Содержание
Диод. Полупроводниковый диод. Подключение диода. Маркировка диодов. Работа диода
| Основы |
Полупроводниковый диод. Подключение диода. Маркировка диодов. Работа диода.
Диод — электронный прибор, пропускающий ток только в одну сторону.
|
|
Диод имеет два контакта, которые называют анодом и катодом. При включении диода в электрическую цепь ток протекает от анода к катоду. Умение проводить ток только в одну сторону — основное свойство диода.
Диоды относятся к классу полупроводников и считаются активными электронным компонентам (резисторы и конденсаторы — пассивными).
|
|
При подключении диода в цепь должна быть соблюдена правильная полярность. Чтобы было легко определить расположение катода и анода, на корпус или на один из выводов диода наносят специальные метки. Встречаются различные способы маркировки диодов, но чаще всего на сторону корпуса, соответствующую катоду, наносят кольцевую полоску.
Если маркировка диода отсутствует, то выводы полупроводниковых диодов можно определить с помощью измерительного прибора — как уже говорилось выше, диод пропускает ток только в одну сторону. Если измерительного прибора под рукой нет, можно использовать батарейку и маломощную лампочку так, как описано в приводящемся ниже эксперименте.
Работа диода
|
|
Работу диода можно наглядно представить при помощи простого эксперимента. Если к диоду через маломощную лампу накаливания подключить батарею так, чтобы положительный вывод батареи был соединен с анодом, а отрицательный — с катодом диода, то в получившейся электрической цепи потечет ток и лампочка загорится.
Максимальная величина этого тока зависит от сопротивления полупроводникового перехода диода и поданного на него постоянного напряжения. Данное состояние диода назвается открытым, ток, текущий через него, — прямым током Iпр, а поданное на него напряжение, из-за которого диод оказался открытым, — прямым напряжением Uпр.
Если выводы диода поменять местами, то лампа не будет светиться, так как диод будет находиться в закрытом состоянии и оказывать току в цепи сильное сопротивление. Стоит отметить, что небольшой ток через полупроводниковый переход диода в обратном направлении все же потечет, но в сравнении с прямым током будет настолько маленьким, что лампочка даже не среагирует. Такой ток называют обратым током Iобр, а напряжение, создающее его,— обратным напряжением Uобр.
В нейронных цепях BEAM-роботов диоды часто применяются при создании нейронов, моделирующих логическое сложение (элементы ИЛИ).
Кроме того, в схемах BEAM-роботов иногда используются емкостные свойства диодов.
Как из переменного напряжения получить постоянное или как работает диод. » Хабстаб
Для того чтобы понять как из переменного напряжения получить постоянное нам необходимо разобраться, чем отличается переменный ток от постоянного и как работает диод.
Переме́нный ток (англ. alternating current) — электрический ток, который с течением времени изменяется по величине и направлению или, в частном случае, изменяется по величине, сохраняя своё направление в электрической цепи неизменным.
Диод — это электронный элемент, который пропускает ток в одном направлении и не пропускает в другом. На рисунке ниже видно как течёт ток через диод.
У диода есть два вывода катод и анод, существует простой способ запомнить, что подключать к катоду плюс или минус.
В слове «анод» столько же букв сколько в слове «плюс», соответственно к аноду подключаем плюс, а в слове «катод» столько же букв сколько в слове «минус», то есть к катоду подключаем минус. Давайте посмотрим как изменится переменное напряжение, после того как оно пройдёт через диод.
На осциллограмме видно, что диод не пропускает отрицательные полупериоды переменного напряжения, такой процесс называют выпрямлением переменного тока. Также надо учитывать, что амплитуда положительной полуволны стала меньше после выпрямления на падение напряжения на диоде.
Падение напряжения на диоде зависит от тока, температуры, и материала из которого он изготовлен и для германиевых диодов составляет около 0,7V. Давайте рассмотрим, что будет если подать на диод отрицательное напряжение или напряжение меньше 0,7V. Картинку можно увеличить кликнув по ней.
Если на диод подать отрицательное напряжение, то ток через него не потечёт.
Если подать напряжение меньше 0,7V, то диод не откроется и ток через него тоже не потечёт. Если подать напряжение больше 0,7V, то падение напряжения на диоде всегда будет равно примерно 0,7V для кремневого диода.
Важным параметром диода является максимальный ток, который он может через себя пропустить, а, следовательно, максимальная рассеиваемая мощность. На картинке ниже изображена формула, которая связывает силу тока и мощность диода.
При силе тока 0,001А и падении напряжения 0,7V на диоде будет выделяться мощность равная 0,7mW.
Также есть одна интересная особенность при параллельном соединении диодов, если соединить параллельно 5 штук, максимальный ток каждого диода при этом равен 1А, то максимальный ток через все диоды не будет равен 5А.
Они начнут сгорать друг за другом, связано это с тем, что при одинаковом напряжении, так как двух одинаковых диодов не бывает, то при одном и том же напряжении, ток через них будет отличаться, то есть через какие-то будет течь ток меньше 1А, а через какие-то или какой-то больше, что и станет причиной выхода из строя первого диода, следовательно когда он сгорит тот же ток распределится уже на 4 диода и снова один из диодов или несколько, выйдут из строя и так будет происходить пока все не сгорят.
В заключение хотелось бы сказать про скорость открытия диода. Возьмём обычный выпрямительный диод(1N4007), который применяется там, где частота не превышает 50 – 60Hz и подадим на него, синусоиду частотой 15KHz.
На осциллограмме видно, что на такой частоте диод начинает пропускать часть отрицательной полуволны, объясняется это следующим образом, во время протекания тока возникает накопление неосновных носителей в обеих областях диода. После того как полярность напряжения приложенного к диоду изменяется на противоположную, движение навстречу друг другу неосновных носителей вызовет короткий импульс обратного тока. Длительность описанного выше процесса называют временем восстановления обратного сопротивления базы диода, его можно посмотреть в даташите. Время восстановления обратного сопротивления зависит от емкости p-n перехода. Диоды, работающие на более высоких частотах, обладают меньшей ёмкостью p-n перехода и следовательно меньшим временем восстановления обратного сопротивления.
Давайте возьмём импульсный диод с маркировкой 1N4148 и подадим на него синусоиду частотой 100Khz.
На осциллограмме видно, что отрицательные выбросы отсутствуют.
Пожалуй, это все, что хотелось рассказать про диод.
Диодный ток: функциональность и характеристики
Ключевые выводы
● Узнайте о функциях диодов.
● Получите более полное представление о характеристиках протекания тока через диоды.
● Узнайте, как изменения смещения диодов определяют, работают ли они как изоляторы или проводники.
Смещение диода влияет на протекание тока.
По сравнению с множеством электронных компонентов, с которыми мы сталкиваемся в области электроники, диод является относительно простым компонентом. По сути, диод — это компонент, который позволяет току течь в одном направлении и блокирует его в другом направлении.
Диоды позволяют току течь в одном направлении без влияния какого-либо импеданса, полностью блокируя весь поток тока в другом. Кроме того, существует четкое обозначение между этими двумя состояниями работы.
Диод
Как уже говорилось, ток, протекающий через диод, может течь только в одном направлении, и мы называем это состояние прямым смещением. Поскольку ток может течь только в одном направлении (прямое смещение), мы неофициально считаем диоды односторонними электронными вентилями. Если напряжение на диоде отрицательное, ток не течет; таким образом, идеальный диод выглядит как разомкнутая цепь.
Типичные диоды могут находиться в прямом или обратном смещении. В электронике мы определяем смещение или смещение как метод установления набора токов или напряжений в различных точках электронной схемы, чтобы установить надлежащие условия работы в электронных компонентах. Хотя это упрощенная версия ответа, в целом она верна.
Диод представляет собой электронный компонент, состоящий из полупроводникового материала P-типа и N-типа; мы называем p-n переход.
Он также имеет выводы, подключенные к этим двум концам, что упрощает внедрение практически в любую электронную схему.
Функциональность диода
Мы называем вывод, прикрепленный к полупроводнику N-типа, катодом. Таким образом, катод является отрицательной стороной диода. Напротив, мы называем вывод, подключенный к полупроводнику P-типа, анодом, что делает его положительной стороной диода.
Когда мы подключаем источник напряжения к диоду так, что положительная сторона источника напряжения соединяется с анодом, а отрицательная сторона соединяется с катодом, диод действует как проводник, позволяя течь току. Когда мы подключаем напряжение к диоду в этом направлении, мы называем это прямым смещением.
Однако, если мы изменим это направление напряжения, т. е. подключим отрицательную (-) сторону к аноду, а положительную (+) сторону к катоду, ток не будет течь. В это время диод действует как изолятор. Когда мы подключаем напряжение к диоду в этом направлении, мы называем это обратным смещением.
Примечание. Хотя при прямом смещении ток течет, а при обратном — нет, существует максимальный предел уровня тока, который диод может эффективно блокировать.
Две области диода
Мы кратко обсудили две полупроводниковые области в диоде (P и N). Однако также важно различать стороны или полупроводниковые области.
Во-первых, о символе, который схематически изображает диод, катод находится справа, а анод — слева. Анодную сторону условного обозначения, как правило, рассматривают как стрелку, изображающую стандартное направление протекания тока, т. е. от положительного (+) к отрицательному (-). Следовательно, диод допускает протекание тока в направлении стрелки. А затем рассмотрите вертикальную линию на стороне катода как огромный знак минус (-), показывающий, какая сторона диода является отрицательной для прямого смещения.
Функциональность протекания тока через диод
Стандартному диоду требуется определенное прямое напряжение, прежде чем он позволит протекать току.
Как правило, указанное количество напряжения, которое требуется диоду, прежде чем позволить протекать току, составляет минуту. Обычно это 0,5 вольта. Пока он не достигнет этой величины напряжения, ток не будет течь. Однако при достижении прямого напряжения ток легко протекает через диод.
Мы называем этот минимальный порог напряжения в прямом направлении прямым падением напряжения на диоде. Причина этого в том, что цепь теряет или падает это напряжение на диоде. Мы можем проверить это, используя мультиметр и измерив выводы диода, когда он находится в прямом смещении. Полученное показание будет прямым падением напряжения на диоде.
Для дополнительной иллюстрации мы можем использовать приведенную выше принципиальную схему. Когда мы используем мультиметр для измерения на клеммах лампы, напряжение будет представлять собой разницу между напряжением батареи (12 вольт) и прямым падением напряжения на диоде в цепи. Например, если прямое падение напряжения на нашем диоде составляет 0,8 вольта, а напряжение батареи точно равно 12 вольтам, то напряжение на лампе будет 11,2 вольта.
Характеристики диода
Диод имеет максимальное обратное напряжение, которое он может выдержать до того, как выйдет из строя, что позволяет протекать обратному току через диод. Мы называем это обратное напряжение пиковым обратным напряжением (PIV) или пиковым обратным напряжением. Кроме того, это важная характеристика диода с точки зрения функциональности схемы. Крайне важно, чтобы ни один диод в вашей схеме не подвергался напряжению, превышающему этот предел.
Наряду с номинальным значением PIV и прямого падения напряжения диод также получает максимальный номинальный ток. Как следует из этого рейтинга, это пиковый рабочий ток диода, и его превышение приведет к непоправимому повреждению диода и, возможно, всей схемы.
Диод как компонент является относительно простым, но он обеспечивает функциональность двух различных компонентов в одном. Широкий спектр приложений для диода включает практически бесконечный список приложений для электрических устройств.
Таким образом, диод является действительно адаптивным компонентом, который дает разработчикам оптимальный контроль над тем, какую функцию диод будет играть в их схемотехнике.
Набор диодов различных форм и размеров, но все они имеют одинаковые характеристики протекания тока.
Для успешного внедрения диода в вашу конструкцию с соответствующими характеристиками протекания тока через диод необходимо использовать высококачественное программное обеспечение для проектирования и анализа печатных плат. Allegro от Cadence — одно из таких программ с множеством надежных функций для компоновки, а также тестирования и моделирования.
Если вы хотите узнать больше о том, какое решение может предложить Cadence, обратитесь к нам и нашей команде экспертов. Чтобы посмотреть видео по связанным темам или узнать, что нового в нашем наборе инструментов для проектирования и анализа, подпишитесь на наш канал YouTube.
Решения Cadence PCB — это комплексный инструмент для проектирования от начала до конца, позволяющий быстро и эффективно создавать продукты.
Cadence позволяет пользователям точно сократить циклы проектирования и передать их в производство с помощью современного отраслевого стандарта IPC-2581.
Подпишитесь на Linkedin
Посетите вебсайт
Больше контента от Cadence PCB Solutions
УЧИТЬ БОЛЬШЕ
Разъяснения о диодах — инженерное мышление
Изучите основы работы диодов, а также то, почему и где мы их используем.
Прокрутите вниз, чтобы посмотреть обучающее видео на YouTube.
Что такое диод
Пример диода
Диод выглядит примерно так, как показано на рисунке выше, и бывает разных размеров. Как правило, они имеют черный цилиндрический корпус с полосой на одном конце, а также несколько выводов, которые позволяют нам подключить его к цепи. Этот конец известен как анод, а этот конец — катод, и мы увидим, что это значит, позже в видео.
Вы также можете получить другие формы, такие как стабилитрон или даже светодиод, который является светоизлучающим диодом, но мы не будем рассматривать их в этой статье.
Другие примеры диодов
Диод пропускает ток только в одном направлении.
Если представить водопровод с установленным поворотным клапаном. По мере того, как вода течет по трубе, она толкает распашные ворота и продолжает течь. Однако, если вода изменит направление, вода закроет ворота и не сможет течь. Поэтому вода может течь только в одном направлении.
Водопроводная труба Иллюстрация
Это очень похоже на диод, мы используем их для управления направлением тока в цепи.
Теперь мы анимировали это, используя поток электронов, то есть поток электронов от отрицательного к положительному. Однако в электронике традиционно используется условный поток от плюса к минусу. Обычный ток, вероятно, легче понять, вы можете использовать любой из них, это не имеет большого значения, но просто помните о двух и о том, какой из них мы используем.
Пример светодиода
Итак, если мы подключим диод в простую схему светодиода, подобную приведенной выше, следует отметить, что светодиод включится только при правильной установке диода. Он позволяет току течь только в одном направлении. Таким образом, в зависимости от того, как он установлен, он может действовать как проводник или изолятор.
Полосатый конец соединяется с минусом, а черный конец соединяется с плюсом, чтобы он действовал как проводник. Это позволяет току течь, мы называем это прямым смещением. Если мы перевернем диод, он будет действовать как изолятор, и ток не сможет течь. Мы называем это обратным смещением.
Прямое смещение и обратное смещение
Как работает диод?
Как вы знаете, электричество — это поток свободных электронов между атомами. Мы используем медные провода, потому что в меди много свободных электронов, что облегчает передачу электричества. Мы используем резину для изоляции медных проводов и обеспечения нашей безопасности, потому что резина является изолятором, что означает, что ее электроны удерживаются очень плотно и поэтому не могут перемещаться между атомами.
Если мы посмотрим на базовую модель атома металлического проводника, у нас будет ядро в центре, окруженное рядом орбитальных оболочек, удерживающих электроны. Каждая оболочка содержит максимальное количество электронов, и электрон должен иметь определенное количество энергии, чтобы попасть в каждую оболочку. Электроны, расположенные дальше всего от ядра, обладают наибольшей энергией. Самая внешняя оболочка известна как валентная оболочка, и проводник имеет от 1 до 3 электронов в своей валентной оболочке.
Атом меди
Электроны удерживаются на месте ядром. Но есть еще одна оболочка, известная как зона проводимости. Если электрон сможет достичь этого, то он сможет вырваться из атома и перейти к другому. У атома металла, такого как медь, зона проводимости и валентная оболочка перекрываются, поэтому электрону очень легко двигаться.
Изолятором упакована крайняя оболочка. Там очень мало места для присоединения электрона. Ядро крепко держит электроны, а зона проводимости находится далеко, поэтому электроны не могут добраться до нее, чтобы убежать.
Поэтому электричество не может проходить через этот материал.
Однако есть еще один материал, известный как полупроводник. Кремний является примером полупроводника. В этом материале слишком много электронов на внешней оболочке, чтобы он мог быть проводником, поэтому он действует как изолятор. Однако следует отметить; что так как зона проводимости довольно близка; если мы обеспечим некоторую внешнюю энергию, некоторые электроны получат достаточно энергии, чтобы совершить прыжок из валентности в зону проводимости и стать свободными. Поэтому этот материал может действовать как изолятор или проводник.
В чистом кремнии почти нет свободных электронов, поэтому инженеры добавляют в кремний небольшое количество других материалов, чтобы изменить его электрические свойства.
Изолятор, проводник, полупроводник Пример
Мы называем это легированием P-типа и N-типа. Мы объединяем эти легированные материалы, чтобы сформировать диод.
Итак, внутри диода у нас есть два провода, анод и катод, которые соединяются с тонкими пластинами.
Между этими пластинами находится слой легированного кремния P-типа со стороны анода и слой легированного кремния N-типа со стороны катода. Все это заключено в смолу для изоляции и защиты материалов.
Пример диода
Давайте представим, что материал еще не был легирован, поэтому внутри находится только чистый кремний. Каждый атом кремния окружен 4 другими атомами кремния. Каждому атому нужно 8 электронов в своей валентной оболочке, но атомы кремния имеют только 4 электрона в своей валентной оболочке, поэтому они незаметно делят электрон со своим соседним атомом, чтобы получить желаемые 8. Это известно как ковалентная связь.
Ковалентная связь
Когда мы добавим материал N-типа, такой как фосфор, он займет положение некоторых атомов кремния. Атом фосфора имеет 5 электронов на валентной оболочке. Так как атомы кремния обмениваются электронами, чтобы получить желаемые 8, им не нужен этот дополнительный, поэтому теперь в материале есть дополнительный электрон, и поэтому они могут свободно двигаться.
Добавление фосфора
При легировании Р-типа мы добавляем такой материал, как алюминий. Этот атом имеет только 3 электрона в своей валентной оболочке, поэтому он не может предоставить своим 4 соседям общий электрон, поэтому одному из них придется обойтись без него. Таким образом, создается дыра, в которой может сидеть и занимать электрон.
Итак, теперь у нас есть два легированных куска кремния, один со слишком большим количеством электронов, а другой с недостаточным количеством электронов.
Два материала соединяются, образуя соединение P-N. На этом стыке мы получаем то, что известно как область истощения. В этой области часть избыточных электронов со стороны N-типа переместится, чтобы занять дырки на стороне P-типа. Эта миграция образует барьер с накоплением электронов и дырок на противоположных сторонах. Электроны заряжены отрицательно, поэтому дырки считаются положительно заряженными. Таким образом, накопление вызывает слегка отрицательно заряженную область и слегка положительно заряженную область.
Это создает электрическое поле и предотвращает движение большего количества электронов. Разность потенциалов в этой области составляет около 0,7 В в типичных диодах.
Пример истощения
Когда мы подключаем источник напряжения к диоду, при этом анод (P-типа) подключен к плюсу, а катод (N) к минусу, это создаст прямое смещение и позволит протекать току. Источник напряжения должен быть выше барьера 0,7 В, иначе электроны не смогут установить перемычку.
Источник напряжения должен быть выше барьера
Когда мы реверсируем источник питания, так что положительный контакт подключается к катоду N-типа, а отрицательный — к аноду P-типа. Дырки притягиваются к минусу, а электроны притягиваются к плюсу, что вызывает расширение барьера, и поэтому диод действует как проводник, предотвращая протекание тока.
Технические детали
Пример символа
Диоды обозначаются на технических чертежах символом, подобным изображенному выше. Полоса на корпусе обозначена вертикальной линией на символе, а стрелка указывает направление условного тока.
Когда мы смотрим на диод, мы видим эти цифры и буквы на корпусе. Они идентифицируют диод, поэтому вы можете найти технические подробности в Интернете.
Диаграмма ВАХ
Диод будет иметь диаграмму ВАХ, как показано выше. На этой диаграмме показаны характеристики тока и напряжения диода, которые изображены в виде изогнутой линии. Эта сторона должна вести себя как проводник, а эта сторона — как изолятор.
Вы можете видеть, что диод может действовать как изолятор только до определенной разницы напряжений на нем, если вы превысите это значение, тогда он станет проводником и позволит протекать току. Это разрушит диод и, возможно, вашу схему, поэтому вам нужно убедиться, что размер диода соответствует требованиям приложения.
Точно так же диод может выдерживать только определенное напряжение или ток при прямом смещении. Значение отличается для каждого диода, вам нужно будет просмотреть эти данные, чтобы найти подробности.
Диоду требуется определенный уровень напряжения, чтобы открыться и обеспечить протекание тока при прямом смещении.
Большинство из них около 0,6 В. Если мы применим напряжение меньше этого, он не откроется, чтобы пропустить ток. Но по мере того, как мы превышаем это значение, количество тока, которое может протекать, будет быстро увеличиваться.
Пример напряжения диода
Диоды также обеспечивают падение напряжения в цепи. Например, когда я добавил этот диод в простую светодиодную схему, установленную на макетной плате, падение напряжения составило 0,71 В.
Почему мы их используем
Как уже упоминалось, мы используем диоды для управления направлением тока в цепи. Это полезно, например, для защиты нашей схемы, если источник питания был подключен задом наперед. Диод может блокировать ток и обеспечивать безопасность наших компонентов.
Мы также можем использовать их для преобразования переменного тока в постоянный. Как вы, возможно, знаете, переменный или переменный ток перемещает электроны вперед и назад, создавая синусоидальную волну с положительной и отрицательной половиной, но постоянный или постоянный ток перемещает электроны только в одном направлении, что дает плоскую линию в положительной области.
Если мы подключим первичную сторону трансформатора к источнику переменного тока, а затем подключим вторичную сторону к одному диоду, диод пропустит только половину волны и заблокирует ток в противоположном направлении. Таким образом, схема испытывает только положительную половину цикла, поэтому теперь это очень грубая цепь постоянного тока, хотя ток пульсирует, но мы можем это улучшить.
Первичный Пример
Один из способов сделать это, если мы подключим четыре диода к вторичной обмотке, мы создадим двухполупериодный выпрямитель. Диоды контролируют, по какому пути может течь переменный ток, блокируя или позволяя ему проходить. Как мы только что видели, положительная половина синусоиды может проходить, но на этот раз отрицательная половина также может проходить, хотя она была инвертирована, чтобы превратить ее также в положительную половину. Это дает нам лучшее питание постоянным током, потому что пульсация значительно уменьшилась. Но мы все еще можем улучшить это, мы просто добавим несколько конденсаторов, чтобы сгладить пульсации и, в конечном итоге, превратить их в гладкую линию, чтобы точно имитировать постоянный ток.
Четыре диода подключены
Мы подробно рассмотрели, как работают конденсаторы, в нашей предыдущей статье, проверьте, что ЗДЕСЬ .
Для проверки диода нам понадобится мультиметр с настройкой проверки диодов, символ будет выглядеть так. Мы настоятельно рекомендуем вам иметь хороший мультиметр в своем наборе инструментов, который поможет вам учиться, а также диагностировать проблемы.
Итак берем наш диод и мультиметр. Подключаем черный провод к концу диода линией. Затем подсоединяем красный провод к противоположному концу. Когда мы это сделаем, мы должны получить показания на экране.
Например, эта модель диода 1N4001 дает показание 0,516 В. Это минимальное напряжение, необходимое для того, чтобы открыть диод и обеспечить протекание тока.
Если мы теперь поменяем местами выводы, подключенные к диодам, мы должны увидеть на экране OL, что означает выход за пределы. Это говорит нам о том, что он не может произвести измерение, и это хорошо, потому что он измеряет, что не может замкнуть цепь, поэтому диод выполняет свою работу.
Добавить комментарий