Выпрямительный диод

Принцип работы и структура

Диод VD1 — это полупроводниковое устройство, которое имеет два вывода: анод и катод. Его основная функция — пропускать электрический ток только в одном направлении и блокировать его в обратном направлении.

Структура диода VD1 основана на совмещении двух разных типов полупроводникового материала. Один из них — это тип п-перехода, состоящий из слоя полупроводникового материала с избытком «дырок» (пропускающих носителей заряда), который называется «p-слоем». Второй тип — это тип n-перехода, состоящий из слоя полупроводникового материала с избытком «электронов» (носителей отрицательного заряда), который называется «n-слоем». Оба типа переходов соединены между собой.

Основной принцип работы диода VD1 заключается в создании потенциального барьера между слоями n- и p-переходов. В обычном состоянии, когда анод приложен к положительному напряжению, а катод к отрицательному, происходит разделение зарядов внутри диода. В n-переходе накапливаются «электроны», а в p-переходе — «дырки». Это создает потенциальный барьер, блокирующий электрический ток.

Однако, если анод приложен к отрицательному напряжению, а катод к положительному, то потенциальный барьер уменьшается, и электрический ток начинает протекать через диод в прямом направлении. В этом состоянии диод работает как простой проводник, позволяющий току свободно протекать.

Преимущества структуры диода VD1:

• Небольшие габариты
• Низкие затраты на производство
• Высокая эффективность работы
• Длительный срок службы
• Надежность в различных условиях эксплуатации

Важно помнить, что:

1. Диод VD1 обладает определенным предельным напряжением, которое необходимо соблюдать для нормальной работы и предотвращения его повреждения.
2. При превышении предельного напряжения диода VD1 может произойти его разрушение и выход из строя.
3. Диоды VD1 могут использоваться в различных электрических схемах, например, в выпрямителях, стабилизаторах и логических схемах.

Структура и принцип работы диода VD1 делают его одним из самых распространенных и неотъемлемых элементов в электронике и электротехнике.

Способы подключения

Существует несколько стандартных вариантов подключения диода в электрическую цепь. Все они используются в определённых схемах и позволяют достичь требуемого результата.

Прямой вариант

Этот способ включения диода в электрическую цепь называют наиболее простым и часто используемым. В его основе лежит подсоединение положительного полюса к области p-типа, а отрицательного — к n-типа.

Описание работы диода при прямом подключении:

1. На устройство подаётся электрический ток, под воздействием которого образуется электрическое поле в области между двумя электродами. Его направление будет противоположным по отношению к внутреннему диффузионному полю.
2. Затем происходит резкое сужение запирающего слоя, которое получается из-за значительного снижения напряжения электрического поля.
3. Следствием этого станет способность большинства электронов свободно перемещаться из одной области (n-типа) в другую (p-типа).
4. Во время этого процесса показатели дрейфового тока не изменятся, так как они зависят только от количества заряженных частиц, находящихся в области p-n перехода.
5. Электроны способны перемещаться из n-области в p-область, что приводит к дисбалансу их концентрации. В одной из областей будет недостаток частиц, а в другой — избыток.
6. Из-за этого часть электронов перемещается вглубь полупроводника, что становится причиной разрушения его электронейтральности.
7. В этом случае полупроводник стремится к восстановлению своей нейтральности и начинает получать заряд от подключённого источника питания. Всё это приводит к образованию тока во внешней электроцепи.

https://youtube.com/watch?v=gEj2uA3j5TU

Обратный метод

Этот способ подключения диода к общей схеме используется гораздо реже. В его основе лежит изменение полярности внешнего источника питания, который участвует в процессе передачи напряжения.

Особенности функционирования диода при обратном включении:

1. После включения источника питания в области p-n перехода образуется электрическое поле. Его направление будет одинаковым с внутренним диффузионным полем.
2. Из-за этого будет происходить расширение запирающего слоя.
3. Находящееся в области p-n перехода поле будет ускорять движение электронов, но оставлять неизменными показатели дрейфующего тока.
4. Из-за всех этих действий будет постепенно нарастать обратное напряжение, которое поспособствует стремлению электрического тока к максимальным значениям.

Вам это будет интересно Особенности единицы измерения мощности вольт-ампер

Области применения диодов

Современные производители предлагают широкий ассортимент диодов, адаптированных для конкретных областей применения.

Выпрямительные диоды

Эти устройства служат для выпрямления синусоиды переменного тока. Их принцип действия основывается на свойстве устройства переходить в закрытое состояние при обратном смещении. В результате работы диодного прибора происходит срезание отрицательных полуволн синусоиды тока. По мощности рассеивания, которая зависит от наибольшего разрешенного прямого тока, выпрямительные диоды делят на три типа – маломощные, средней мощности, мощные.

• Слаботочные диоды могут использоваться в цепях, в которых величина тока не превышает 0,3 А. Изделия отличаются малой массой и компактными габаритами, поскольку их корпус изготавливается из полимерных материалов.
• Диоды средней мощности могут работать в диапазоне токов 0,3-10,0 А. В большинстве случаев они имеют металлический корпус и жесткие выводы. Производят их в основном из очищенного кремния. Со стороны катода изготавливается резьба для фиксации на теплоотводящем радиаторе.
• Мощные (силовые) диоды работают в цепях с током более 10 А. Их корпусы изготавливают из металлокерамики и металлостекла. Конструктивное исполнение – штыревое или таблеточное. Производители предлагают модели, рассчитанные на токи до 100 000 А и напряжение до 6 кВ. Изготавливаются в основном из кремния.

Диодные детекторы

Такие устройства получают комбинацией в схеме диодов с конденсаторами. Они предназначены для выделения низких частот из модулированных сигналов. Присутствуют в большинстве аппаратов бытового применения – радиоприемниках и телевизорах. В качестве детекторов излучения используются фотодиоды, преобразующие свет, попадающий на светочувствительную область, в электрический сигнал.

Ограничительные устройства

Защиту от перегруза обеспечивает цепочка из нескольких диодов, которые подключают к питающим шинам в обратном направлении. При соблюдении стандартного рабочего режима все диоды закрыты. Однако при выходе напряжения сверх допустимого назначения срабатывает один из защитных элементов.

Диодные переключатели

Переключатели, представляющие собой комбинацию диодов, которые применяются для мгновенного изменения высокочастотных сигналов. Такая система управляется постоянным электрическим током. Высокочастотный и управляющие сигналы разделяют с помощью конденсаторов и индуктивностей.

Диодная искрозащита

Эффективную искрозащиту создают с помощью комбинирования шунт-диодного барьера, ограничивающего напряжение, с токоограничительными резисторами.

Параметрические диоды

Используются в параметрических усилителях, которые являются подвидом резонансных регенеративных усилителей. Принцип работы основан на физическом эффекте, который заключается в том, что при поступлении на нелинейную емкость разночастотных сигналов часть мощности одного сигнала можно направить на рост мощности другого сигнала. Элементом, предназначенным для содержания нелинейной емкости, и является параметрический диод.

Смесительные диоды

Смесительные устройства используются для трансформации сверхвысокочастотных сигналов в сигналы промежуточной частоты. Трансформация сигналов осуществляется, благодаря нелинейности параметров смесительного диода. В качестве смесительных СВЧ-диодов используются приборы с барьером Шоттки, варикапы, обращенные диоды, диоды Мотта.

Умножительные диоды

Эти СВЧ устройства используются в умножителях частоты. Они могут работать в дециметровом, сантиметровом, миллиметровом диапазонах длин волн. Как правило, в качестве умножительных приборов используются кремниевые и арсенид-галлиевые устройства, часто – с эффектом Шоттки.

Настроечные диоды

Принцип работы настроечных диодов основан на зависимости барьерной емкости p-n перехода от величины обратного напряжения. В качестве настроечных используются приборы кремниевые и арсенид-галлиевые. Эти детали применяют в устройствах перестройки частоты в сверхчастотном диапазоне.

Генераторные диоды

Для генерации сигналов в сверхвысокочастотном диапазоне востребованы устройства двух основных типов – лавинно-пролетные и диоды Ганна. Некоторые генераторные диоды при условии включения в определенном режиме могут выполнять функции умножительных устройств.

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

Сравнение характеристик защитных ограничителей напряжения

Для определения наиболее оптимальных областей применения для TVS-диодов проведем их качественное сравнение с другими типами защитных ограничителей напряжения, производимых компанией LittelFuse. Среди таких ограничителей можно выделить газоразрядные лампы, защитные тиристоры SIDACtor, варисторы.

При анализе следует рассматривать основные эксплуатационные характеристики: уровни пиковых токов, диапазоны доступных напряжений ограничения, точность обеспечения напряжений ограничения, собственную емкость, эффективность ограничения выбросов, напряжение в режиме ограничения, соотношение габаритов и максимальной токовой нагрузки (таблица 1).

Таблица 1. Сравнительный анализ защитных ограничителей напряжения

Параметр	Газовые разрядники	Защитные тиристоры SIDACtor	Варисторы	TVS
Уровень пиковых токов	высокий	средний	высокий	средний
Минимальное напряжение включения, В	75	8	6	6
Точность напряжения включения	низкая	высокая	низкая	высокая
Эффективность ограничения выбросов напряжения	средняя	высокая	средняя	высокая
Типовая емкость, пФ	~1,5	~30	~1400	~100
Соотношение «пиковый ток/габариты»	низкое	среднее	высокое	среднее
Время срабатывания	большое	среднее	большое	малое

Сравнение показывает, что все ограничители имеют свои особенности и специфику. По этой причине каждый из них находит свою область применения.

Газовые разрядники применяются для защиты оборудования от самых мощных помех. Для них пиковые токи составляют тысячи ампер. При этом число защитных срабатываний оказывается достаточно большим. Среди недостатков можно отметить большое значение напряжения в режиме ограничения и невысокое быстродействие. Это не позволяет использовать разрядники для низковольтных цепей. Еще одним недостатком можно считать большие габариты.

Тиристоры SIDACtor используются для защиты от менее мощных помех. В сравнении с газоразрядными лампами они имеют лучшую эффективность ограничения. Это значит, что напряжение ограничения для них не так сильно зависит от тока, как для разрядников. Еще одним достоинством тиристоров является их надежность и долгий срок службы.

Главными достоинствами варисторов являются высокое соотношение пиковых токов и габаритов. Благодаря последнему обстоятельству, варисторы оптимальны для создания максимально компактных решений при защите от мощных помех. Их применяют как в источниках питания переменного тока, так и при защите низковольтных линий питания постоянного напряжения (например, в стандартных компьютерных интерфейсах).

TVS-диоды имеют наименьшее значения напряжений ограничения и самое быстрое время срабатывания. Его точность оказывается лучшей среди всех перечисленных приборов защиты. Эти факторы позволяют применять TVS не только для защиты линий питания, но и для защиты сигнальных, и даже логических линий.

Рис. 7. Примеры применения TVS -диодов

Если анализировать типовые области применения TVS-диодов, то среди них можно выделить следующие основные группы (рисунок 7):

• силовую электронику: (источники питания постоянного напряжения, драйверы электродвигателей, инверторы и так далее);
• телекоммуникационные системы;
• управляющие схемы (защита выходов и входов операционных усилителей, затворов транзисторов, входные и выходные линии, в том числе линии логических сигналов, и так далее);
• цифровые интерфейсы (USB, RS-485, RS-232, CAN и другие).

Компания Littelfuse выпускает широкий спектр защитных TVS-диодов для различных приложений.

Математическая модель диода. Обозначение.

Полупроводниковый диод имеет два вывода. Выводы называются: Анод и Катод. Полупроводниковый диод обладает свойством односторонней проводимости. Диод проводит ток, если к аноду приложить положительное напряжение, а к катоду — отрицательное. Если наоборот, то проводимость отсутствует.

Полупроводниковый диод позволяет создавать асимметричные с точки зрения полярности сигнала схемы. Например, выпрямители, преобразующие переменный ток в пульсирующий однополярный, или детекторы, выделяющие низкочастотную огибающую из высокочастотного сигнала.

На схемах полупроводниковый диод обозначается, как показано на рисунке.

Полупроводниковый диод на основе искусственного p-n перехода обладает проводимостью, описываемой следующей формулой:

[Ток через диод] = [Обратный ток диода] * (exp([Напряжение на диоде] * [K]) — 1).

Где [K] = ln([Ток измерения напряжения насыщения] / [Обратный ток диода] + 1) / [Напряжение насыщения при токе измерения].

[Обратный ток диода], [Напряжение насыщения при токе измерения] и [Ток измерения напряжения насыщения] — данные из справочника. В справочнике обычно пишут: ‘Напряжение насыщения 0.8 В при токе 1 А’ или ‘Максимальное прямое напряжение 0.8 В при токе 7 А’. Это как раз и есть нужные параметры. Еще ток измерения иногда приводят в сноске.

На рисунке приведена Вольтамперная характеристика полупроводникового диода, зависимость тока и напряжения. Как мы видим, рост напряжения на диоде приводит к очень быстрому, экспоненциальному росту тока.

Полупроводниковый диод — это полупроводниковый элемент, пропускающий ток только в одном направлении. Принцип работы диода основан на свойствах проводимости полупроводников, а именно на электронно-дырочном переходе.

На принципиальной электрической схеме диоды изображаются следующим образом:

Диоды изготавливают в основном методами сплавления и методом диффузии. Метод сплавления заключается в сплавлении пластин p и n – типов, а метод диффузии состоит во внедрении примесных атомов в полупроводниковую пластину. Благодаря этим способам изготавливаются большие площади p – n переходов – до 1000 мм2. А чем больше площадь перехода, тем больший ток можно через него пропускать.

Существуют также точечные (высокочастотные) диоды, площадь их p – n перехода меньше 0,1 мм2. Такие диоды изготавливаются с помощью соединения металлической иглы с полупроводником. Применяются точечные диоды в аппаратуре сверхвысоких частот при значении тока 10-20 мА.

Основные виды полупроводниковых диодов по функциональному назначению: выпрямительные, стабилитроны, импульсные, светодиоды, фотодиоды и т.д.

Выпрямительными называют полупроводниковые диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный. Такие диоды изготавливают методами сплавки и диффузии, для того чтобы создать большую площадь p-n перехода, так как через них протекают большие токи. Сам процесс выпрямления переменного тока заключается в свойстве диода хорошо проводить ток в одном направлении и практически не проводить его в другом.

Ниже изображена схема простейшего однополупериодного выпрямителя. Работает он следующим образом: положительный полупериод напряжения Uвх, диод V пропускает практически без изменения, и напряжение Ur практически равно Uвх. Но в момент времени, когда полупериод напряжения отрицательный, диод включен в обратном направлении и все напряжение Uвх падает на диоде, а напряжение на резисторе практически равно нулю

На рисунке схематично изображен график напряжения на резисторе.

Стабилитронами (опорными диодами) называются полупроводниковые диоды предназначенные для стабилизации постоянного напряжения. Для стабилизации напряжения в стабилитронах используют обратную ветвь вольт-амперной характеристики в области электрического пробоя, для этого их включают в обратном направлении. При изменении тока протекающего через стабилитрон от значения Iстmin до Iстmax напряжение на нем почти не изменяется.

Стабилитроны стабилизируют напряжение от 3,5 В, а для стабилизации меньшего напряжения используют стабисторы. В стабисторах используют прямую ветвь вольт-амперной характеристики, поэтому их включают в прямом направлении.

Импульсным называется диод, который предназначен для работы в импульсных схемах. В прямом направлении импульсный диод хорошо проводит электрический ток. При обратном включении такого диода, обратный ток в нем резко увеличивается, а через короткий промежуток времени исчезает. Таким образом получается электрический импульс.

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.