напряжения, чтобы показать, что существует путь для тока диода. Передаточная характеристика напряжения показана на Рисунке 2.31 (b).

    В этой схеме диод остается проводящим при vI VS — Vγ, диод выключается и ток через резистор равен нулю; следовательно, выход остается постоянным на уровне VS.

    В многодиодных схемах каждый диод может быть включен или выключен. Рассмотрим двухдиодную схему на рис. 2.32. Поскольку каждый диод может быть включен или выключен, схема имеет четыре возможных состояния. Однако некоторые из этих состояний могут быть невозможны из-за направления диодов и полярности напряжения.

    Если мы предположим, что V +> V- и что V + — V-> Vγ, есть вероятность, что D2 может быть включен. На рис. 2.33 показан результирующий график зависимости vo от vI.

    Показаны три отдельные области, соответствующие различным проводящим состояниям D1 и D2. Четвертое возможное состояние, соответствующее выключенным обоим диодам, в этой схеме невозможно

    .

    Метод решения проблем: схемы с несколькими диодами
    Анализ многодиодных схем требует определения того, включены ли отдельные устройства или нет. Во многих случаях выбор неочевиден, поэтому мы должны сначала угадать состояние каждого устройства, а затем проанализировать схему, чтобы определить, есть ли у нас решение, соответствующее нашему первоначальному предположению.Для этого мы можем:

    1. Предположим состояние диода. Если предполагается, что диод «включен», предполагается, что напряжение на диоде равно Vγ. Если предполагается, что диод выключен, ток через диод считается равным нулю.
    2. Проанализируйте «линейную» схему с предполагаемыми состояниями диодов.
    3. Оцените результирующее состояние каждого диода. Если исходное предположение заключалось в том, что диод выключен, а анализ показывает, что ID = 0 и VD ≤ Vγ, то предположение верно.Если, однако, анализ действительно показывает, что что-то из этого неверно, то первоначальное предположение неверно. Мы также можем сделать то же самое, если изначально предполагали, что диод включен.
    4. Если какое-либо первоначальное предположение оказывается неверным, необходимо сделать новое предположение и проанализировать новую «линейную» схему. Затем необходимо повторить шаг 3.

    2.4.2 Диодные логические схемы
    Диоды в сочетании с другими элементами схемы могут выполнять определенные логические функции, такие как И и ИЛИ, но мы не будем рассматривать это, кроме как показать принципиальные схемы.


    2.5 ФОТОДИОДНЫЕ И СВЕТОДИОДНЫЕ ЦЕПИ
    Фотодиод преобразует оптический сигнал в электрический ток, а светоизлучающий диод (LED) преобразует электрический ток в оптический сигнал.

    2.5.1 Схема фотодиода
    На рисунке 2.39 показана типичная схема фотодиода, в которой на фотодиод подается напряжение обратного смещения.Если интенсивность фотонов равна нулю, единственный ток через диод — это ток обратного насыщения, который обычно очень мал. Фотоны, падающие на диод, создают избыточные электроны и дырки в области пространственного заряда, где электрическое поле быстро отделяет эти избыточные носители и выметает их из области пространственного заряда, создавая фототок в направлении обратного смещения.

    2.5.2 Светодиодная цепь
    Светоизлучающий диод (LED) — это инверсия фотодиода; то есть ток преобразуется в оптический сигнал.Если диод смещен в прямом направлении, электроны и дырки инжектируются через область пространственного заряда, где они становятся избыточными неосновными носителями. Эти избыточные неосновные носители диффундируют в нейтральные области n и p, где они рекомбинируют с основными носителями, и рекомбинация может привести к излучению фотографии (с использованием материала с прямой запрещенной зоной, такого как GaAs).

    Одно из применений светодиодов и фотодиодов — это оптоизоляторы, в которых входной сигнал электрически развязан с выходом (рисунок 2.42). Входной сигнал, подаваемый на светодиод, генерирует свет, который впоследствии обнаруживается фотодиодом. Затем фотодиод преобразует свет обратно в электрический сигнал. Отсутствует электрическая обратная связь или взаимодействие между выходной и входной частями схемы.

    2.6 РЕЗЮМЕ

    1. В этой главе мы проанализировали несколько классов диодных схем, которые можно использовать для создания различных желаемых выходных сигналов. Результирующие характеристики каждой из рассмотренных схем зависят от нелинейного отношения ВАХ диода.Мы продолжали использовать кусочно-линейную модель и методы аппроксимации в нашем ручном анализе. Компьютерное моделирование можно использовать для получения более точных результатов, когда известны фактические свойства диодов.
    2. Цепи однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей преобразуют синусоидальный (т.е. переменный) сигнал в приблизительный сигнал постоянного тока. Источник питания постоянного тока, который используется для смещения электронных схем и систем, использует эти типы схем. К выходу схемы выпрямителя можно подключить RC-фильтр, чтобы уменьшить эффект пульсации.Пульсации напряжения в выходном сигнале определялись как функция RC-фильтра и других параметров схемы.
    3. Стабилитроны

    4. работают в области обратного пробоя. Поскольку напряжение пробоя почти постоянно в широком диапазоне токов, эти устройства полезны в схемах опорного напряжения или стабилизатора. Регулировка в процентах, показатель качества схемы, зависит от диапазона значений входного напряжения и сопротивления нагрузки, а также от индивидуальных параметров устройства.
    5. Обсуждались методы, используемые для анализа многодиодных схем, которые используются в различных приложениях обработки сигналов. Этот метод требует предположений относительно того, проводит ли диод (включен) или нет (выключен). Проанализировав схему с использованием этих предположений, мы должны вернуться и убедиться, что сделанные предположения действительны.
    6. Диодные схемы могут быть разработаны для выполнения основных функций цифровой логики. Мы рассмотрели схему, выполняющую логическую функцию ИЛИ, и схему, выполняющую логическую функцию И.
    7. Светодиод (LED) преобразует электрический ток в свет и широко используется в таких приложениях, как семисегментный буквенно-цифровой дисплей. И наоборот, фотодиод обнаруживает падающий световой сигнал и преобразует его в электрический ток. Были проанализированы примеры таких схем.

    КОНЕЦ Гл. 2

    Если вы являетесь автором приведенного выше текста и не согласны поделиться своими знаниями для обучения, исследований, стипендий (для добросовестного использования, как указано в авторских правах США), отправьте нам электронное письмо, и мы удалим ваш текст быстро.Добросовестное использование — это ограничение и исключение из исключительного права, предоставленного законом об авторском праве автору творческой работы. В законах США об авторском праве добросовестное использование — это доктрина, которая разрешает ограниченное использование материалов, защищенных авторским правом, без получения разрешения от правообладателей. Примеры добросовестного использования включают комментарии, поисковые системы, критику, репортажи, исследования, обучение, архивирование библиотек и стипендии. Он предусматривает легальное, нелицензионное цитирование или включение материалов, защищенных авторским правом, в работы других авторов в соответствии с четырехфакторным балансирующим тестом.(источник: http://en.wikipedia.org/wiki/Fair_use)

    Информация о медицине и здоровье, содержащаяся на сайте, носит общий характер и носит исключительно информативный характер и по этой причине ни в коем случае не может заменить , совет врача или квалифицированного лица, имеющего законную профессию.

    Тексты являются собственностью их авторов, и мы благодарим их за предоставленную нам возможность бесплатно делиться среди студентов, преподавателей и пользователей Интернета, их тексты будут использоваться только в иллюстративных образовательных и научных целях.

    2.4: Модели диодных схем — Разработка LibreTexts

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

    Пример \ (\ PageIndex {1} \)

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

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

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

    В первом приближении:

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

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

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

    \ [I = 6 мА \ nonumber \]

    Используя второе приближение:

    В этом случае мы включаем напряжение колена.

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

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

    \ [I = 5,65 мА \ nonumber \]

    Используя третье приближение:

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

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

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

    \ [I = 5,622 мА \ nonumber \]

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

    Пример \ (\ PageIndex {2} \)

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

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

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

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

    Пример \ (\ PageIndex {3} \)

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

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

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

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

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

    \ [I = 2,533 мА \ nonumber \]

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

    Пример \ (\ PageIndex {4} \)

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

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

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

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

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

    \ [I = 9,3 мА \ nonumber \]

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

    Компьютерное моделирование

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

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

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

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

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

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

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

    Пример \ (\ PageIndex {5} \)

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

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

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

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

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

    \ [I = 6,433 мА \ nonumber \]

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

    Список литературы

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

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

    Анализ диодных цепей и потери

    Диоды в цепях постоянного тока

    Для анализа диодных цепей сначала необходимо определить состояние диода (включен или выключен). Затем диод можно заменить эквивалентной схемой переключателя. Однако в некоторых схемах может быть сложно определить, какой эквивалент переключателя использовать (например, в схемах с более чем одним источником или с более чем одним последовательно включенным диодом). В этих схемах полезно вручную заменить диоды на резистивный элемент и отметить направление тока в результате приложенного напряжения.Если результирующий ток направлен в том же направлении, что и стрелка на символе диода, диод включен.

    Пример 1

    Для схемы, показанной на рисунке 1, найдите ток диода (I D ), напряжение диода (V D ) и напряжение на резисторе (V R ).

    Решение:

    Поскольку ток, создаваемый источником, течет в направлении стрелки диода, диод включен и может быть заменен замкнутым переключателем.

    Напряжение на диоде В D = 0 В

    Напряжение на резисторе В R = В S — В D = 20-0 = 20 В

    фигура 1

    Пример 2

    Поменяйте местами диод на Рисунке 1 и повторите Пример 1.

    Решение:

    Направление тока теперь противоположно стрелке. Диод не горит, и его можно заменить на разомкнутый выключатель.

    Ток через диод I D = 0 А

    Напряжение на резисторе В R = I D x R = 0 В

    Напряжение на диоде В D = E S — В R = 20-0 = 20 В

    Пример 3

    Для схемы, показанной на рисунке 2, найдите ток (I) и напряжения V 0 , V 1 и V 2 .

    Решение:

    Два источника помогают друг другу в замкнутом контуре; диод горит и может быть заменен замкнутым переключателем.

    Применение закона напряжения Кирхгофа (KVL)

    E 1 — V 1 — V 2 + = E2 = 0

    E 1 — I (R 1 ) — I (R 2 ) + E 2 = 0

    Решение для I,

    I = (E 1 + E 2 ) / (R 1 + R 2 ) = 25/7 = 3.5 мА

    В 1 = I x R 1 = 17,5 В

    V2 = I x R2 = 7,0 В

    фигура 2

    Диоды в цепях переменного тока

    В цепях переменного тока

    напряжение меняется со временем. Следовательно, могут быть моменты, когда напряжение переменного тока смещает диод в прямом направлении, и время, когда оно смещает в обратном направлении тот же диод. Анализ схемы может быть выполнен отдельно для положительных и отрицательных полупериодов. Следует отметить, когда полярность напряжения на диоде смещает его в прямом направлении, а когда — в обратном.Затем диод можно заменить его эквивалентной схемой переключателя

    .
    Рисунок 3 Пример 4

    Найдите эквивалентную схему переключателя диода с источником переменного напряжения V S , как показано на рисунке 3.

    Решение:

    Во время положительного полупериода анод более положительный, чем его катод, и поэтому диод смещен в прямом направлении. Мы можем заменить диод на замкнутый переключатель.

    Во время отрицательного полупериода анод более отрицательный, чем его катод, и поэтому диод имеет обратное смещение.Мы можем заменить диод открытым выключателем.

    Пример 5

    Для схемы, показанной на рисунке 4, изобразите формы волны напряжения на сопротивлении (V R ) и напряжения на диоде (V D ).

    Решение:

    Во время положительного полупериода диод смещен в прямом направлении и поэтому может быть заменен замкнутым переключателем. Напряжение на диоде равно нулю, а напряжение на резисторе такое же, как напряжение источника.Во время отрицательного полупериода диод смещен в обратном направлении и, следовательно, может быть заменен разомкнутым переключателем. Напряжение на резисторе равно нулю, а напряжение на диоде такое же, как напряжение источника.

    Рисунок 4
    Рисунок 5: Осциллограммы потерь в диодах VR и VD

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

    P T = P ВКЛ + P ВЫКЛ + P SW

    Где

    P ON = V F x I F x (t ON / T)

    P ВЫКЛ = V R x I R x (t ON / T)

    P SW = P SW (ВКЛ) x P SW (ВЫКЛ)

    P ПО (ВКЛ.) = 1/6 В F (МАКС.) x I F (МАКС.) x t F x f

    P SW (ВЫКЛ.) = 1/6 В F (MAX) x I F (MAX) x t R x f

    В этих уравнениях

    В F = прямое напряжение

    I F = Прямой ток

    В R = обратное напряжение

    I R = обратный ток утечки

    t ON = время диодной проводимости

    t ВЫКЛ = время, в течение которого диод смещен в обратном направлении

    I F = Время переключения в прямом направлении

    I R = Время переключения в обратном направлении


    Статьи по теме

    Диод

    Напряжение тока характеристика диода

    Формирование обедненного слоя в диоде

    Туннельный диод

    Учебное пособие по диодам

    : руководство по использованию и приложениям

    Диоды

    очень универсальны по своей природе и считаются одним из ключевых компонентов в электронике.Это в основном используется в цепях питания, схемах защиты, модификаторах формы волны, формирователях сигналов и т. Д. Это часть II руководства по диодам, в которой объясняется, «как использовать диод», «Каковы общие области применения диода», « Объяснение того, как он работает в практических схемах ».

    Это руководство будет очень эффективным, если вы знаете, как работает диод и лежащие в его основе принципы. Если вы новичок в работе с диодами, я настоятельно рекомендую вам ознакомиться с частью I этого руководства по диодам, в которой работа и конструкция диодов подробно описаны для студентов, энтузиастов электроники или всех, кто интересуется базовой электроникой.Для упрощения навигации я добавил ссылки ниже, чтобы перейти к нужному разделу.

    ЧАСТЬ I
    1. Что такое диод?
    2. Как это работает?
    3. VI Характеристики диода
    4. Резюме диода
    ЧАСТЬ II
    1. Руководство по использованию диодов
    2. Применение диодов

    РУКОВОДСТВО ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ДИОДОВ:

    Диоды действуют как односторонний клапан, позволяя току течь только в одном направлении. Учитывая это, будет справедливо сказать, что диод следует использовать, когда вы хотите заблокировать обратный ток.Помимо направления тока есть и другие факторы, которые следует учитывать при использовании диодов в ваших цепях.

    • Приложенное прямое напряжение смещения должно превышать прямое напряжение диода, чтобы пропустить через него прямой ток (0,7 В для кремниевых и 0,3 для германиевых диодов)
    • Напряжение обратного смещения не должно превышать максимальное обратное напряжение диода, иначе вы можете повредить диод.
    • Вы не должны пытаться форсировать ток больше номинального максимального прямого тока в диоде
    • Если схема, которую вы строите, чувствительна ко времени, при проектировании учитывайте время переключения / переходное время диода, поскольку каждый диод демонстрирует некоторую емкость при подаче сигнала переменного тока.

    ПРИМЕНЕНИЕ ДИОДА:

    Диоды — это универсальное электронное устройство, которое широко используется в электронных схемах. Я перечислил наиболее важные и широко используемые области, в которых диоды играют жизненно важную роль в функциональности схемы.

    1. Выпрямители
    2. Диод маховика
    3. Схема отсечения
    4. Цепь зажима
    5. Обходные и блокирующие диоды

    ВЫПРЯМИТЕЛЬ:

    Диоды являются основным компонентом выпрямителя.Функция выпрямителя заключается в преобразовании входящего сигнала переменного тока в сигнал постоянного тока. Полупериодный, двухполупериодный и мостовой выпрямители — три важных типа выпрямителей. Однако из этих мостовых выпрямителей широко используется, поскольку он имеет преимущество перед другими типами.

    Выше показана схема мостового выпрямителя. Он использует 4 диода, подключенных друг к другу. Это широко используется в источниках питания, где он преобразует входящий сигнал переменного тока в сигнал постоянного тока. Из всех выпрямителей мостовой выпрямитель имеет больше преимуществ, чем другие, поэтому мы рассмотрим его работу здесь.Работа этой схемы начинается с источника питания переменного тока, который поступает на понижающий трансформатор для преобразования сигнала переменного тока высокого напряжения в переменный ток низкого напряжения. Затем пониженный сигнал переменного тока проходит через диоды D1, D2, D3 и D4, расположенные в виде моста.

    Вот что здесь происходит: сигнал переменного тока состоит из положительного полупериода и отрицательного цикла. Во время положительного полупериода диоды D1 проводят ток, поскольку он смещен в прямом направлении и протекает через нагрузочный резистор R и обратно к отрицательному выводу источника питания переменного тока через диод D2.Точно так же, когда отрицательный полупериод сигнала переменного тока проходит через мостовой выпрямитель, ток протекает через диод D4 и нагрузочный резистор R. Затем он возвращается на диод D3 обратно к положительной клемме источника питания. Результирующий выходной сигнал показан выше. Для дальнейшего преобразования этого чистого сигнала постоянного тока используется сглаживающий конденсатор. Конденсатор предназначен для сглаживания этого выходного сигнала, чтобы на выходе был устойчивый сигнал постоянного тока.

    Мостовой выпрямитель обладает заметными преимуществами по сравнению с двухполупериодным и полуволновым.

    • Выходное напряжение от мостового выпрямителя будет около 0,67 В макс. входного напряжения.
    • Частота пульсаций выходного сигнала будет вдвое больше входной частоты, что упрощает устранение пульсаций с помощью небольших сглаживающих конденсаторов вместо громоздких.

    ДИОД МАХОВИКА:

    Судя по всему, диод экономит в вашем доме гораздо больше бытовой техники, чем вы думаете. Индуктивные компоненты, такие как двигатель, реле, при выключении генерируют обратный ток.Этот ток протекает в цепи в обратном направлении, что может привести к повреждению цепи, а также прибора.

    Если вам известно о работе индуктора, вы должны знать, что индуктор вырабатывает обратный ток, когда на него падает напряжение. Когда переменный ток или переменный ток протекает через индуктор, вокруг него создается магнитный поток. Этот магнитный поток пытается поддерживать постоянный ток и противодействовать любому изменению тока, создавая отрицательную ЭДС на индукторе. Это свойство индуктора проявляется при использовании диода маховика с индуктивными компонентами.

    В приведенной выше схеме двигатель представляет собой индуктивное устройство, к которому подключен диод маховика. Этот диод ничего не делает, пока на наш двигатель не будет подано напряжение. Когда напряжение отключается, ток перестает течь, и, как мы знаем, индуктор ненавидит изменение тока, и в результате на его выводах будет развиваться противоположная ЭДС. В отсутствие подаваемого напряжения эта наведенная ЭДС начинает заставлять значительный ток течь в цепь в обратном направлении. Этот ток, если он попадает в цепь, повредит другие компоненты в нашей цепи.

    В этом случае, когда вы добавляете диод маховика параллельно индуктивному компоненту. Обратно наведенная ЭДС смещает диод маховика в прямом направлении, и через диод начинает течь обратный ток. Обратный ток продолжает протекать через диод до тех пор, пока магнитный поток, развиваемый через катушку индуктивности, не схлопнется и наведенная ЭДС на нем не станет равной нулю. Таким образом, диод действует как предохранитель для других компонентов в цепи, обеспечивая безопасный путь для обратного тока

    ЦЕПИ ЗАЖИМА:

    Это цепи, которые используются для изменения формы входного сигнала и обеспечения защиты цепей по напряжению.Как следует из названия, эти схемы ограничивают форму входного сигнала до определенного уровня напряжения, тем самым создавая измененную форму волны на выходе. Эти схемы работают на основе характеристик обратного смещения диода, когда он блокирует прохождение тока и, следовательно, напряжение на его выводе не изменяется. Помните об этом, и вы сможете без проблем разобраться в приведенных ниже схемах.

    a) ПОЛОЖИТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ ЗАЖИМА:

    Показанная выше принципиальная схема является положительной схемой ограничения.Здесь источник сигнала переменного тока подключен к последовательно включенным резистору и диоду. Во время положительного полупериода диод проводит ток, и поэтому на выходе будет только 0,7 В, что является типичным прямым напряжением диода. Это связано с тем, что для того, чтобы диод проводил ток, входное напряжение должно превышать прямое напряжение. Другими словами, сигнал будет ограничен до +0,7 В. Между тем, во время отрицательного полупериода диод будет смещен в обратном направлении, и через него протекает нулевой ток, не затрагивая напряжение на клеммах.Вот как он служит положительной схемой отсечения.

    b) ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ ОБРЕЗКИ:

    Показанная выше принципиальная схема представляет собой цепь отрицательного ограничения. Направление диода здесь обратное по сравнению с тем, что мы видели в положительном ограничителе. Таким образом, при прохождении положительного цикла сигнала переменного тока он будет смещен в обратном направлении, блокирующий ток и оставив напряжение нетронутым. Следовательно, на выходе будет отображаться положительный цикл. В то время как во время отрицательного полупериода диод будет находиться в прямом смещенном состоянии, и ток течет через него.Следовательно, отрицательный полупериод сигнала ограничивается до -0,7 В, что эквивалентно его прямому напряжению.

    c) ПОЛОЖИТЕЛЬНАЯ И ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ ОБРЕЗКИ:

    Показанная выше принципиальная схема представляет собой цепь с ограничением положительного и отрицательного полюсов. Это не что иное, как комбинация положительной и отрицательной схемы ограничения. Здесь вы можете увидеть два диода, размещенных параллельно друг другу, но в разном направлении. Когда подается сигнал переменного тока, диод D1 ограничивает положительный полупериод схемы, а диод D2 ограничивает отрицательный полупериод сигнала.Таким образом, на выходе вы увидите сигнал, который обрезается в обоих полупериодах при уровне напряжения 0,7 В и -0,7 В.

    d) СМЕЩЕННАЯ ЦЕПЬ ЗАЖИМА:

    Бывают случаи, когда нам нужно обрезать цепь при уровне напряжения, превышающем прямое напряжение диода. В этих случаях мы можем использовать источник напряжения, чтобы обеспечить необходимое смещение и заставить напряжение ограничения сдвинуться до желаемого уровня. В приведенной выше схеме, как вы можете видеть, пиковое напряжение сигнала переменного тока составляет V p / -V p , а при использовании источника напряжения VCC в цепи положительного ограничения напряжение, необходимое для сигнала переменного тока, чтобы заставить ток через диод, будет увеличить с 0.От 7 В до 0,7 В + VCC. Например, использование источника 4 В в качестве VCC ограничит положительный полупериод при уровне напряжения 4,7 В. Это будет полезно, когда нам нужно ограничить сигнал до желаемого уровня напряжения. Мы также можем обрезать как положительные, так и отрицательные полупериоды на желаемом уровне и можем обрезать их на разных уровнях.

    ЗАЖИМНЫЕ ЦЕПИ:

    Это еще одна схема, использующая диод, которая работает с формой входного сигнала, но отличается от схемы ограничителя. Цепи ограничения используются для добавления уровня постоянного тока к входным сигналам переменного тока, а также для изменения пикового напряжения сигналов переменного тока (как положительного, так и отрицательного пика) до любого желаемого уровня.Уровень постоянного тока здесь относится к точке 0 В, где сигнал переменного тока переходит от положительного полупериода к отрицательному полупериоду и наоборот. Проще говоря, зажимные цепи могут сдвинуть весь сигнал в положительную или отрицательную сторону.

    a) ПОЛОЖИТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ ЗАЖИМА:

    Это схема фиксатора, которая сдвигает входной сигнал в положительную сторону, где самый низкий пик входного сигнала будет равен нулю. Ознакомьтесь с приведенной выше формой волны, чтобы лучше понять, что цепь положительного фиксатора делает с типичным входным сигналом переменного тока.

    Перед тем, как приступить к работе, необходимо выполнить условие, которому должна соответствовать цепь фиксатора, чтобы она работала. Постоянная времени RC R и C в этой схеме должна быть очень большой по сравнению с периодом времени входного сигнала. В идеале постоянная времени RC должна быть в 10 раз больше, чем период входного сигнала.

    Вот как это работает. Когда отрицательный полупериод сигнала переменного тока проходит через цепь, диод будет смещен в прямом направлении, и ток будет течь в обратном направлении, заряжая конденсатор до пикового напряжения сигнала переменного тока, но с обратной полярностью.Когда сигнал переключается на положительный полупериод, разряд конденсатора будет намного меньше, так как значение RC велико. Во время положительного цикла диод будет находиться в обратном смещенном состоянии, и через него протекает нулевой ток. Поскольку через диод не протекает ток, входной сигнал будет отображаться на RL без какого-либо падения напряжения. Но здесь конденсатор уже заряжен обратной полярностью.

    Применение уравнения Кирхгофа к указанной выше схеме в этот момент даст уравнение выходного напряжения как

    V o = V c + V i

    Где Vc — напряжение конденсатора, а Vi — входное напряжение.Приведенный ниже расчет соответствует одному полному циклу входного сигнала, поэтому конденсатор всегда будет в заряженном состоянии.

    Используя это уравнение, вы можете получить выходное напряжение и построить график выходного сигнала.

    • Когда входной сигнал равен 0 В / I, напряжение конденсатора равно Vm, выходное напряжение будет V o = V м
    • Положение II / -V м входного сигнала приведет к напряжению конденсатора V м и, в свою очередь, даст выходное напряжение V o = 0
    • Когда вход находится в положении III / V м , напряжение конденсатора будет на уровне V м , следовательно, будет выдано выходное напряжение V o = 2 В м

    Приведенные выше значения напряжения приведут к смещению всего сигнала в положительную сторону, как показано на графике выше.Уровень постоянного тока в этом сигнале сдвигается до пикового напряжения положительного пикового напряжения полупериода входного сигнала V m . Тогда как пиковое напряжение выходного сигнала будет вдвое больше пика входного сигнала 2V м , а самый низкий пик будет лежать на нуле.

    b) ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ ЗАЖИМА:

    Цепь положительного фиксатора сдвигает сигнал на положительную сторону, тогда как отрицательный фиксатор сдвигает весь сигнал на отрицательную сторону. Схема аналогична положительному фиксатору, за исключением диода, который здесь перевернут.Когда положительный полупериод сигнала переменного тока проходит через диод схемы, он находится в прямом смещенном состоянии и позволяет току течь через него. В этом случае конденсатор начинает заряжаться до максимального или пикового напряжения сигнала переменного тока. Конденсатор будет сохранять это напряжение до тех пор, пока диод не будет смещен в прямом направлении.

    Как только сигнал переключается на отрицательную половину входящего сигнала, диод будет смещен в обратном направлении, и входное напряжение будет выставлено на выходе через резистор.

    Подача напряжения Кирхгофа на схему даст выходное напряжение как

    V o = V i — V c

    Где Vi — входное напряжение, а Vc — напряжение конденсатора.После первоначального полного цикла входного сигнала конденсатор всегда будет заряжаться, и на нем всегда будет появляться напряжение.

    Используя это уравнение, вы можете получить выходное напряжение и построить график выходного сигнала.

    • Когда входной сигнал равен 0 В / I, напряжение конденсатора будет м В, выходное напряжение В = -В м
    • Положение II / V м входного сигнала приведет к напряжению конденсатора V м и, в свою очередь, даст выходное напряжение V o = 0
    • Когда вход находится в положении III / -V м , напряжение конденсатора будет м В, следовательно, выходное напряжение составит В или = -2 В м

    Приведенные выше значения напряжения означают, что весь сигнал на выходе смещен в отрицательную сторону.Здесь максимальное пиковое напряжение перемещается от V m до нуля, а минимальное пиковое напряжение перемещается от -V m до -2V m .

    БАЙПАС И ДИОД БЛОКИРОВКИ:

    Растущие потребности в электроэнергии создали огромный спрос на солнечную энергию, и будет справедливо сказать, что диоды делают использование солнечных энергетических систем возможным и эффективным. Фактически, солнечный элемент — это не что иное, как фоточувствительный диод, который генерирует ток, когда на него падает солнечный свет. Но если оставить в стороне солнечные элементы, использование обычных диодов с солнечными элементами и панелями очень необходимо.

    БАЙПАСНЫЕ ДИОДЫ:

    Это обычный диод, который обычно подключается параллельно солнечным элементам, но в режиме обратного смещения. Солнечные элементы обычно генерируют около 0,58 В на элемент, и он соединен с другими солнечными элементами для создания более высокого напряжения и тока. Так устроена типичная солнечная панель. Итак, здесь происходит следующее: когда солнечный элемент в панели выходит из строя или тень отбрасывается на один элемент, напряжение на этом элементе падает. Это заставляет ток от правильно функционирующих солнечных элементов течь в этот неисправный или затененный элемент.Это заставляет неисправный элемент нагреваться и приводит к серьезным потерям мощности. Также есть вероятность, что этот солнечный элемент получит непоправимый ущерб.

    Во избежание описанной выше ситуации диоды обратного смещения подключены параллельно солнечному элементу. Итак, что здесь происходит, когда солнечный свет падает на эти солнечные элементы, каждая из этих отдельных ячеек генерирует ток и напряжение 0,58 В. Но когда одна ячейка в этой серии ячеек становится неисправной или затененной, напряжение на ячейке падает.Теперь вместо тока, протекающего в этот ослабленный солнечный элемент, диод, подключенный параллельно, образует путь с низким сопротивлением, по которому генерируемый ток течет через него. Это позволяет всему генерируемому току вытекать из солнечной панели, а не попадать в неисправный элемент, избегая огромных потерь мощности, вызванных всего одним солнечным элементом. И важно то, что «диод Шоттки», тип диода, следует использовать в качестве байпасного, поскольку он имеет падение напряжения только от 0,1 до 0,2 В, а не кремниевые диоды с падением напряжения около 0.7в

    В практических солнечных системах использование одного диода на фотоэлемент нецелесообразно и дорого. Таким образом, вместо этого используется один байпасный диод на цепочку или серию солнечных элементов. Таким образом, если какая-либо конкретная цепочка солнечных элементов выходит из строя или затененный ток может течь через байпасные диоды, избегая больших потерь мощности.

    БЛОКИРУЮЩИЕ ДИОДЫ:

    Функционально он очень похож на байпасные диоды. Также он широко используется с солнечными батареями и проектами с батарейным питанием.В большинстве солнечных систем солнечные панели используются для генерации тока, а этот ток используется для зарядки аккумулятора. Ток от батареи позже используется при необходимости (см. Схему ниже). Проблема с такой настройкой заключается в том, что когда солнечный свет падает на панель, на ней вырабатывается достаточное напряжение для зарядки аккумулятора. С другой стороны, когда падает тень или наступает ночь, напряжение на панели будет нулевым, и в этот момент батарея, подключенная к панели, имеет тенденцию иметь большее напряжение на ней.В результате это вызовет обратный ток в солнечную панель, что испортит солнечную панель и будет стоить серьезных денег.

    Чтобы избежать описанного выше сценария, последовательно с солнечной панелью добавлен диод. Как вы знаете, диод пропускает ток только в прямом направлении, когда солнечная панель генерирует ток, он пропускает его без сопротивления. Когда тень отбрасывается на панель или наступает ночь, аккумулятор пытается вернуть ток обратно в панель. В этот момент диод заблокирует входящий ток и спасет солнечную панель.Это также предотвращает случайную разрядку аккумулятора. При выборе блокирующего диода всегда помните, что максимальное напряжение батареи не должно превышать номинальное обратное напряжение диода

    .

    Обратное напряжение диода> Максимальное напряжение батареи

    ток батареи будет превышать диод, портя как солнечную панель, так и диод.

    На этом завершается часть II данного руководства по диодам. Надеюсь, из этого урока вы узнали, как использовать диоды в цепи и как их применять на практике.Если вы хотите узнать об основах диода, его конструкции и работе, ознакомьтесь с этим учебным пособием «Диод: конструкция и эксплуатация»

    Это руководство является частью нашей серии «Руководства по электронным компонентам», которую мы публикуем на нашем веб-сайте. Вот некоторые из других руководств, которые будут вам полезны.

      Резисторы

    1. : работа, использование и применение
    2. Конденсаторы

    3. : работа, использование и применение
    4. Катушки индуктивности: работа, использование и применение
    5. Диод: Строительный и рабочий

    Надеюсь, что приведенные выше уроки помогут вам стать лучше в электронике.