Что такое диод, принцип действия и работа в схеме

Электрические параметры

У каждого типа диодов есть свои рабочие и предельно допустимые параметры, согласно которым их выбирают для работы в той или иной схеме:

  • Iобр – постоянный обратный ток, мкА;
  • Uпр – постоянное прямое напряжение, В;
  • Iпр max – максимально допустимый прямой ток, А;
  • Uобр max – максимально допустимое обратное напряжение, В;
  • Р max – максимально допустимая мощность, рассеиваемая на диоде;
  • Рабочая частота, кГц;
  • Рабочая температура, С.

Здесь приведены далеко не все параметры диодов, но, как правило, если надо найти замену, то этих параметров хватает.

Схема простого выпрямителя переменного тока на одном диоде

На вход выпрямителя подадим сетевое переменное напряжение, в котором положительные полупериоды выделены красным цветом, а отрицательные – синим. К выходу выпрямителя подключим нагрузку (Rн), а функцию выпрямляющего элемента будет выполнять диод (VD). При положительных полупериодах напряжения, поступающих на анод диода диод открывается. В эти моменты времени через диод, а значит, и через нагрузку (Rн), питающуюся от выпрямителя, течет прямой ток диода Iпр (на правом графике волна полупериода показана красным цветом).

При отрицательных полупериодах напряжения, поступающих на анод диода диод закрывается, и во всей цепи будет протекать незначительный обратный ток диода (Iобр). Здесь, диод как бы отсекает отрицательную полуволну переменного тока (на правом графике такая полуволна показана синей пунктирной линией).

В итоге получается, что через нагрузку (Rн), подключенную к сети через диод (VD), течет уже не переменный, поскольку этот ток протекает только в положительные полупериоды, а пульсирующий ток – ток одного направления. Это и есть выпрямление переменного тока. Но таким напряжением можно питать лишь маломощную нагрузку, питающуюся от сети переменного тока и не предъявляющую к питанию особых требований, например, лампу накаливания.

Будет интересно Диод 1n4007: характеристики, маркировка и datasheets

Принцип работы диодаПринцип работы диода

Напряжение через лампу будет проходить только во время положительных полуволн (импульсов), поэтому лампа будет слабо мерцать с частотой 50 Гц. Однако, за счет тепловой инертности нить не будет успевать остывать в промежутках между импульсами, и поэтому мерцание будет слабо заметным. Если же запитать таким напряжением приемник или усилитель мощности, то в громкоговорителе или колонках мы будем слышать гул низкого тона с частотой 50 Гц, называемый фоном переменного тока. Это будет происходить потому, что пульсирующий ток, проходя через нагрузку, создает в ней пульсирующее напряжение, которое и является источником фона.

Этот недостаток можно частично устранить, если параллельно нагрузке подключить фильтрующий электролитический конденсатор (Cф) большой емкости. Заряжаясь импульсами тока во время положительных полупериодов, конденсатор (Cф) во время отрицательных полупериодов разряжается через нагрузку (Rн). Если конденсатор будет достаточно большой емкости, то за время между импульсами тока он не будет успевать полностью разряжаться, а значит, на нагрузке (Rн) будет непрерывно поддерживаться ток как во время положительных, так и во время отрицательных полупериодов. Ток, поддерживаемый за счет зарядки конденсатора, показан на правом графике сплошной волнистой красной линией.

Силовой выпрямительный диод.

Но и таким, несколько сглаженным током тоже нельзя питать приемник или усилитель потому, что они будут «фонить», так как уровень пульсаций (Uпульс) пока еще очень ощутим. В выпрямителе, с работой которого мы познакомились, полезно используется энергия только половины волн переменного тока, поэтому на нем теряется больше половины входного напряжения и потому такое выпрямление переменного тока называют однополупериодным, а выпрямители – однополупериодными выпрямителями. Эти недостатки устранены в выпрямителях с использованием диодного моста.

Основные неисправности диодов

Если это не так, неисправность вызвала другая причина:

  • нарушение герметичности;
  • разрыв перехода, превративший прибор в изолятор:
  • тепловой пробой;
  • электрический пробой:
  • туннельный;
  • лавинный.

При нарушении герметичности возникает протечка, мешающая нормальному функционированию.

Пробой p-n перехода

Пробоем называют увеличение электротока в противоположном направлении после достижении во время работы показателя обратного напряжения, являющегося максимально допустимым для прибора. Если он превышается, противоположный поток электротока резко увеличивается при незначительном изменении вольтажа. После обрыва перехода направление потока всего одно, полупроводник превращается в проводник.

Определить эту неисправность можно при помощи мультиметра, определяющего сопротивление и подающего сигнал при прохождении электротока.

Электрический пробой

Электрический туннельный или лавинный пробой можно устранить, если вовремя принять необходимые меры.

Причина электрического пробоя – сильный электроток в переходе или перегрев при отсутствии отвода тепла.

Туннельный пробой образуется, если во время работы на диод подается слишком высокое напряжение. Растет значение противоположного электротока, вольтаж снижается, электроны проходят через барьер, если его высота меньше их энергии.

Эту неисправность может вызвать:

  • слишком маленькая толщина области p-n (меньше длины пробега электрона);
  • обратный ток насыщения более 108 В/м;
  • наличие свободных мест в области дырок, в которую переходят электроны.

Лавинный пробой – увеличение во время работы противоположного электротока при небольшом увеличении вольтажа. Причина образования – повышение ионизации в p-n области, вызывающее увеличение количества частиц, носящих заряд. Электроны теряют свои обычные характеристики.

p-n переходp-n переход

Тепловой пробой

Эту неисправность чаще всего вызывает недостаточный отвод тепла, способствующего перегреву перехода во время работы.

В результате:

  • в кристалле растет амплитуда колебаний атомов;
  • электроны взаимодействуют с проводимой областью;
  • быстро повышается температура;
  • запускается процесс изменения структуры кристалла.

Полупроводник разрушается, причем процесс необратимый.

Маркировка

Для того чтобы определить вид, узнать характеристику полупроводникового диода, производители наносят специальные обозначения на корпус элемента. Она состоит из четырёх частей.

На первом месте — буква или цифра, означающая материал, из которого изготовлен диод. Может принимать следующие значения:

  • Г (1) — германий;
  • К (2) — кремний;
  • А (3) — арсенид галлия;
  • И (4) — индий.

На втором — типы диода. Они тоже могут иметь разное значение:

  • Д — выпрямительные;
  • В — варикап;
  • А — сверхвысокочастотные;
  • И — туннельные;
  • С — стабилитроны;
  • Ц — выпрямительные столбы и блоки.

На третьем месте располагается цифра, указывающая на область применения элемента.

Четвёртое место — числа от 01 до 99, означающее порядковый номер разработки.

Также на корпус могут быть нанесены и дополнительные обозначения. Но, как правило, они используются в специализированных приборах и схемах.

Для удобства восприятия диоды могут маркироваться также и разнообразными графическими символами, например, точками и полосками. Особой логики в таких рисунках нет. То есть, чтобы определить, что это за диод, придется заглянуть в специальную таблицу соответствия.

Дизайн

Обратное напряжение

Конструкции газотронов.

Обратное напряжение, выдерживаемое газотроном, является весьма важной его характеристикой. При работе газотрона в схеме выпрямителя напряжение между его анодом и катодом периодически меняется по знаку, причем когда потенциал анода отрицателен по отношению к катоду ( обратное напряжение), газовый разряд не должен происходить.

Однополупериодный выпрямитель.

Обратное напряжение на диоде достигает максимума в тот момент времени, когда напряжение на выходной обмотке трансформатора имеет отрицательное амплитудное значение.

Обратное напряжение при этом полностью падает на р — п переходе, который мгновенно смещается в обратном направлении. Концентрация избыточных дырок в базе диода на границе с р — п переходом также мгновенно уменьшается до нуля. Это резкое изменение граничной концентрации дырок как раз и обеспечивает бесконечно большой всплеск обратного тока. В последующие моменты времени после переключения избыточный заряд дырок в п-ба-зе, накопленный в период протекания прямого тока, постепенно убывает из-за их ухода через обратносмещен-ный р — п переход и рекомбинации в п-базе.

Символическое обозначение диода.| Прямой ток синусоидальной формы ( а и зависимости температуры структуры Tj и корпуса Тс от времени ( б.

Обратное напряжение к диоду при определении значения его предельного тока не прикладывается.

Двухполупериодное выпрямление по мостовой схеме.

Обратное напряжение в мостовой схеме определяется фазным напряжением, поскольку вентиль, не пропускающий в данный полупериод тока, оказывается присоединенным к вторичной обмотке трансформатора чере другпй работающий вентиль, падением напря — жения в котором можем пренебречь.

Обратное напряжение на вентиле определяется междуфазовым напряжением, поскольку неработающий вентиль присоединен анодом к одной из фаз, а катодом — через другой работающий вентиль ( внутренним падением напряжения которого пренебрегаем) к другой вторичной фазе трансформатора.

Обратное напряжение на вентиле в этой схеме определяется фазным напряжением, поскольку при работе, например В1 и ВЗ, В2 и В4 подключены на полное напряжение вторичной обмотки трансформатора ( сети): одна точка вентилей В2 и В4 подключена непосредственно к сети, а другая — через проводящий вентиль В1 или ВЗ. При этом падением напряжения на диодах пренебрегаем.

Устройство и условное обозначение трехэлектрод-ной лампы.

Обратное напряжение между электродами не должно превышать некоторого предельного значения. При слишком высоком обратном напряжении происходит вырывание силами поля свободных электронов из анода ( явление автоэмиссии) и возникает обратный ток, вызывающий порчу лампы.

Схема для снятия.

Обратное напряжение на один элемент не должно превышать номинального напряжения элемента.

Зачем все это нужно

При сварке постоянным током на кончике электрода образуется термическое пятно, которое обладает высокой температурой. В зависимости от того, какой полюс подключен к электроду, будет зависеть и температура на его кончике, а соответственно будет зависеть режим сварочного процесса. К примеру, если подключен к расходнику плюс, то на его конце образуется анодное пятно, температура которого равна 3900С. Если минус, то получается катодное пятно с температурой 3200С. Разница существенная.

Что это дает.

  • При сварке током прямой полярности основная температурная нагрузка ложится на металлическую заготовку. То есть, она разогревается сильнее, что позволяет углубить корень сварочного шва.
  • При сварке током обратной полярности концентрация температуры происходит на кончике электрода. То есть, основной металл при этом нагревается меньше. Поэтому этот режим в основном используют при соединении заготовок с небольшой толщиной.

Необходимо добавить, что режим обратной полярности применяют также при стыковке высокоуглеродистых и легированных сталей, нержавейки. То есть, тех видов металлов, которые чувствительны к перегреву.

Внимание! Так как на анодном и катодном пятне температура разная, то от правильного подключения сварочного аппарата будет зависеть расход самого электрода. То есть, обратная полярность при сварке инвертором – это перерасход электродов.. В процессе сварки постоянным током необходимо добиться того, чтобы металл заготовок прогрелся хорошо, практически до состояния расплавленного

То есть, должна образоваться сварочная ванна. Именно прямая и обратная полярность режима сваривания влияет на качественное состояние ванны.

В процессе сварки постоянным током необходимо добиться того, чтобы металл заготовок прогрелся хорошо, практически до состояния расплавленного. То есть, должна образоваться сварочная ванна. Именно прямая и обратная полярность режима сваривания влияет на качественное состояние ванны.

  • Если сила тока будут большой, а значит, и температура нагрева также будет высокой, то металл разогреется до такого состояния, что электрическая дуга будут просто его отталкивать. Ни о каком соединении здесь уже говорить не придется.
  • Если ток будут, наоборот, слишком мал, то металл не разогреется до необходимого состояния. И это тоже минус.

При прямой полярности внутри ванны будет создана среда, которой легко руководить электродом. Она растекается, поэтому одно движение стержня создает направленность сварного шва. При этом легко контролируется глубина сваривания.

Кстати, скорость движения электрода напрямую влияет на качество конечного результата. Чем скорость выше, тем меньше тепла поступает в зону сварки, тем меньше прогревается основной металл заготовок. Уменьшая скорость, увеличивается температура внутри сварочной ванны. То есть, металл хорошо прогревается. Поэтому опытные сварщики выставляют на инверторе ток больше необходимого. А вот качество сварного шва контролируют именно скоростью перемещения электрода.

Что касается самих электродов, то выбор полярности обусловлен материалом, из которого он изготовлен, или видом обмазки. К примеру, использование обратной полярности при сварке постоянным током, в которой применяется угольный электрод, приводит к быстрому расходу сварных стержней. Потому что при высоких температурах угольный электрод начинает разрушаться. Поэтому этот вид используется только при режиме прямой полярности. Чистый металлический стержень без покрытия, наоборот, хорошо заполняет сварочный шов при обратной полярности.

Глубина и ширина сварочного шва также зависит от используемого режима. Чем выше ток, тем происходит увеличение провара. То есть, увеличивается глубина сварного шва. Все дело в погонной энергии на дуге. По сути, это количество тепловой энергии, проходящей через единицу длины сварочного шва. Но увеличивать ток до бесконечности нельзя, даже в независимости от толщины свариваемых металлических заготовок. Потому что тепловая энергия создает давление на расплавленный металл, что вызывает его вытеснение. Конечный результат такой электросварки при повышенном токе – прожог сварочной ванны. Если говорить о влиянии прямой и обратной полярности при сварке инвертором, то большую глубину проплавки может обеспечить режим обратной полярности.

Диоды с барьером Шотки

Для выпрямления малых напряжений высокой частоты широко используются диоды с барьером Шотки. В этих диодах вместо p-n-перехода используется контакт металлической поверхности с полупроводником. В месте контакта возникают обеднённые носителями заряда слои полупроводника, которые называются запорными. Диоды с барьером Шотки отличаются от диодов с p-n-переходом по следующим параметрам:

  • более низкое прямое падение напряжения;
  • имеют более низкое обратное напряжение;
  • более высокий ток утечки;
  • почти полностью отсутствует заряд обратного восстановления.

Две основные характеристики делают эти диоды незаменимыми: малое прямое падение напряжения и малое время восстановления обратного напряжения. Кроме того, отсутствие неосновных носителей, требующих время на обратное восстановление, означает физическое отсутствие потерь на переключение самого диода.

Максимальное напряжение современных диодов Шотки составляет около 1200 В. При этом напряжении прямое напряжение диода Шотки меньше прямого напряжения диодов с p-n-переходом на 0,2…0,3 В.

Преимущества диода Шотки становятся особенно заметны при выпрямлении малых напряжений. Например, 45-вольтный диод Шотки имеет прямое напряжение 0,4…0,6 В, а при том же токе диод с p-n-переходом имеет падение напряжения 0,5…1,0 В. При понижении обратного напряжения до 15 В прямое напряжение уменьшается до 0,3…0,4 В. В среднем применение диодов Шотки в выпрямителе позволяет уменьшить потери примерно на 10…15 %. Максимальная рабочая частота диодов Шотки превышает 200 кГц.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода состоит из прямой и обратной ветви. Расположены они в I и в III квадрантах, так как направление тока и напряжения через диод всегда совпадают. По вольт-амперной характеристике можно определить некоторые параметры, а также наглядно увидеть, на что влияют характеристики прибора.

Напряжение порога проводимости

Если к диоду приложить прямое напряжение и начать его увеличивать, то в первый момент ничего не произойдет – ток расти не будет. Но при определенном значении диод откроется, и ток будет увеличиваться в соответствии с напряжением. Это напряжение называется напряжением порога проводимости и на ВАХ отмечено, как Uпорога. Оно зависит от материала, из которого изготовлен диод. Для самых распространенных полупроводников этот параметр составляет:

  • кремний – 0,6-0,8 В;
  • германий – 0,2-0,3 В;
  • арсенид галлия – 1,5 В.

Свойство германиевых полупроводниковых приборов открываться при малом напряжении используется при работе в низковольтных схемах и в других ситуациях.

Максимальный ток через диод при прямом включении

После того, как диод открылся, его ток растет вместе с увеличением прямого напряжения. Для идеального диода этот график уходит в бесконечность. На практике этот параметр ограничен способностью полупроводникового прибора рассеивать тепло. При достижении определенного предела диод перегреется и выйдет из строя. Чтобы этого избежать, производители указывают наибольший допустимый ток (на ВАХ – Imax). Его можно приблизительно определить по размеру диода и его корпусу. В порядке убывания:

  • наибольший ток держат приборы в металлической оболочке;
  • на среднюю мощность рассчитаны пластиковые корпуса;
  • диоды в стеклянных оболочках используются в слаботочных цепях.

Металлические приборы можно устанавливать на радиаторах – это увеличит мощность рассеяния.

Обратный ток утечки

Если приложить к диоду обратное напряжение, то малочувствительный амперметр ничего не покажет. На самом деле только идеальный диод не пропускает никакого тока. У реального прибора ток будет, но он очень мал, и называется обратным током утечки (на ВАХ – Iобр). Он составляет десятки микроампер или десятые доли миллиампер и намного меньше прямого тока. Определить его можно по справочнику.

Напряжение пробоя

При определенном значении обратного напряжения возникает резкий рост тока, называемый пробоем. Он носит туннельный или лавинный характер и является обратимым. Этот режим используется для стабилизации напряжения (лавинный) или для генерации импульсов (туннельный). При дальнейшем увеличении напряжения пробой становится тепловым. Этот режим необратим и диод выходит из строя.

Паразитическая ёмкость pn-перехода

Уже упоминалось, что p-n переход обладает электрической ёмкостью. И если в варикапах это свойство полезно и используется, то в обычных диодах оно может быть вредным. Хотя ёмкость составляет единицы или десятки пФ и на постоянном токе или низких частотах незаметна, с повышением частоты её влияние возрастает. Несколько пикофарад на ВЧ создадут достаточно низкое сопротивление для паразитных утечек сигнала, сложатся с существующей ёмкостью и изменят параметры цепи, а совместно с индуктивностью вывода или печатного проводника образуют контур с паразитным резонансом. Поэтому при производстве высокочастотных приборов принимают меры для снижения ёмкости перехода.

Основные параметры TVS-диодов

Смысл основных электрических параметров TVS легко пояснить с помощью его ВАХ (рисунок 3). Для однонаправленных диодов она имеет несимметричный вид, для двунаправленных – симметричный.

Рис. 3. ВАХ TVS-диодов

ВАХ TVS отличается от характеристики идеального защитного ограничителя. Во-первых, в выключенном состоянии TVS имеет достаточно большие обратные токи. Во-вторых, переход из области выключенного состояния в режим ограничения происходит не скачком, а плавно. В-третьих, ВАХ в режиме ограничения имеет наклон – напряжение зависит от величины тока.

Рис. 4. Зависимость пиковой мощности от длительности импульса

Для того чтобы учесть все перечисленные особенности, в документации на TVS-диоды всегда приводят характерные значения следующих токов и напряжений:

Постоянное обратное напряжение (VR, Stand-off Voltage), В – максимальное напряжение, которое можно приложить к TVS без его включения.

Ток утечки (IR, Reverse Leakage Current), мА – обратный ток, протекающий через TVS при напряжении VR и при заданной температуре окружающей среды (обычно 25°С)

В измерительных цепях важно выбирать TVS с минимальными токами утечки, чтобы избежать искажения полезных сигналов. Например, при защите измерительных цепей резистивных датчиков с токами питания в диапазоне десятков миллиампер ток утечки TVS не должен превышать десятков микроампер

Напряжение пробоя (VBR, Breakdown Voltage), В, характеризует величину напряжения пробоя. При этом пробой определяется по достижению заданного значения тока пробоя IT при заданной температуре окружающей среды. Значение IT обычно выбирается равным 1 или 10 мА.

В документации, как правило, приводят не конкретное значение напряжения пробоя, а некоторый гарантируемый диапазон.

Напряжение ограничения (VC, Clamping Voltage) характеризует падение напряжения на TVS при протекании заданного пикового тока IPP при заданной температуре окружающей среды.

Максимальный пиковый ток (IPP, Maximum Peak Pulse Current), А – ток который может пропустить супрессор без повреждения.

Для однонаправленных TVS в дополнение к перечисленным параметрам приводятся значения прямого падения напряжения и тока (VF, IF).

Пиковая мощность (PPPM, Peak Pulse Power Dissipation), Вт – значение максимальной мощности при заданной длительности импульса и заданной температуре окружающей среды.

Пиковая мощность имеет сильную зависимость от длительности приложенного импульса (рисунок 4). При выборе TVS для конкретного приложения следует тщательно изучить стандарты с требованиями к электромагнитной совместимости (ЭМС). В них указывается амплитуды, длительности и другие параметры возможных помех.

Рис. 5. Зависимость пиковой мощности и пикового тока от температуры окружающей среды

Выше было неоднократно указано, что значения электрических параметров указываются для конкретных значений температуры. Рост температуры приводит к уменьшению допустимых значений пиковой мощности и токов (рисунок 5).

Важно упомянуть и дополнительные параметры TVS. Емкость (С, Capacity), пФ, характеризует собственную емкость TVS

Этот параметр является достаточно противоречивым

Емкость (С, Capacity), пФ, характеризует собственную емкость TVS. Этот параметр является достаточно противоречивым.

С одной стороны, чем больше емкость, тем эффективнее будет ограничение помех. Фактически ограничение помехи начинается благодаря заряду емкости еще до того, как начнется пробой.

С другой стороны, большая емкость будет негативным фактором в случае использования в быстродействующих цепях, так как будет вносить задержку в распространение сигналов.

Тепловое сопротивление «переход-вывод» (RuJL, Typical Thermal Resistance Junction to Lead) или тепловое сопротивление «переход – окружающая среда» (RuJA, Typical Thermal Resistance Junction to Ambient). Эти параметры важны при учете возможностей увеличения пиковой мощности за счет увеличения теплоотвода. Теплоотвод улучшается при использовании радиаторов и при монтаже на плату.

Анализ особенностей TVS показывает наличие и ряда недостатков. С одной стороны, TVS не являются идеальными ограничителями напряжения. Степень ограничения зависит от мощности помехи (рисунок 6). С другой стороны, характеристики TVS зависят от температуры окружающей среды. Однако во многих случаях TVS являются более оптимальным выбором по сравнению с другими защитными компонентами, такими как разрядники, варисторы, тиристоры.

Рис. 6. Особенности ограничения входного импульса напряжения

ВАХ выпрямительных диодов (Ge, Si)

Вольт-амперные характеристики диодов представляют собой графики зависимостей прямых и обратных токов (Y) и напряжений (X) при различных температурах.

При подаче обратного напряжения, превышающего пороговое значение, величина обратного тока возрастает и происходит пробой p-n слоя.
Стоит обратить внимание и на порядки чисел по осям. Величины обратного тока на порядок меньше прямого

Значения прямого напряжения на порядок меньше обратного. По достижении порогового значения прямого напряжения прямой ток начинает увеличиваться лавинообразно.

Разница между диодами в том, что обратный ток кремниевых диодов меньше, чем у германиевых. Поэтому, за счет большего тока, у Ge диодов пробой носит тепловой характер, у Si — преобладает электрический пробой. Мощность, рассеиваемая при одинаковых токах у германиевых диодов меньше.

Самое популярное

Основные выводы

Полупроводниковые диоды – радиоэлементы с единственным p-n переходом, присутствующие практически во всех бытовых электроприборах. Чтобы работа полупроводников длилась дольше, необходимо обладать знаниями о принципе работы диодов, причинах неисправностей и способах их предотвращения.

Чаще всего работа полупроводников нарушается при изменениях температуры в окружающей среде или переходе. Если температура слишком высокая, увеличивается количество энергоносителей в переходе, снижается сопротивление, растет объем противоположного тока. После достижения максимально допустимого уровня запускается процесс разрушения кристалла.

Чтобы предотвратить сокращение сроков работы, необходимо следить за температурой среды и чистотой приборов. При необходимости следует организовать дополнительную систему отвода тепла. Повышение температуры в переходе предотвращается соблюдением требований к уровню вольтажа и тока, определенному для конкретного прибора. Даже при малейшем превышении существует вероятность разрушения кристалла.

Предыдущая
СветодиодыТаблица сравнения светового потока светодиодов и ламп накаливания и другие показатели эффективности освещения
Следующая
СветодиодыПодключения RGB светодиодной ленты: популярные схемы

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий