Диод — полупроводниковый элемент. Принцип работы, устройство и разновидности.

Диод (Diode -eng.) – электронный прибор, имеющий 2 электрода, основным функциональным свойством которого является низкое сопротивление при передаче тока в одну сторону и высокое при передаче в обратную.

То есть при передаче тока в одну сторону он проходит без проблем, а при передаче в другую, сопротивление многократно увеличивается, не давая току пройти без сильных потерь в мощности. При этом диод довольно сильно нагревается.

Диоды бывают электровакуумные, газоразрядные и самые распространённые – полупроводниковые.

Свойства диодов, чаще всего в связках между собой, используются для преобразования переменного тока электросети в постоянный ток, для нужд полупроводниковых и других приборов.

 

Конструкция диодов.

Конструктивно, полупроводниковый диод состоит из небольшой пластинки полупроводниковых материалов (кремния или германия), одна сторона (часть пластинки) которой обладает электропроводимостью p-типа, то есть принимающей электроны (содержащей искусственно созданный недостаток электронов («дырочная»)), другая обладает электропроводимостью n-типа

, то есть отдающей электроны (содержащей избыток электронов («электронной»)).

Слой между ними называется p-n переходом. Здесь буквы p и n — первые в латинских словах negative — «отрицательный», и positive — «положительный». Сторона p-типа, у полупроводникового прибора является анодом (положительным электродом), а область n-типа — катодом (отрицательным электродом) диода.

 

Электровакуумные

(ламповые) диоды, представляют собой лампу с двумя электродами внутри, один из которых имеет нить накаливания, таким образом подогревая себя и создавая вокруг себя магнитное поле.

При разогреве, электроны отделяются от одного электрода (катода) и начинают движение к другому электроду (аноду), благодаря электрическому магнитному полю. Если направить ток в обратную сторону (изменить полярность), то электроны практически не будут двигаться

к катоду из-за отсутствия нити накаливания в аноде. Такие диоды, чаще всего применяются в выпрямителях и стабилизаторах, где присутствует высоковольтная составляющая.

Диоды на основе германия, более чувствительны на открытие при малых токах, поэтому их чаще используют в высокоточной низковольтной технике, чем кремниевые.

 

Типы диодов:

• · Смесительный диод — создан для приумножения двух высокочастотных сигналов.

• · pin диод — содержит область проводимости между легированными областями. Используется в силовой электронике или как фотодетектор.

• · Лавинный диод — применяется для защиты цепей от перенапряжения. Основан на лавинном пробое обратного участка вольт-амперной характеристики.

• · Лавинно-пролётный диод — применяется для генерации колебаний в СВЧ-технике. Основан на лавинном умножении носителей заряда.

• · Магнитодиод. Диод, характеристики сопротивления которого зависят от значения индукции магнитного поля и расположения его вектора относительно плоскости p-n-перехода.

• · Диоды Ганна. Используются для преобразования и генерации частоты в СВЧ диапазоне.

• · Диод Шоттки. Имеет малое падение напряжения при прямом включении.

• · Полупроводниковые лазеры.

Применяются в лазеростроении, по принципу работы схожи с диодами, но излучают в когерентном диапазоне.

• · Фотодиоды
  . Запертый фотодиод открывается под действием светового излучения. Применяются в датчиках света, движения и т.д.

• · Солнечный элемент (вариация солнечных батарей). При попадании света, происходит движение электронов от катода к аноду, что генерирует электрический ток.

• · Стабилитроны — используют обратную ветвь характеристики диода с обратимым пробоем для стабилизации напряжения.

• · Туннельные диоды, использующие квантовомеханические эффекты . Применяются как усилители, преобразователи, генераторы и пр.

• · Светодиоды (диоды Генри Раунда, LED). При переходе электронов, у таких диодов происходит излучение в видимом диапазоне света.

Для данных диодов используют прозрачные корпуса для возможности рассеивания света. Также производят диоды, которые могут давать излучение в ультрафиолетовом, инфракрасном и других требуемых диапазонах (в основном, литографической и космической сфере).

• · Варикапы (диод Джона Джеумма) Благодаря тому, что закрытый p—n-переход обладает немалой ёмкостью, ёмкость зависит от приложенного обратного напряжения. Применяются в качестве конденсаторов с переменной ёмкостью.

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:

Как устроены и работают полупроводниковые диоды

Диод – простейший полупроводниковый прибор. Диод представляет собой пластинку полупроводника (германий), в левой половине которого имеется акцепторная примесь, а в правой – донорная. При этом левая часть называется полупроводником типа Р, правая – типа N. Свойства полупроводникового диода, как и любого другого полупроводника, определяются границей между левой и правой частями полупроводника, т.н. Р-N переходом (рисунок 1). В отличии от тиристоров и транзисторов, диод имеет один Р-N переход. Главной отличительной особенностью диода является односторонняя проводимость электрического тока.

Рисунок 1 – Строение диода и его обозначение на электрической схеме.

Конструктивно диод представляет собой двухвыводной полупроводниковый элемент. Выводы диода обозначаются как анод и катод.

Рассмотрим физические процессы, происходящие на границе Р-N перехода в различных состояниях диода.

1. Диод в состоянии покоя (выводы диода некуда не подключены). В этом состоянии области полупроводника N и Р характеризуются наличием отрицательного и положительного заряда соответственно. Взаимодействие этих зарядов создает электрическое поле (рисунок 2).

Рисунок 2.

Как известно, разноименные заряды обладают свойством притягиваться, поэтому электроны (отрицательные носители заряда из зоны N) проникают в положительно заряженную зону Р, заполняя при этом некоторые дырки. Движение электронов – есть не что иное, как электрический ток. Величина этого тока незначительна. Однако, заряженные частицы стремятся равномерно распространиться по всему объему (проводнику), поэтому часть электронов возвращается назад в зону N.

2. Включение полупроводникового диода в обратном направлении (рисунок 3).

Рисунок 3.

При обратном включении диода (область N подключена к «+» источника питания, область Р – к «-» источника питания) ток через Р-N переход не пройдет. Это обусловлено тем, что электроны устремятся к положительному полюсу источника питания, положительные заряды (дырки) – к отрицательному полюсу источника питания. На границе Р-N перехода образуется «вакуум», в котором отсутствуют какие-либо носители заряда. Увеличение обратного напряжения источника питания приведет к еще большему увеличению зоны в области Р-N перехода без носителей заряда.

Помимо понятия «обратного напряжения» существует понятие и «обратного тока». Обратный ток – ток, протекающий через границу Р-N перехода, вызванный перемещением неосновных носителей заряда, которые двигаются, как и основные, но в обратном направлении. Величина обратного тока мала, т.к. число носителей невелико. Однако повышение температуры полупроводникового диода приводит к увеличению сила неосновных носителей заряда и увеличению обратного тока, который может привести к разрушению Р-N перехода. Для снижения температуры полупроводников применяют пассивные (радиаторы) и активные (вентиляторы) теплоотводы.

3. Включение полупроводникового диода в прямом направлении (рисунок 4).

Рисунок 4.

Прямое включение диода вызовет смещение электронов и дырок от отрицательного и положительного выводов источника к питания соответственно в сторону Р-N перехода. В результате этого смещения в области Р-N перехода образуется электрическое поле, способствующее перемещению электронов в область Р и их устремление к положительному выводу источника питания. Таким образом, через диод протекает прямой ток.

Принцип действия диода подобен механическому вентилю, поэтому диоды еще называют полупроводниковыми вентилями.

---

Всего комментариев: 0

---

Полупроводниковый диод. Принцип его работы, параметры и разновидности.

Устройство, параметры и разновидности диодов

В самом начале радиотехники первым активным элементом была электронная лампа. Но уже в двадцатые годы прошлого века появились первые приборы доступные для повторения радиолюбителями и ставшие очень популярными. Это детекторные приёмники. Более того они выпускались в промышленном масштабе, стоили недорого и обеспечивали приём двух-трёх отечественных радиостанций работавших в диапазонах средних и длинных волн.

Именно в детекторных приёмниках впервые стал использоваться простейший полупроводниковый прибор, называемый вначале детектором и лишь позже получивший современное название – диод.

Диод это прибор, состоящий всего из двух слоёв полупроводника. Это слой “p”- позитив и слой “n”- негатив. На границе двух слоёв полупроводника образуется “p-n” переход. Анодом является область “p”, а катодом зона “n”. Любой диод способен проводить ток только от анода к катоду. На принципиальных схемах он обозначается так.

Как работает полупроводниковый диод.

В полупроводнике “n” типа имеются свободные электроны, частицы со знаком минус, а в полупроводнике типа “p” наличествуют ионы с положительным зарядом, их принято называть «дырки». Подключим диод к источнику питания в обратном включении, то есть на анод подадим минус, а на катод плюс. Между зарядами разной полярности возникает притяжение и положительно заряженные ионы тянутся к минусу, а отрицательные электроны дрейфуют к плюсу источника питания. В “p-n” переходе нет носителей зарядов, и отсутствует движение электронов. Нет движения электронов – нет электрического тока. Диод закрыт.

При прямом включении диода происходит обратный процесс. В результате отталкивания однополярных зарядов все носители группируются в зоне перехода между двумя полупроводниковыми структурами. Между частицами возникает электрическое поле перехода и рекомбинация электронов и дырок. Через “p-n” переход начинает протекать электрический ток. Сам процесс носит название «электронно-дырочная проводимость». При этом диод открыт.

Возникает вполне естественный вопрос, как из одного полупроводникового материала удаётся получить структуры, обладающие различными свойствами, то есть полупроводник “n” типа и полупроводник “p” типа. Этого удаётся добиться с помощью электрохимического процесса называемого легированием, то есть внесением в полупроводник примесей других металлов, которые и обеспечивают нужный тип проводимости. В электронике используются в основном три полупроводника. Это германий (Ge), кремний (Si) и арсенид галлия (GaAs). Наибольшее распространение получил, конечно, кремний, так как запасы его в земной коре поистине огромны, поэтому стоимость полупроводниковых приборов на основе кремния весьма невысока.

При добавлении в расплав кремния ничтожно малого количества мышьяка (As) мы получаем полупроводник “n” типа, а легируя кремний редкоземельным элементом индием (In), мы получаем полупроводник “p” типа. Присадок для легирования полупроводниковых материалов достаточно много. Например, внедрение атомов золота в структуру полупроводника увеличивает быстродействие диодов, транзисторов и интегральных схем, а добавление небольшого числа различных примесей в кристалл арсенида галлия определяет цвет свечения светодиода.

Типы диодов и область их применения.

Семейство полупроводниковых диодов очень большое. Внешне они очень похожи за исключением некоторых групп, которые отличаются конструктивно и по ряду параметров. Наиболее распространены следующие модификации полупроводниковых диодов:

• Выпрямительные диоды. Предназначены для выпрямления переменного тока.

• Стабилитроны. Обеспечивают стабилизацию выходного напряжения.

• Диоды Шоттки. Предназначены для работы в импульсных преобразователях и стабилизаторах напряжения. Например, в блоках питания персональных компьютеров.

• Импульсные диоды отличаются очень высоким быстродействием и малым временем восстановления. Они применяются в импульсных блоках питания и в другой импульсной технике. К этой группе можно отнести и туннельные диоды.

• СВЧ диоды имеют определённые конструктивные особенности и работают в устройствах на высоких и сверхвысоких частотах.

• Диоды Ганна. Они предназначены для генерирования частот до десятков гигагерц.

• Лавинно-пролётные диоды генерируют частоты до 180 ГГц.

• Фотодиоды имеют миниатюрную линзу и управляются световым излучением. В зависимости от типа могут работать как в инфракрасном, так и в ультрафиолетовом диапазоне спектра.

• Светодиоды. Излучают видимый свет практически любой длины волны. Спектр применения очень широк. Рассматриваются как альтернатива электрическим лампам накаливания и других осветительных приборов.

• Твёрдотельный лазер так же представляет собой полупроводниковый диод. Спектр применения очень широк. От приборов военного назначения до обычных лазерных указок, которые легко купить в магазине. Его можно обнаружить в лазерных считывателях CD/DVD-плееров, а также лазерных уровнях (нивелирах), используемых в строительстве. Чтобы не говорили сторонники лазерной техники, как ни крути, лазер опасен для зрения. Так что, будьте внимательны при обращении с ним.

Также стоит отметить, что у каждого типа диодов есть и подгруппы. Так, например, среди выпрямительных есть и ультрабыстрые диоды. Могут называться как Ultra-Fast Rectifier, HyperFast Rectifier и т.п. Пример – ультрабыстрый диод с малым падением напряжения STTH6003TV/CW (аналог VS-60CPH03). Это узкоспециализированный диод, который применяется, например, в сварочных аппаратах инверторного типа. Диоды Шоттки являются быстродействующими, но не способны выдерживать больших обратных напряжений, поэтому вместо них применяются ультрабыстрые выпрямительные диоды, которые способны выдерживать большие обратные напряжения и огромные прямые токи. При этом их быстродействие сравнимо с быстродействием диодов Шоттки.

Параметры полупроводниковых диодов.

Параметров у полупроводниковых диодов достаточно много и они определяются функцией, которую те выполняют в конкретном устройстве. Например, в диодах, генерирующих СВЧ колебания, очень важным параметром является рабочая частота, а также та граничная частота, на которой происходит срыв генерации. А вот для выпрямительных диодов этот параметр совершенно не важен.

В импульсных и переключающих диодах важна скорость переключения и время восстановления, то есть скорость полного открытия и полного закрытия. В мощных силовых диодах важна рассеиваемая мощность. Для этого их монтируют на специальные радиаторы. А вот диоды, работающие в слаботочных устройствах, ни в каких радиаторах не нуждаются.

Но есть параметры, которые считаются важными для всех типов диодов, перечислим их:

• U пр. – допустимое напряжение на диоде при протекании через него тока в прямом направлении. Превышать это напряжение не стоит, так как это приведёт к его порче.

• U обр. – допустимое напряжение на диоде в закрытом состоянии. Его ещё называют напряжением пробоя. В закрытом состоянии, когда через p-n переход не протекает ток, на выводах образуется обратное напряжение. Если оно превысит допустимое значение, то это приведёт к физическому «пробою» p-n перехода. В результате диод превратиться в обычный проводник (сгорит).

  Очень чувствительны к превышению обратного напряжения диоды Шоттки, которые очень часто выходят из строя по этой причине. Обычные диоды, например, выпрямительные кремниевые более устойчивы к превышению обратного напряжения. При незначительном его превышении они переходят в режим обратимого пробоя. Если кристалл диода не успевает перегреться из-за чрезмерного выделения тепла, то изделие может работать ещё долгое время.

• I пр. – прямой ток диода. Это очень важный параметр, который стоит учитывать при замене диодов аналогами или при конструировании самодельных устройств. Величина прямого тока для разных модификаций может достигать величин десятков и сотен ампер. Особо мощные диоды устанавливают на радиатор для отвода тепла, который образуется из-за теплового действия тока. P-N переход в прямом включении также обладает небольшим сопротивлением. На небольших рабочих токах его действие не заметно, но вот при токах в единицы-десятки ампер кристалл диода ощутимо нагревается. Так, например, выпрямительный диодный мост в сварочном инверторном аппарате обязательно устанавливают на радиатор.

• I обр. – обратный ток диода. Обратный ток – это так называемый ток неосновных носителей. Он образуется, когда диод закрыт. Величина обратного тока очень мала и его в подавляющем числе случаев не учитывают.

• U стаб. – напряжение стабилизации (для стабилитронов). Подробнее об этом параметре читайте в статье про стабилитрон.

Кроме того следует иметь в виду, что все эти параметры в технической литературе печатаются и со значком “max”. Здесь указывается предельно допустимое значение данного параметра. Поэтому подбирая тип диода для вашей конструкции необходимо рассчитывать именно на максимально допустимые величины.

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

 

Что такое диод и как он работает? | ASUTPP

Меня несколько раз спрашивали — что такое диод?

Диод — это электронный компонент, который проводит ток в одном направлении и блокирует ток в другом направлении.

Символ диода выглядит так:

Символ диода выглядит так:

Как подключить диод?

Давайте посмотрим на пример.

В цепи выше диод подключен в правильном направлении. Это означает, что ток может течь через него, так что светодиод загорается.

Но что произойдет, если мы подключим его наоборот?

В этой второй цепи диод подключен неправильно. Это означает, что ток не будет течь в цепи, и светодиод будет выключен.

Для чего нужен диод?

Диоды очень часто используются в источниках питания. От электрической розетки в стене вы получаете переменный ток (переменный ток). Многие устройства, которые мы используем, нуждаются в постоянном токе (DC). Чтобы получить постоянный ток от переменного тока, нам нужна схема выпрямителя. Это схема, которая преобразует переменный ток (переменный ток) в постоянный ток (постоянный ток). Диоды являются основными компонентами в выпрямительных цепях.

Как работает диод?

Диод создан из PN-перехода . Вы получите PN-соединение, взяв полупроводниковый материал с отрицательным и положительным добавлением и соединив его.

На пересечении этих двух материалов появляется «область истощения». Эта область истощения действует как изолятор и отказывается пропускать ток.

Когда вы прикладываете положительное напряжение с положительной стороны к отрицательной стороне, «обедненный слой» между этими двумя материалами исчезает, и ток может течь с положительной на отрицательную сторону.

Когда вы прикладываете напряжение в другом направлении, от отрицательной к положительной стороне, область истощения расширяется и сопротивляется любому протекающему току.

Что нужно знать о диодах?

1. Вы должны приложить достаточное напряжение в «правильном» направлении — от положительного к отрицательному — чтобы диод начал проводить проводку. Обычно это напряжение составляет около 0,7 В.
2. Диод имеет ограничения и не может проводить неограниченное количество тока.
3. Диоды не являются идеальными компонентами. Если вы подадите напряжение в неправильном направлении, будет течь немного тока. Этот ток называется «током утечки».
4. Если вы подадите достаточно высокое напряжение в «неправильном» направлении, диод сломается и пропустит ток и в этом направлении.

Типы диодов

Есть много разных типов диодов . Наиболее распространенными являются сигнальные диоды, выпрямительные диоды, стабилитроны и светодиоды (светодиоды) . Сигнальные и выпрямительные диоды — это одно и то же, за исключением того, что выпрямительные диоды рассчитаны на большую мощность.

Стабилитроны — это диоды, которые используют напряжение пробоя при подаче напряжения «неправильным» образом. Они действуют как очень стабильные опорные напряжения.

Поделитесь своими комментариями или вопросами ниже!

Устройство светодиода принцип работы светодиода преимущества

Светодиод: устройство, принцип работы, преимущества

Интерес к светодиодам растет быстрее, чем территория их применения в светотехнике. Производители и потребители, продавцы и покупатели — все как будто замерли на старте, боясь отстать от других. И только дизайнеры уже вовсю пользуются уникальными возможностями светодиодов. Давно прошло то время, когда светодиоды были интересны одним лишь ученым. Теперь светодиодная тема у всех на слуху. Говорят, за ними будущее.

Светодиоды излучают не только уникальный по своим характеристикам свет, но и завидный оптимизм по поводу своего места на рынке светотехники. Особенно активно экспансия LED разворачивается в области интерьерного оформления и светодизайна.

Настоящая публикация не случайно построена в форме вопросов и ответов (FAQ, frequently asked questions — часто задаваемые вопросы). Именно так заинтересованный человек подходит к новому для него объекту, с тем чтобы «пощупать» его с разных сторон и уж потом решить: нужен — не нужен. А мне задавать правильные вопросы и находить на них верные ответы помогал профессор МГУ Александр Эммануилович Юнович, один из ведущих российских специалистов по светодиодам.

1. Что такое светодиод?

Светодиод — это полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток непосредственно в световое излучение. Кстати, по-английски светодиод называется light emitting diode, или LED.

2. Из чего состоит светодиод?

Из полупроводникового кристалла на подложке, корпуса с контактными выводами и оптической системы. Современные светодиоды мало похожи на первые корпусные светодиоды, применявшиеся для индикации.

Рис. 1. Конструкция светодиода Luxeon фирмы Lumileds lighting.

3. Как работает светодиод?

Свечение возникает при рекомбинации электронов и дырок в области p-n-перехода. Значит, прежде всего нужен p-n-переход, то есть контакт двух полупроводников с разными типами проводимости. Для этого приконтактные слои полупроводникового кристалла легируют разными примесями: по одну сторону акцепторными, по другую — донорскими.

Но не всякий p-n-переход излучает свет. Почему? Во-первых, ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона. Во-вторых, вероятность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть высокой, для чего полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения. Эти условия в той или иной степени противоречат друг другу.

Реально, чтобы соблюсти оба условия, одного р-п-перехода в кристалле оказывается недостаточно, и приходится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры, так называемые гетероструктуры, за изучение которых российский физик академик Жорес Алферов получил Нобелевскую премию 2000 года.

4. Означает ли это, что чем больший ток проходит через светодиод, тем он светит ярче?

Разумеется, да. Ведь чем больше ток, тем больше электронов и дырок поступают в зону рекомбинации в единицу времени. Но ток нельзя увеличивать до бесконечности. Из-за внутреннего сопротивления полупроводника и p-n-перехода диод перегреется и выйдет из строя.

5. Чем хорош светодиод?

В светодиоде, в отличие от лампы накаливания или люминесцентной лампы, электрический ток преобразуется непосредственно в световое излучение, и, теоретически, это можно сделать почти без потерь. Действительно, светодиод (при должном теплоотводе) мало нагревается, что делает его незаменимым для некоторых приложений. Далее, светодиод излучает в узкой части спектра, его цвет чист, что особенно ценят дизайнеры, а УФ- и ИК-излучения, как правило, отсутствуют. Светодиод механически прочен и исключительно надежен, его срок службы достигает 100 тысяч часов, что в 100 раз больше, чем у лампочки накаливания, и в 10 раз больше, чем у люминесцентной лампы. Наконец, светодиод — низковольтный электроприбор, а стало быть, безопасный.

6. Чем плох светодиод?

Только одним — ценой. Пока что цена одного люмена, излученного светодиодом, в 100 раз выше, чем галогенной лампой. Но специалисты утверждают, что в ближайшие 2-3 года этот показатель будет снижен в 10 раз.

7. Когда светодиоды начали применяться для освещения?

Первоначально светодиоды применялись исключительно для индикации. Чтобы сделать их пригодными для освещения, необходимо было прежде всего научиться изготавливать белые светодиоды, а также увеличить их яркость, а точнее светоотдачу, то есть отношение светового потока к потребляемой энергии.

В 60-х и 70-х годах были созданы светодиоды на основе фосфида и арсенида галлия, излучающие в желто-зеленой, желтой и красной областях спектра. Их применяли в световых индикаторах, табло, приборных панелях автомобилей и самолетов, рекламных экранах, различных системах визуализации информации. По светоотдаче светодиоды обогнали обычные лампы накаливания. По долговечности, надежности, безопасности они тоже их превзошли. Одно было плохо — не существовало светодиодов синего, сине-зеленого и белого цвета.

К концу 80-х годов в СССР выпускалось более 100 млн светодиодов в год, а мировое производство составляло несколько десятков миллиардов.

8. От чего зависит цвет светодиода?

Исключительно от ширины запрещенной зоны, в которой рекомбинируют электроны и дырки, то есть от материала полупроводника, и от легирующих примесей. Чем «синее» светодиод, тем выше энергия квантов, а значит, тем больше должна быть ширина запрещенной зоны.

9. Какие трудности пришлось преодолеть ученым, чтобы изготовить голубой светодиод?

Голубые светодиоды можно сделать на основе полупроводников с большой шириной запрещенной зоны — карбида кремния, соединений элементов II и IV группы или нитридов элементов III группы. (Помните таблицу Менделеева?)

У светодиодов на основе SiC оказался слишком мал КПД и низок квантовый выход излучения (то есть число излученных квантов на одну рекомбинировавшую пару). У светодиодов на основе твердых растворов селенида цинка ZnSe квантовый выход был выше, но они перегревались из-за большого сопротивления и служили недолго. Оставалась надежда на нитриды.

Нитрид галлия GaN плавится при 2000 °С, при этом равновесное давление паров азота составляет 40 атмосфер; ясно, что растить такие кристаллы непросто. Аналогичные соединения — нитрилы алюминия и индия — тоже полупроводники. Их соединения образуют тройные твердые растворы с шириной запрещенной зоны, зависящей от состава, который можно подобрать так, чтобы генерировать свет нужной длины волны, в том числе и синий. Но… проблему не удавалось решить до конца 80-х годов.

Первым, еще в 70-х, голубой светодиод на основе пленок нитрида галлия на сапфировой подложке удалось получить профессору Жаку Панкову (Якову Исаевичу Панчечникову) из фирмы IBM (США). Квантовый выход был достаточен для практических применений, однако руководство сказало: «Ну, это ж на сапфире — дорого и не так уж ярко, к тому же p-n-переход нехорош…» — и работы Панкова не поддержали.

Между тем группа Сапарина и Чукичева из МГУ обнаружила, что под действием электронного пучка GaN с примесью цинка становится ярким люминофором, и даже запатентовала устройство оптической памяти. Но тогда загадочное явление объяснить не удалось.

Это сделали японцы — профессор И. Акасаки и доктор X. Амано из университета Нагоя. Обработав пленку GaN с примесью магния электронным пучком со сканированием, они получили ярко люминесцирующий слой р-типа с высокой концентрацией дырок. Однако разработчики светодиодов не обратили должного внимания на их публикации.

Лишь в 1989 году доктор Ш. Накамура из фирмы Nichia Chemical, исследуя пленки нитридов элементов III группы, сумел воспользоваться результатами профессора Акасаки. Он так подобрал легирование (Мд, Zn) и термообработку, заменив ею электронное сканирование, что смог получить эффективно инжектирующие слои р-типа в GaN-гетероструктурах. Вот как был получен голубой светодиод.

Фирма Nichia запатентовала ключевые этапы технологии и к концу 1997 года выпускала уже 10-20 млн голубых и зеленых светодиодов в месяц, а в январе 1998 года приступила к выпуску белых светодиодов.

10. Что такое квантовый выход светодиода?

Квантовый выход — это число излученных квантов света на одну рекомбинировавшую электроннодырочную пару. Различают внутренний и внешний квантовый выход. Внутренний — в самом p-n-переходе, внешний — для прибора в целом (ведь свет может теряться «по дороге» — поглощаться, рассеиваться). Внутренний квантовый выход для хороших кристаллов с хорошим теплоотводом достигает почти 100%, рекорд внешнего квантового выхода для красных светодиодов составляет 55%, а для синих — 35%.

Внешний квантовый выход — одна из основных характеристик эффективности светодиода.

11. Как получить белый свет с использованием светодиодов?

Существует три способа получения белого света от светодиодов. Первый — смешивание цветов по технологии RGB. На одной матрице плотно размещаются красные, голубые и зеленые светодиоды, излучение которых смешивается при помощи оптической системы, например линзы. В результате получается белый свет. Второй способ заключается в том, что на поверхность светодиода, излучающего в ультрафиолетовом диапазоне (есть и такие), наносится три люминофора, излучающих, соответственно, голубой, зеленый и красный свет. Это похоже на то, как светит люминесцентная лампа. И, наконец, в третьем способе желто-зеленый или зеленый плюс красный люминофор наносятся на голубой светодиод, так что два или три излучения смешиваются, образуя белый или близкий к белому свет.

12. Какой из трех способов лучше?

У каждого способа есть свои достоинства и недостатки. Технология RGB в принципе позволяет не только получить белый цвет, но и перемещаться по цветовой диаграмме при изменении тока через разные светодиоды. Этим процессом можно управлять вручную или посредством программы, можно также получать различные цветовые температуры. Поэтому RGB-матрицы широко используются в светодинамических системах. Кроме того, большое количество светодиодов в матрице обеспечивает высокий суммарный световой поток и большую осевую силу света. Но световое пятно из-за аберраций оптической системы имеет неодинаковый цвет в центре и по краям, а главное, из-за неравномерного отвода тепла с краев матрицы и из ее середины светодиоды нагреваются по-разному, и, соответственно, по-разному изменяется их цвет в процессе старения — суммарные цветовая температура и цвет «плывут» за время эксплуатации. Это неприятное явление достаточно сложно и дорого скомпенсировать.

Белые светодиоды с люминофорами существенно дешевле, чем светодиодные RGB-матрицы (в пересчете на единицу светового потока), и позволяют получить хороший белый цвет. И для них в принципе не проблема попасть в точку с координатами (0.33, 0.33) на цветовой диаграмме МКО. Недостатки же таковы: во-первых, у них меньше, чем у RGB-матриц, светоотдача из-за преобразования света в слое люминофора; во-вторых, достаточно трудно точно проконтролировать равномерность нанесения люминофора в технологическом процессе и, следовательно, цветовую температуру; и наконец в-третьих — люминофор тоже стареет, причем быстрее, чем сам светодиод. Промышленность выпускает как светодиоды с люминофором, так и RGB-матрицы — у них разные области применения.

13. Каковы электрические и оптические характеристики светодиодов?

Светодиод — низковольтный прибор. Обычный светодиод, применяемый для индикации, потребляет от 2 до 4 В постоянного напряжения при токе до 50 мА. Светодиод, который используется для освещения, потребляет такое же напряжение, но ток выше — от нескольких сотен мА до 1А в проекте. В светодиодном модуле отдельные светодиоды могут быть включены последовательно, и суммарное напряжение оказывается более высоким (обычно 12 или 24 В).

При подключении светодиода необходимо соблюдать полярность, иначе прибор может выйти из строя. Напряжение пробоя указывается изготовителем и обычно составляет более 5В для одного светодиода. Яркость светодиода характеризуется световым потоком и осевой силой света, а также диаграммой направленности. Существующие светодиоды разных конструкций излучают в телесном угле от 4 до 140 градусов. Цвет, как обычно, определяется координатами цветности и цветовой температурой, а также длиной волны излучения.

Для сравнения эффективности светодиодов между собой и с другими источниками света используется светоотдача: величина светового потока на один ватт электрической мощности. Также интересной маркетинговой характеристикой оказывается цена одного люмена.

14. Как реагирует светодиод на повышение температуры?

Говоря о температуре светодиода, необходимо различать температуру на поверхности кристалла и в области p-n-перехода. От первой зависит срок службы, от второй — световой выход. В целом с повышением температуры p-n-перехода яркость светодиода падает, потому что уменьшается внутренний квантовый выход из-за влияния колебаний кристаллической решетки. Поэтому так важен хороший теплоотвод.

Падение яркости с повышением температуры не одинаково у светодиодов разных цветов. Оно больше у AlGalnP- и AeGaAs-светодиодов, то есть у красных и желтых, и меньше у InGaN, то есть у зеленых, синих и белых.

15. Почему нужно стабилизировать ток через светодиод?

Как видно из рисунка 2, в рабочих режимах ток экспоненциально зависит от напряжения и незначительные изменения напряжения приводят к большим изменениям тока. Поскольку световой выход прямо пропорционален току, то и яркость светодиода оказывается нестабильной. Поэтому ток необходимо стабилизировать. Кроме того, если ток превысит допустимый предел, то перегрев светодиода может привести к его ускоренному старению.

Рис. 2. Зависимость силы тока от напряжения питания светодиода.

16. Для чего светодиоду требуется конвертор?

Конвертор (в англоязычной терминологии driver) для светодиода — то же, что балласт для лампы. Он стабилизирует ток, протекающий через светодиод.

17. Можно ли регулировать яркость светодиода?

Яркость светодиодов очень хорошо поддается регулированию, но не за счет снижения напряжения питания — этого-то как раз делать нельзя, — а так называемым методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), для чего необходим специальный управляющий блок (реально он может быть совмещен с блоком питания и конвертором, а также с контроллером управления цветом RGB-матрицы). Метод ШИМ заключается в том, что на светодиод подается не постоянный, а импульсно-модулированный ток, причем частота сигнала должна составлять сотни или тысячи герц, а ширина импульсов и пауз между ними может изменяться. Средняя яркость светодиода становится управляемой, в то же время светодиод не гаснет. Небольшое изменение цветовой температуры светодиода при диммировании несравнимо с аналогичным смещением для ламп накаливания.

18. Чем определяется срок службы светодиода?

Считается, что светодиоды исключительно долговечны. Но это не совсем так. Чем больший ток пропускается через светодиод в процессе его службы, тем выше его температура и тем быстрее наступает старение. Поэтому срок службы у мощных светодиодов короче, чем у маломощных сигнальных, и составляет в настоящее время 20-50 тысяч часов. Старение выражается в первую очередь в уменьшении яркости. Когда яркость снижается на 30% или наполовину, светодиод надо менять.

19. «Портится» ли цвет светодиода с течением времени?

Старение светодиода связано не только со снижением его яркости, но и с изменением цвета. В настоящее время нет стандартов, которые позволили бы выразить количественно изменение цвета светодиодов в процессе старения и сравнить с другими источниками.

20. Не вреден ли светодиод для человеческого глаза?

Спектр излучения светодиода близок к монохроматическому, в чем его кардинальное отличие от спектра солнца или лампы накаливания. Хорошо это или плохо — доподлинно не известно, потому что, насколько я знаю, серьезных исследований в этой области нигде не проводилось. Какие-либо данные о вредном воздействии светодиодов на человеческий глаз отсутствуют.

Есть надежда, что вскоре влияние светодиодов на зрение будет изучено досконально. Проблемой заинтересовался академик Михаил Аркадьевич Островский — крупный специалист в области цветного зрения. Тема, за решение которой он взялся, называется так: «Психофизическое восприятие светодиодного освещения системой зрения человека».

21. Когда и как сверхъяркие светодиоды появились в России?

Об этом лучше всех расскажет профессор Юнович.

Люминесценцию карбида кремния впервые наблюдал Олег Владимирович Лосев в Нижегородской радиотехнической лаборатории в 1923 г. и показал, что она возникает вблизи p-n-перехода. Первая научная статья о кристаллах нитрида галлия была опубликована профессором МГУ Г.С. Ждановым в 30-х гг. Люминесценцию в гетероструктурах на основе арсенида галлия впервые исследовали в лаборатории Ж.И. Алферова в 60-х гг. и показали, что можно создать структуры с внутренним квантовым выходом близким к 100%. Разработки структур и светодиодов на основе нитрида галлия велись в ленинградских Политехническом и Электротехническом институтах, в Калуге, в Зеленограде в 70-х гг., но они тогда не привели к созданию эффективных голубых светодиодов.

В 1995 году я прочел первые статьи Накамуры и понял, что «голубая проблема» в принципе решена. Тогда же я получил грант соросовского фонда. В декабре на эти деньги я смог поехать на конференцию в США, и там профессор Жак Панков познакомил меня с Ш. Накамурой. Я забросил наживку: мол, хочу приобщить студентов Московского университета к передовым достижениям в области голубых светодиодов и рассказать им о столь замечательном изобретении. Рыбка клюнула, и в феврале я получил от д-ра Ш. Накамуры из Японии бандеролью 10 светодиодов от фиолетового до зеленого. Все потом оказалось просто — фирма Nichia Chemical начинала выпуск светодиодов на рынок и была заинтересована в научной рекламе. В лаборатории МГУ мы их досконально исследовали, сняли все характеристики и получили новые научные результаты. Д-р Ш. Накамура дал любезное согласие на совместную публикацию наших первых статей.

Одновременно специалисты из группы Бориса Ферапонтовича Тринчука в Зеленограде продемонстрировали образцы зеленых светодиодов начальникам из ГАИ и получили положительный отзыв. Все дело в том, что эта группа сделала опытный образец светодиодного светофора, но у них не было хороших зеленых светодиодов. Светофоры с новыми сверхъяркими зелеными светодиодами намного превосходили светофоры с лампами, и московское правительство сделало заказ на 1000 светодиодных светофоров к 850-летию Москвы. Такое везение!

Как раз тогда у нас гостила киргизская скрипачка Райкан Карагулова — выпускница Московской консерватории, ученица моей жены, которая работала в Японии первым концертмейстером симфонического оркестра в Осаке. Выяснилось, что место ее работы находится неподалеку от фирмы Nichia Chemical! Б.Ф. Тринчук дал ей тысячу долларов и попросил купить на них и прислать на мой адрес 200 зеленых светодиодов. Из них были изготовлены первые светофоры из той юбилейной тысячи. Москва стала первым в мире городом с массовым применением светодиодных светофоров.

Наши ученые и инженеры в НИИ «Сапфир» пытались повторить достижение японцев и изготовить структуры на основе нитридов для голубых и зеленых светодиодов на старой эпитаксиальной установке, которую пришлось модернизировать, чтобы достичь более высоких температур и давлений. Но инициатива заглохла из-за отсутствия денег и интереса руководства.

22. Какие на сегодняшний день существуют технологии изготовления светодиодов и светодиодных модулей?

Что касается выращивания кристаллов, то основная технология — металлоорганическая эпитаксия. Для этого процесса необходимы особо чистые газы. В современных установках предусмотрены автоматизация и контроль состава газов, их раздельные потоки, точная регулировка температуры газов и подложек. Толщины выращиваемых слоев измеряются и контролируются в пределах от десятков ангстрем до нескольких микрон. Разные слои необходимо легировать примесями, донорами или акцепторами, чтобы создать p-n-переход с большой концентрацией электронов в n-области и дырок — в р-области.

Рис. 3. Схематическое представления светодиода.

За один процесс, который длится несколько часов, можно вырастить структуры на 6-12 подложках диаметром 50-75 мм. Очень важно обеспечить и проконтролировать однородность структур на поверхности подложек. Стоимость установок для эпитаксиального роста полупроводниковых нитридов, разработанных в Европе (фирмы Aixtron и Thomas Swan) и США (Emcore), достигает 1,5-2 млн долларов. Опыт разных фирм показал, что научиться получать на такой установке конкурентоспособные структуры с необходимыми параметрами можно за время от одного года до трех лет. Это технология, требующая высокой культуры.

Важным этапом технологии является планарная обработка пленок: их травление, создание контактов к n- и р-слоям, покрытие металлическими пленками для контактных выводов. Пленку, выращенную на одной подложке, можно разрезать на несколько тысяч чипов размерами от 0,24 x 0,24 до 1 x 1 мм2/.

Следующим шагом является создание светодиодов из этих чипов. Необходимо смонтировать кристалл в корпусе, сделать контактные выводы, изготовить оптические покрытия, просветляющие поверхность для вывода излучения или отражающие его. Если это белый светодиод, то нужно равномерно нанести люминофор. Надо обеспечить теплоотвод от кристалла и корпуса, сделать пластиковый купол, фокусирующий излучение в нужный телесный угол. Около половины стоимости светодиода определяется этими этапами высокой технологии.

Необходимость повышения мощности для увеличения светового потока привела к тому, что традиционная форма корпусного светодиода перестала удовлетворять производителей из-за недостаточного теплоотвода. Надо было максимально приблизить чип к теплопроводящей поверхности. В связи с этим на смену традиционной технологии и несколько более совершенной SMD-технологии (surface montage details — поверхностный монтаж деталей) приходит наиболее передовая технология СОВ (chip on board). Светодиод, изготовленный по технологии СОВ, схематически изображен на рисунке.

Светодиоды, выполненные по SMD- и СОВ-технологии, монтируются (приклеиваются) непосредственно на общую подложку, которая может исполнять роль радиатора — в этом случае она делается из металла. Так создаются светодиодные модули, которые могут иметь линейную, прямоугольную или круглую форму, быть жесткими или гибкими, короче, призваны удовлетворить любую прихоть дизайнера. Появляются и светодиодные лампы с таким же цоколем, как у низковольтных галогенных, призванные им на замену. А для мощных светильников и прожекторов изготавливаются светодиодные сборки на круглом массивном радиаторе.

Раньше в светодиодных сборках было очень много светодиодов. Сейчас, по мере увеличения мощности, светодиодов становится меньше, зато оптическая система, направляющая световой поток в нужный телесный угол, играет все большую роль.

23. Кто в мире сегодня производит светодиоды?

Чтобы делать качественные светодиоды в нужном количестве, понадобилось слияние двух отраслей — электронной и светотехнической. Все западные гиганты, производящие светодиоды для светотехники по полному циклу, начиная с производства чипов и заканчивая различными светодиодными модулями и сборками, а также светильниками на их основе, идут по этому пути. General Electric заключила союз с производителем полупроводниковых приборов Emcore, создав компанию GEL Core. Philips Lighting совместно с Agilent, дочерней компанией Hewlett-Packard, создали предприятие LumiLeds. Osram объединяет усилия с полупроводниковыми предприятиями своей материнской компании Siemens. Как заметил Макаранд Чипалкатти, менеджер по маркетингу из подразделения Opto Semiconductors компании Osram Sylvania, специализирующемуся на устройствах LED, производители светотехники сами уничтожают свой бизнес. Но если сегодня не «наступить на горло собственной песне», то завтра придут другие и сделают это куда более жестко.

Впрочем, существуют компании, специализирующиеся только на производстве чипов. Это предприятия радиоэлектронной промышленности, и они не занимаются светотехникой. К их числу относится Nichia Corporation.

24. Каковы основные производители светодиодных модулей и сборок и представленные ими модельные ряды?

Чипы и отдельные светодиоды производят компании Nichia Corporation, Сгее, LumiLeds Lighting, Opto Technology, Osram Opto Semiconductors, GEL Core. Массовое производство структур и чипов для светодиодов ведут тайваньские фирмы Lite-On, Taiwan Oasis и др.

В России светодиоды производят компании Корвет Лайт, Светлана Оптоэлектроника, Оптэл, Оптоника. По конструкции и технологическому исполнению наши светодиоды не уступают зарубежным, специалисты перечисленных компаний имеют соответствующие патенты. В Москве и Санкт-Петербурге есть возможность выращивать собственные чипы — например, эпитаксиальная установка имеется в Санкт-Петербургском физтехе, — но для промышленного производства необходимо крупное финансирование, и пока наши компании используют зарубежные чипы.

25. Где сегодня целесообразно применять светодиоды?

Светодиоды находят применение практически во всех областях светотехники, за исключением освещения производственных площадей, да и там могут использоваться в аварийном освещении. Светодиоды оказываются незаменимы в дизайнерском освещении благодаря их чистому цвету, а также в светодинамических системах. Выгодно же их применять там, где дорого обходится частое обслуживание, где необходимо жестко экономить электроэнергию, и где высоки требования по электробезопасности.

26. Возможности и применение

Изобретение первых светодиодов — полупроводниковых диодов в эпоксидной оболочке, выделяющих монохроматический свет при подключении к электротоку — относится к 1960-м годам. Однако до 1980-х низкая яркость, отсутствие светодиодов синего и белого цветов, а также высокие затраты на их производство ограничивали их массовое применение в качестве источников света. Поэтому светодиоды в основном использовали в наружных электронных табло, ими оборудовали системы регулирования дорожного движения, применяли в оптоволоконных системах передачи данных и медицинском оборудовании.

Появление сверх ярких, а также синих (в середине 1990-х годов) и белых диодов (в начале XXI века) и постоянное снижение их рыночной стоимости привлекли внимание многих производителей к данным источникам света. Светодиоды стали использовать в качестве индикаторов режимов работы электронных устройств, в подсветке жидкокристаллических экранов различных приборов, в том числе — мобильных телефонов и пр. Впоследствии применение светодиодов основных цветов (красного, синего и зеленого) позволило получать цвета вывесок фактически любых оттенков, а также конструировать из них дисплеи с выводом полноцветной графики и анимации.

Светодиоды, за счет их малой потребности в электроэнергии, — оптимальный выбор декоративного освещения в местах, где существуют проблемы с энергетикой.

Срок службы светодиодов, превышающий в 6-8 раз долговечность люминесцентных ламп, относительная простота в работе с ними на этапе сборки изделий, отсутствие необходимости в регулярном обслуживании и их антивандальные качества делают эти источники света конкурентоспособными с более традиционными газоразрядными, люминесцентными лампами и лампами накаливания. Одним из немногих и существенных аспектов, за счет которого неон удерживает свои позиции в сегменте подсветки вывесок, является пока еще более высокая стоимость светодиодов.

27. Преимущества

Экономично…

Одним из достоинств светодиодов является их долговечность. Данные источники света обладают ресурсом использования 100 000 часов, а ведь это 10-12 лет непрерывной работы. Для сравнения — максимальный срок работы неоновых и люминесцентных ламп составляет 10 тыс. часов.

За это же время в световом модуле, использующем люминесцентные лампы, их нужно будет сменить 8-10 раз, а лампы накаливания придется заново «вкручивать» от 30 до 40 раз. Использование светодиодных модулей позволяет снизить затраты на электроэнергию до 87%!

Удобно…

Светодиодный модуль — многокомпонентная структура с неприхотливой схемой подключения. В цепочке, скажем, из полусотни светодиодов один-два неисправных не только не выводят рекламный фрагмент из строя, но даже не влияют на суммарное световое излучение. Гигантский ресурс работы светодиодов практически решает проблемы, связанные с необходимостью их замены. Кроме того, светоизлучающие диоды способны надежно функционировать в самом широком диапазоне рабочих температур.

Надежно…

Есть надежность совершенно особого рода — та, от которой порою зависят человеческие жизни. Применение светодиодов в устройствах отображения информации (дорожные знаки, светофоры, информационные табло и т.д.) ведет к значительному увеличению расстояния их восприятия человеческим глазом. Неслучайно во многих крупных городах развитых стран уже нет обычных светофоров, а светодиодные схемы используются в воздушных и надводных навигационных системах.

Другим аспектом, благодаря которому светодиодам некоторыми заказчиками отдается предпочтение, являются их прочность и антивандальные качества. В отличие от стеклянных трубок данные источники света изготовлены из пластика. За счет этого их нелегко вывести из строя посредством механических повреждений. Характерное напряжение, необходимое для работы одного светодиода, — 3-4 вольта. Поэтому в условиях, когда требуется соблюдение повышенных мер безопасности или нет возможности использовать высокие напряжения, светодиоды являются оптимальным выбором. Рабочее напряжение светодиодных модулей, как упоминалось ранее, составляет 10-12 В. Очевидно, что при низком напряжении не требуется применять провода большого сечения с сильной изоляцией. Это также облегчает подключение светодиодов к электросети. У газоразрядных трубок, в отличие от светодиодов, есть порог срабатывания: чтобы источник света загорелся, в начале необходимо подать на разряд необходимое напряжение. Светодиоды же начинают излучать свет сразу при подключении к электросети, и их яркость легко регулировать наращиванием или снижением напряжения практически сразу после включения. Одним из важных преимуществ светодиодов является устойчивость к воздействию низких температур. Известно, что на морозе внутри газоразрядных источников света происходит вымерзание ртути, и это приводит к снижению яркости свечения. При отрицательных температурах также возникают проблемы с включением неона. Светодиоды лишены этих минусов.

Красиво…

Если бы LED-технологии не изобрели светотехники, их бы создали дизайнеры. Светодиоды, в отличие от ламп с неоном, имеют практически неограниченные возможности для «игры» со спектрами, цепочки которых можно выстроить таким образом, чтобы световые акценты точно работали на образ. Плавные, почти незаметные для глаза световые переходы от пика к пику в плане выразительности, конечно, уступают живописи, но оставляют далеко позади другие источники света. Изощренная цветодинамика, характерная для светодиодных модулей, способна удовлетворить требования самого требовательного дизайнера. Интересно, что игра со спектрами имеет и экологическое значение. Ведь кривые чувствительности, скажем, растений и человеческого глаза не совпадают: те спектры, которые комфортны для нашего глаза, часто дискомфортны для растений, и наоборот. Зональное использование различных светодиодных «цепочек» в тех интерьерах, где одновременно пребывают и растения, и человек, снимают эту проблему.

Представительно…

Светодиодные модули необычайно компактны. Различные сувениры, миниатюрные стенды и компактные табло, украшенные светодиодной символикой компании, смотрятся на удивление выразительно и необычно. Доля рынка светотехнических изделий, занимаемая светодиодами, составляет ничтожную долю. В развитых странах, особенно в крупных городах и столицах, она медленно, но верно возрастает. Своеобразным символом этой нежной и неизбежной революции стало гигантское 500-метровое полотно из светодиодов, непрерывно протянувшееся над главной улицей Лас-Вегаса.

Что такое диод: назначение, устройство, принцип работы

В электротехнике используется много радиодеталей, и все они имеют свои особенности, но семейство диодов имеет свои удивительные свойства.

Манипулируя соотношениями примесей или конструктивными особенностями, получают новые возможности этого прибора, используемые совершенно для других целей. Зная, что такое диод, его устройство и принцип работы диода можно научиться использовать его для самых неожиданных решений.

Приглашаем познакомиться с этим многоцелевым и разнообразным радиоэлементом. А начнем с назначения диода.

Назначение диода

Область применения диодов все больше и больше расширяется. Это достигается благодаря тому, что работа над их преобразованием не утихает, а только увеличивается. Рассмотрим, где их можно встретить:

• выпрямление;
• детектирование;
• защита;
• стабилизация;
• переключение;
• излучение.

На заре своего образования диоды назывались выпрямителями. Они способны пропускать ток в одном направлении и задерживать его в противоположном. Благодаря чему переменный ток становился однонаправленным, пульсирующим. То есть напряжение носило волновой характер.

Причем выпрямление могло быть как на одном диоде, тогда на выходе была только положительная полуволна, так и на четырех, в этом случае на выходе оставались и положительная, и отрицательная полуволны.

Другой способ применения – детектирование. Радио и телевизионные сигналы передаются на несущих частотах. В передающих устройствах с помощью модулятора происходит наложение полезного сигнала на несущую частоту.

Чтобы извлечь полезную информацию, чаще всего применяют диод с конденсатором. В этом случае диод работает как однопериодный выпрямитель, а конденсатор фильтрует ненужные частоты.

Диод используется для защиты, например, в коммутируемой цепи с индукционной нагрузкой. Если катушку, по которой проходит ток отключить, то электроны под действием электромагнитного поля продолжат двигаться, создавая для ключа опасное высокое напряжение.

В качестве ключа может быть использован транзистор, который может выйти из строя. Чтобы снять накопленный заряд, параллельно катушке подключают диод, но включают его в обратном направлении относительно движения тока. При отключении выключателя диод возвращает ток на начало катушки, тем самым защищая ключ.

Несколько измененные диоды способны работать в обратном направлении, пропуская через себя ток, когда напряжение превышает допустимое значение. Такие приборы называются стабилитронами, и о них будет сказано ниже.

Для переключения частот часто требуются переменные конденсаторы. Варикап, еще одна разновидность диода, способен менять свою емкость под действием меняющегося обратного напряжения.

Наконец, светодиоды и фотодиоды. Светодиоды способны излучать потоки лучистой энергии, фотодиоды, напротив, преобразуют солнечный свет в электрический ток. Фотодиоды по своему назначению также разнообразны и имеют различное применение.

Из чего состоит диод

Лучше всего понять, что такое диод поможет его строение. Выделим три основные группы:

• вакуумные;
• газонаполненные;
• полупроводниковые.

Как у любого другого радиоэлемента у диода есть выводы. Если перевести слово диод с древнегреческого, то получится два электрода. Они носят название:

В обычном состоянии на анод подается положительное напряжение, на катод отрицательное. В этом случае диод открыт и через него протекает ток.

На оба вывода могут подаваться положительные потенциалы, но на аноде этот потенциал должен превышать катодный.

В вакуумных диодах применяются стеклянные или металлические баллоны, из которых выкачан воздух. Катод может быть:

• прямого накала;
• косвенного накала.

Катод прямого накала представляет собой спиральную нить, по которой проходит ток, разогревая его. При этом высвобождаются электроны, которые устремляются к аноду, если он имеет положительный потенциал относительно катода.

Если на аноде напряжение ниже катодного, то электроны возвращаются назад. Таким образом, происходит выпрямление переменного тока. В лампах с косвенным подогревом катод представляет собой короб или цилиндр, внутри него находится нить накала, разогревающая его.

В отличие от вакуумных диодов в газонаполненных имеется ионизированный газ. Он становится проводником между анодом и катодом. Для включения диода используют сетки или поджигающий электрод.

Вакуумные и газонаполненные диоды способны пропускать большой ток и работать с повышенным напряжением. Однако они потребляют много энергии для своей работы, поэтому на смену им пришли полупроводники.

По проводимости электрического тока различают:

• проводники;
• полупроводники;
• диэлектрики.

Полупроводники занимают промежуточное значение между проводниками и диэлектриками. В обычном состоянии они не проводят ток, но при определенных условиях у них появляется проводимость. Достигается это, например, добавлением примесей. Различают два вида проводимости:

• с помощью электронов, n-тип;
• с помощью дырок, p-тип.

Материал, основным носителем которого служат положительно заряженные атомы. Для этого добавляют акцепторные примеси, при этом получается материал с недостающим количеством электронов. Для n-типа добавляют донорные примеси, материал обладает избытком электронов.

Соединяя эти два типа получают прибор, способный пропускать ток только в одном направлении.

Как определить анод и катод диода

Диоды бывают разного размера, и маркировка может несколько отличаться. Например, на диодах советского образца на корпусе, который был достаточно большим, непосредственно наносился знак диода, указывающий направление движения.

Корпус, расположенный возле катода, может иметь большое расширение в виде кольца. На некоторых видах устанавливают знаки + и – или делают отметку в виде нарисованного кольца либо точки.

В случае сомнения можно проверить диод с помощью мультиметра, поставив прибор в режим измерения сопротивления или проверки диода, если есть такой режим.

Если сопротивление маленькое, значит, щуп с положительным напряжением подключен к аноду, а минусовой к катоду. Большое сопротивление говорит, что щупы подключены в обратном порядке.

Принцип работы диода

Осталось посмотреть, как работает диод. Когда происходит соединение двух полупроводников разной проводимостью, между ними появляется пограничная полоса с нейтральным зарядом, поскольку часть электронов занимает часть дырок.

При прямом включении положительное напряжение подается на дырочную область, а отрицательное на электронную. В этом случае электроны под действием напряжения перескакивают нейтральную зону и, проходя через дырочную область, устремляются к положительному полюсу источника питания.

Если поменять напряжение, электроны уходят к положительному полюсу, увеличивая нейтральную зону. В этом случае диод закрывается.

Диод в цепи постоянного тока

В схеме с постоянным током диод работает как ключ: открывается, когда прямое напряжение превышает пороговое значение и закрывается, когда это напряжение становится меньше.

Выше было рассмотрена работа диода с катушкой индуктивности. Когда по катушке идет ток, то параллельно подключенный диод находится в закрытом состоянии, так как на аноде и катоде напряжение почти равно.

Когда цепь размыкается, по катушке продолжает идти ток и накапливается. Напряжение на аноде повышается, диод открывается и пропускает лишний заряд через себя. После падения напряжения он закрывается.

Обозначение диода на схемах

Для пояснения работы радиоэлектронного устройства используют электрические принципиальные схемы. Найти диод на схеме не составит труда, потому что обозначение диода осуществляется с помощью треугольника с вертикальным отрезком на его вершине.

Рядом ставится порядковый номер и буквы VD.

Диод в цепи переменного тока

Если диод работает как выпрямитель переменного тока, тогда во время повышения напряжения положительной полуволны диод открывается, а когда напряжение падает ниже порогового значения, он закрывается. Во время отрицательной полуволны включается в работу параллельно подключенный диод, но обращенный в обратном направлении.

Два других подключены таким же образом к нулевому проводу. При каждой полуволне участвуют в работе два диода, один связан с фазным проводом, другой с нулевым. Снимаемое с них положительное и отрицательное напряжение подается в постоянную цепь.

Характеристики диода

Полупроводники очень чувствительны к перегреву, поэтому режим их работы строго оговаривается. Учитываются следующие параметры:
рабочее, максимальное и импульсное обратное напряжение;

1. прямое напряжение;
2. обратный ток;
3. прямой постоянный, импульсный и ток перегрузки;
4. рабочая и максимальная частота;
5. максимальная температура корпуса и перехода.

Допускается максимальное значение только по одному из указанных параметров. После импульса должно пройти оговоренное время, чтобы прибор успел остыть.

Виды диодов

Кроме описанных диодов, используются диоды, у которых характеристики изменены за счет примесей и конструкторских доработок. Остановимся на двух из них: стабилитроне и светодиоде.

Стабилитроны

Работа стабилитрона отличается от работы диода. Подключается он в обратном направлении, то есть на анод подают отрицательное напряжение, а на катод положительное. При таком подключении он работает в пробивном режиме.

Стабилитроны рассчитаны на определенное рабочее обратное напряжение, при достижении которого происходит обратимый пробой. Используются для поддержания определенного напряжения на контролируемом участке цепи. Чтобы ток не превышал рабочее значение, в цепь стабилитрона ставят ограничивающий резистор.

Светодиоды

У полупроводниковых приборов p-n-переход из-за внутреннего сопротивления постоянно греется. Это происходит главным образом во время захвата дырками электронов. Высвобождается энергия, нагревающая переход.

В 60-х годах прошлого столетия был создан светодиод, в котором часть высвобождаемой энергии была лучистой с красным и желто-зеленым свечением. Правда, процентное соотношение было маленьким, всего 0,1% от всей высвобождаемой энергии. Но это было только началом.

В 70-х годах упорные разработки привели к хорошим показателям. Сначала это был 15% выход, затем дошло до 55%. Такой показатель уже превышал к. п. д. ламп накаливания. Испускаемый свет имеет очень узкий спектр, что позволяет получать очень качественное цветное свечение.

Оно намного превосходит свет ламп накаливания, пропущенных через светофильтр. Мощность светового потока также была поднята, это дало возможность использовать светодиоды в качестве освещения.

Тиристоры

Тиристоры – это общее название для мощных диодов, работающих в режиме ключа. Подразделяются на три вида:

1. тринистор;
2. динистор;
3. симистор.

Тринистор имеет три вывода: анод, катод и управляющий электрод. При подаче небольшого управляющего напряжения на управляющий электрод тринистор открывается. Динистор открывается при достижении заданного напряжения на его двух выводах. Симистор – это два динистора, включенных навстречу друг другу. То есть он работает, в отличие от динистора, в двух направлениях.

Исследуя, что такое диод, можно открыть для себя еще много удивительных знаний. Здесь были рассмотрены лишь поверхностные познания, но они уже могут дать понять, что такие элементы радиотехники очень полезны и разнообразны в своем применении.

Похожие материалы на сайте:

Понравилась статья — поделись с друзьями!

 

Что такое диод? | Fluke

Диод — это полупроводниковое устройство, которое, по сути, действует как односторонний переключатель тока. Это позволяет току легко течь в одном направлении, но сильно ограничивает протекание тока в противоположном направлении.

Диоды также известны как выпрямители , потому что они преобразуют переменный ток (ac) в пульсирующий постоянный ток (dc). Диоды классифицируются в соответствии с их типом, напряжением и допустимым током.

Диоды имеют полярность, определяемую анодом (положительный вывод) и катодом (отрицательный вывод).Большинство диодов пропускают ток только тогда, когда на анод подается положительное напряжение. На этом рисунке показаны различные конфигурации диодов:

Диоды доступны в различных конфигурациях. Слева: металлический корпус, крепление на шпильке, пластиковый корпус с лентой, пластиковый корпус с фаской, стеклянный корпус.

Когда диод пропускает ток, он смещен в прямом направлении . Когда диод имеет обратное смещение , он действует как изолятор и не пропускает ток.

Странно, но факт: стрелка символа диода указывает против направления потока электронов.Причина: инженеры придумали символ, а их схемы показывают ток, текущий от положительной (+) стороны источника напряжения к отрицательной (-). То же самое соглашение используется для символов полупроводников, которые включают стрелки — стрелка указывает в разрешенном направлении «обычного» потока и против разрешенного направления потока электронов.

Контрольный диод диода цифрового мультиметра создает небольшое напряжение между контрольными выводами, достаточное для прямого смещения диодного перехода. Нормальное падение напряжения равно 0.От 5 В до 0,8 В. Смещенное в прямом направлении сопротивление хорошего диода должно находиться в диапазоне от 1000 Ом до 10 Ом. При обратном смещении на дисплее цифрового мультиметра будет отображаться OL (что указывает на очень высокое сопротивление).

Диодам присваиваются номинальные значения тока. Если номинальное значение превышено и диод выходит из строя, он может закоротить и либо а) позволить току течь в обоих направлениях, или б) остановить ток в любом направлении.

Ссылка: Digital Multimeter Principles by Glen A.Мазур, американское техническое издательство.

Диоды 101: что они делают и как работают?

Диоды — важные средства защиты чувствительных компонентов в случае неожиданных скачков напряжения, но как они работают? Как использовать диоды? А чьим диодам можно доверять?

Что такое диод?

На самом базовом уровне диод — это компонент, который создает улицу с односторонним движением для электрических токов, протекающих по цепи.Направляя и блокируя эти токи, диоды предотвращают скачки напряжения и другие незапланированные эффекты от повреждения чувствительных компонентов. Они также играют важную роль в обработке сигналов, особенно в радиочастотных приложениях.

Первые диоды были изобретены в начале 20 века компаниями беспроводного телеграфа. С тех пор диоды стали важными компонентами ранней радиотехнологии — хотите верьте, хотите нет, но сегодняшние цифровые устройства были бы невозможны без этих небольших (но мощных) компонентов.

Что делает диод?

Диоды — бесценный актив в современной технологии, потому что они пропускают ток только в одном направлении. Когда ток течет вперед от анода диода к его катоду, диод действует как оголенный провод и пропускает ток. Когда тот же самый ток течет в противоположном направлении, диод становится мощным резистором и блокирует проход.

Таким образом, защита электроники — одно из наиболее распространенных применений диодов.

Электромагнитные компоненты, такие как двигатели и реле, при выключении высвобождают накопленные заряды, отправляя токи обратно по цепи, где они могут повредить чувствительные части. Диод, установленный между двигателями и реле, будет направлять этот ток от остальной цепи.

Обработка радиосигналов (из-за чего были изобретены диоды) до сих пор широко используются в диодах. Выходя за рамки старых AM-радиоприемников, диоды также интегрированы во множество современных устройств, от телевизоров до микроволновых печей и даже спутников связи.

Как работает диод?

Современные диоды изготавливаются из полупроводниковых материалов, таких как кремний, германий или арсенид галлия. Производители полупроводников вводят в эти материалы определенные примеси, чтобы придать диоду его особые свойства.

Этот процесс «легирования» создает в диоде три области. Во-первых, на аноде имеется положительно заряженная p-область, в которой легирование создает большое количество электронных дырок. Кроме того, на катоде имеется отрицательно заряженная n-область, где легирование создает большое количество свободных электронов.Они встречаются в p-n-переходе, где электроны n-области перепрыгивают, чтобы заполнить электронные дырки p-области — это создает третью «обедненную область», которая действует как изолятор и препятствует протеканию тока.

Прямое смещение

Диод «смещен в прямом направлении», когда ток течет от положительного анода к отрицательному катоду. В идеальном случае ток устраняет обедненную область и проходит через диод, как если бы его там не было.

На самом деле, диоду требуется начальное напряжение, называемое прямым напряжением (Vf), чтобы он начал работать.По сути, настоящий диод действует как идеальный диод, соединенный последовательно с резистором, создавая небольшое, но заметное падение напряжения. В наиболее распространенных сигнальных диодах Vf составляет около 0,7 В.

Однако следует остерегаться температуры — Vf диода будет уменьшаться при повышении температуры. В некоторых случаях вы можете превратить эту температурную чувствительность в функцию. Например, в статье на Hackaday объясняется, как использовать эту характеристику для создания однодиодного датчика температуры.

Обратное смещение

Когда через диод протекает ток в противоположном направлении, от катода к аноду, это называется «обратным смещением».Вышеупомянутая обедненная область становится еще больше, превращая диод в мощный резистор и блокируя прохождение тока.

Однако у каждого электронного компонента есть предел, и диоды не исключение. Порог диода определяется так называемым напряжением пробоя (Vbr). После этого Vbr обедненная область перестает работать, освобождая обратный ток, чтобы течь по цепи и наносить ущерб, что часто приводит к выгоранию, связанному с синим дымом.

Обозначение диода

Символ диода напоминает боковой треугольник с вертикальной полосой на конце.Треугольник указывает направление тока прямого смещения, а полоса представляет собой блокирующее действие диода при обратном смещении тока.

Поскольку диоды поляризованы, вам нужно знать, как их вставить в ваши схемы. Из-за этого упаковка диода будет иметь полосу на конце катода, как и вертикальная полоса в символе диода.

Какие бывают диоды?

Диоды в конструкции электронных схем имеют два основных различия: силовые диоды и сигнальные диоды.В этих широких категориях вы найдете всевозможные узкоспециализированные диоды, созданные для решения конкретных задач. Некоторые диоды также могут генерировать свет — метко названные светодиоды, или светодиоды, как их чаще называют, — но это достаточно большая тема для отдельной статьи.

Силовые диоды

Подавление перенапряжения, как мы говорили ранее, является одним из методов использования силовых диодов. Помимо блокировки индуктивных скачков от таких компонентов, как двигатели, вы также можете использовать диоды для предотвращения электростатического разряда (ESD).Это искра, которую вы иногда видите, когда подключаете зарядное устройство к телефону — эта маленькая вспышка посылает мгновенный всплеск в 15000 вольт прямо на ваше устройство, а это защитный диод от электростатического разряда, который предохраняет ваш любимый телефон от перегрева.

Еще одно повседневное применение силовых диодов можно найти в зарядном устройстве вашего телефона. Силовые диоды помогают преобразовывать переменный ток (AC), выходящий из стены, в постоянный ток (DC), который используется принимающей электроникой.

Диоды сигнальные

Сигнальные диоды работают с гораздо меньшими токами и напряжениями.Эти типы диодов используются в схемах, обрабатывающих аналоговые сигналы, и в некоторых случаях эти приложения помогают остальной части схемы лучше выполнять свою работу.

Забавный эксперимент, демонстрирующий, как работают сигнальные диоды, — это самодельный AM-радио, состоящий из провода, металлического стержня, диода и динамика. Использование незаземленного провода в качестве антенны преобразует входящую радиоволну в переменный ток. Так же, как и приходящая радиоволна, этот ток имеет постоянную частоту быстрых колебаний между пиками и минимумами напряжения.Размер этих пиков и впадин (он же амплитуда) является сигналом, который имеет значение, к сожалению, сам по себе, эти волны имеют тенденцию гасить друг друга в наушниках. Однако включение диода блокирует впадины и позволяет пикам проходить через наушники для преобразования в аудиосигнал.

Другой способ обработки аналоговых сигналов диодами — защита чувствительной электроники от слишком сильных сигналов. Например, диоды в цепи ограничителя будут отключать сигналы, когда напряжение выходит за пределы определенной точки.В зависимости от конструкции схемы, схема ограничителя ограничивает положительное напряжение, отрицательное напряжение или и то, и другое.

Разработчик

Instructables gmoon демонстрирует, как схема с диодным ограничителем может придать гитарному усилителю звук, более похожий на ламповый.

Диоды специальные

Производители могут выбирать материалы, чтобы придать диодам особые свойства, чтобы схемы работали лучше.

Диод Шоттки, например, имеет очень низкое прямое напряжение. Если типичный сигнальный диод имеет Vf 0.7 В, Vf диода Шоттки может упасть до 0,15 В. Поставщик электроники для хобби SparkFun рекомендует диоды Шоттки, «когда нужно беречь до последнего бита напряжения».

Стабилитрон

— это своего рода антидиод. Производители конструируют стабилитроны так, чтобы через них протекали обратные токи, не повреждая диод. Диод блокирует ток с обратным смещением, пока напряжение не превышает определенного значения. После этого стабилитрон пропускает ток при постоянном напряжении стабилитрона (Vz).

Кто делает диоды?

По данным исследовательской компании Technavio, продажи одних только дискретных диодов приносят более 3 миллиардов долларов в год. Рынок лазерных диодов стоит еще 55 миллиардов долларов. Это кое-что говорит о том, насколько ценны эти крошечные компоненты для современной электроники.

Однако, в отличие от некоторых отраслей, рынок диодов фрагментирован, и поэтому на нем не доминирует горстка крупных игроков. Некоторые известные надежные поставщики качественных диодов включают:

Эти компании продают продукцию производителям по всему миру, но их продукты можно приобрести в меньших количествах у торговых посредников, таких как Mouser Electronics или DigiKey Electronics.Менее известные производители диодов, такие как Chanzon и T&F Electronics, имеют хорошую репутацию среди клиентов Amazon.

Кто вы рекомендуете источник высококачественных диодов? Какие особенности вы ищете, чтобы найти надежного поставщика диодов? Поделитесь с нами в комментариях ниже!

Объяснение

диодов — Инженерное мышление

Узнайте, как работают диоды, а также почему и где мы их используем.

Прокрутите вниз, чтобы просмотреть руководство YouTube.

Что такое диод

Пример диода

Диод выглядит примерно так, как на изображении выше, и бывает разных размеров. Обычно они имеют черный цилиндрический корпус с полосой на одном конце, а также несколько выводов, позволяющих нам подключить его в цепь. 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 представляет собой светоизлучающий диод, но мы не будем рассматривать их в этой статье.

Другие примеры диодов

Диод позволяет току течь только в одном направлении.

Представим себе водопровод с установленным поворотным клапаном. Когда вода течет по трубе, она толкает распашную заслонку и продолжает течь. Однако, если вода меняет направление, вода закроет заслонку и не сможет течь. Следовательно, вода может течь только в одном направлении.

Водопроводная труба Это очень похоже на диод, мы используем их для управления направлением тока в цепи.

Теперь мы анимировали это с помощью электронного потока, в котором электроны перетекают от отрицательного к положительному. Однако в электронике традиционно используется обычный поток, который изменяется от положительного к отрицательному. Обычный ток, вероятно, легче понять, вы можете использовать любой, на самом деле это не имеет значения, просто помните о двух и о том, какой из них мы используем.

Пример светодиода

Итак, если мы подключим диод к простой схеме светодиода, подобной приведенной выше, необходимо отметить, что светодиод будет включаться только тогда, когда диод установлен правильно.Это 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 подсоединяется к минусу, а черный конец подсоединяется к плюсу, чтобы он действовал как проводник. Это позволяет току течь, мы называем это прямым смещением. Если перевернуть диод, он будет действовать как изолятор, и ток не будет 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, через которые легко пропускается электричество. Мы используем резину, чтобы изолировать медные провода и обезопасить себя, потому что резина является изолятором, что означает, что ее электроны удерживаются очень плотно и, следовательно, не могут перемещаться между атомами.

Если мы посмотрим на базовую модель атома металлического проводника, у нас есть ядро ​​в центре, и оно окружено множеством 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 может достичь этого, он может вырваться из атома и перейти к другому. У атома металла, такого как медь, зона проводимости и валентная оболочка перекрываются, поэтому электрону очень легко перемещаться.

Самая внешняя оболочка уплотнена изолятором. Электрону практически нет места для присоединения. Ядро плотно захватывает электроны, а зона проводимости находится далеко, поэтому электроны не могут добраться до нее, чтобы убежать. Следовательно, электричество не может проходить через этот материал.

Однако есть еще один материал, известный как полупроводник. Кремний — это пример полупроводника. В этом материале слишком много электронов во внешней оболочке, чтобы быть проводником, поэтому он действует как изолятор.Однако следует отметить; что, поскольку зона проводимости довольно близка; если мы предоставим некоторую внешнюю энергию, некоторые электроны получат достаточно энергии, чтобы совершить прыжок из баллона в зону проводимости, чтобы стать свободными. Следовательно, этот материал может действовать как изолятор, так и как проводник.

Чистый кремний почти не имеет 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 в диод.

Итак, внутри диода есть два вывода, анод и катод, которые подключаются к тонким пластинам. Между этими пластинами имеется слой легированного кремния P-типа на анодной стороне и слой легированного кремния N-типа на катодной стороне. Все это покрыто смолой для изоляции и защиты материалов.

Пример диода

Давайте представим, что материал еще не легирован, так что внутри находится 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 тайком делятся электроном со своим соседним атомом, чтобы получить 8 желаемых. Это известно как ковалентное связывание.

Ковалентное связывание

Когда мы добавляем материал N-типа, такой как фосфор, он займет положение некоторых атомов кремния. В валентной оболочке атома фосфора 5 электронов. Так как атомы кремния делятся электронами, чтобы получить желаемое 8, им не нужен этот дополнительный электрон, поэтому теперь в материале есть дополнительный электрон, и поэтому они могут свободно перемещаться.

Добавление фосфора

При легировании P-типа мы добавляем такой материал, как алюминий. У этого атома только 3 электрона в валентной оболочке, поэтому он не может предоставить своим 4 соседям один электрон, поэтому одному из них придется обойтись без него. Таким образом, создается дыра, в которой электрон может сидеть и занимать ее.

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 так называемую область истощения. В этой области часть избыточных электронов со стороны N-типа переместится, чтобы занять дырки со стороны P-типа. Эта миграция образует барьер с скоплением электронов и дырок на противоположных сторонах. Электроны заряжены отрицательно, а дырки считаются положительно заряженными. Таким образом, нарастание приводит к образованию слегка отрицательно заряженной области и слегка положительно заряженной области. Это создает электрическое поле и предотвращает перемещение большего количества электронов.В типичных диодах разность потенциалов в этой области составляет около 0,7 В.

Пример истощения

Когда мы подключаем источник напряжения через диод с анодом (P-типа), подключенным к плюсу, а катод (N), соединенным с минусом, это создаст прямое смещение и позволит току течь. Источник напряжения должен быть выше барьера 0,7 В, иначе электроны не смогут попасть в перемычку.

Источник напряжения должен быть больше, чем барьер

Когда мы меняем схему подачи питания так, чтобы положительный полюс был подключен к катоду N-типа, а отрицательный — к аноду P-типа.Отверстия притягиваются к отрицательному полюсу, а электроны притягиваются к положительному положению, что вызывает расширение барьера, и поэтому диод действует как проводник, предотвращая протекание тока.

Технические характеристики

Пример символа

Диоды представлены на технических чертежах символом, подобным изображенному выше. Полоса на корпусе обозначена вертикальной линией на символе, а стрелка указывает в направлении обычного 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.

Схема I-V

Диод будет иметь диаграмму I-V, как показано выше. На этой диаграмме показаны характеристики тока и напряжения диода, которые построены в виде изогнутой линии. Эта сторона должна работать как проводник, а эта сторона — как изолятор.

Вы можете видеть, что диод может действовать как изолятор только до определенной разности напряжений на нем. Если вы превысите это значение, он станет проводником и позволит току течь.Это приведет к выходу из строя диода и, возможно, вашей схемы, поэтому вам необходимо убедиться, что размер диода соответствует вашему применению.

Точно так же диод может выдерживать только определенное напряжение или ток при прямом смещении. Значение разное для каждого диода, вам нужно будет просмотреть эти данные, чтобы узнать подробности.

Диод требует определенного уровня напряжения для открытия и пропуска тока в прямом смещении. Большинство из них около 0,6 В. Если мы подадим напряжение ниже этого, он не откроется, чтобы позволить току течь.Но по мере того, как мы увеличиваем это значение, величина тока, который может протекать, будет быстро увеличиваться.

Пример напряжения диода

Диоды также будут обеспечивать падение напряжения в цепи. Например, когда я добавил этот диод в простую светодиодную схему, установленную на макетной плате, я получил значение падения напряжения 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 цепи, если источник питания был подключен сзади на переднюю.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 половинами, 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, цепь проходит 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 стороне, мы создадим двухполупериодный выпрямитель. Диоды контролируют, по какому пути может течь переменный ток, блокируя или позволяя ему проходить. Как мы только что видели, разрешена прохождение положительной половины синусоидальной волны, но на этот раз разрешено прохождение и отрицательной половины, хотя это было инвертировано, чтобы превратить ее также в положительную половину.Это дает нам лучшую подачу постоянного тока, поскольку пульсация значительно снижается. Но мы все еще можем улучшить это, мы просто добавляем несколько конденсаторов, чтобы сгладить пульсацию и в конечном итоге получить плавную линию, чтобы точно имитировать постоянный ток.

Четыре подключенных диода

Мы подробно рассмотрели, как работают конденсаторы в нашей предыдущей статье, проверьте, что ЗДЕСЬ .

Как проверить диод

Для проверки диода нам понадобится мультиметр с настройкой проверки диодов, символ будет выглядеть так.Мы настоятельно рекомендуем вам иметь в своем наборе инструментов хороший мультиметр, который поможет вам как в обучении, так и в диагностике проблем.

Итак, берем наш диод и мультиметр. Подключаем черный провод к концу диода линией. Затем к противоположному концу подключаем красный провод. Когда мы это сделаем, на экране должно появиться значение.

Например, диод модели 1N4001 дает показание 0,516 В. Это минимальное напряжение, необходимое для открытия диода и протекания тока.

Если теперь поменять местами провода, подключенные к диодам, мы должны увидеть на экране OL, что означает выход за пределы.Это говорит нам о том, что он не может измерить, это хорошо, потому что он не может замкнуть цепь, поэтому диод выполняет свою работу.

Если мы получаем сообщение о соединении в обеих конфигурациях, значит, компонент неисправен и не должен использоваться.

Неисправный компонент

Чтобы проверить диод в цепи на падение напряжения, мы просто переводим мультиметр в функцию постоянного напряжения, а затем помещаем черный щуп к концу полосы, а красный щуп к черному концу. Это даст нам значение, например, 0.71V, что является падением напряжения.

---

Введение в диоды — что это и как работает

Если вы знакомы с конденсаторами и резисторами, то знаете, что диод — это, по сути, простейший полупроводник, который может выполнять множество функций, поэтому они также бывают разных форм. Сегодня мы рассмотрим все, что вам нужно знать о диодах.

Однако, прежде чем мы перейдем непосредственно к нашей основной теме дня, давайте рассмотрим основные концепции, которые вы должны знать, которые помогут вам лучше понять диоды:

• Напряжение : Разница в электрическом потенциале между двумя точками.
• Резистор : Пассивный двухконтактный электрический компонент, который реализует электрическое сопротивление как элемент схемы.
• Конденсатор : пассивный компонент, накапливающий электрическую энергию в электрическом поле.
• Транзистор : полупроводниковое устройство, состоящее из трех выводов для усиления или переключения электронных сигналов и электрических целей.

Если вам нужна дополнительная информация об этих концепциях, обязательно загляните в эти блоги, чтобы узнать:

---

С учетом сказанного, давайте посмотрим, что будет освещено в этом блоге:

• Обзор диодов
• Варианты диодов
• Обозначения и расчеты диодов
• Применение диодов
• Проекты диодов

---

Обзор диодов

Что такое диод?

Диод — это полупроводниковый прибор с двумя выводами, который пропускает ток только в одном направлении.В основном он имеет незначительное сопротивление на одном конце и высокое сопротивление на другом, чтобы предотвратить протекание тока в обоих направлениях. Таким образом, диод подобен вентилю в электрической цепи.

Конструкция диода

На самом деле существует много типов диодов, но здесь мы будем говорить о конструкции основного полупроводникового диода.

Как мы уже упоминали, диод — это полупроводник, поэтому он сделан либо из кремния, либо из герани. На изображении выше вы также можете видеть, что диод имеет два вывода: анод и катод, P-переход и N-переход.В то время как область обеднения предназначена для прохождения электронов.

Как работает диод?

Принцип работы диода зависит от взаимодействия между P- и N-переходами. В нормальном сценарии P имеет высокую концентрацию дырок и низкую концентрацию свободных электронов, в то время как N имеет более низкую концентрацию дырок и более высокую концентрацию свободных электронов, электроны будут двигаться в направлении P и позволить току течь только через P. .

Приведенное выше объяснение применимо только к тому, что обычно происходит, теперь давайте рассмотрим некоторые из особых сценариев:

Диод с прямым смещением

Это может произойти, когда положительный вывод источника подключен к P-переходу, а отрицательный вывод источника подключен к N-переходу диода при медленном увеличении напряжения от нуля.

Из-за потенциального барьера вначале не будет протекания тока. Однако, если внешнее напряжение, приложенное к диоду, больше, чем прямой потенциальный барьер, диод будет действовать как короткозамкнутый путь, в то время как ток будет ограничиваться только внешними резисторами.

Диод с обратным смещением

Это может произойти, когда источник напряжения подключен к отрицательной клемме P-перехода, а источник напряжения подключен к положительной клемме N-перехода.

Как вы уже могли заметить, это имеет противоположный эффект, чем диод с прямым смещением. Из-за электростатического притяжения дырки в P-переходе будут смещаться дальше от обедненной области, оставляя больше открытых отрицательных ионов в этой области. Когда это происходит, ток будет заблокирован, что не позволит току течь через цепь.

Несмещенный диод

Когда P- и N-переходы соприкасаются друг с другом, отверстия начнут рассеиваться от P-перехода к N-переходу и наоборот.Это связано с разницей в концентрации дырок, как упоминалось ранее. В конце концов, электроны будут рекомбинированы в области обеднения, и диффузия зарядов больше не будет.

---

Варианты диода

Как известно, вариантов диодов на рынке очень много. Но сегодня мы будем говорить только о трех общих типах, чтобы облегчить понимание.

Стабилитрон

Стабилитроны

— это специальные сильно легированные полупроводниковые диоды, которые позволяют току течь в противоположном направлении при достаточном напряжении, в отличие от обычных диодов.Он специально разработан для неразрушающего пробоя напряжения. Из-за сильно легированного полупроводникового материала он позволяет сделать обедненную область очень тонкой для увеличения напряженности электрического поля.

Строительство:

Выпрямительный диод

Выпрямительные диоды

— это двухпроводные полупроводники, которые, как и другие диоды, пропускают ток только в одном направлении. Они сделаны из кремния и могут преобразовывать переменный ток (AC) в постоянный (DC), что называется выпрямлением.

Популярные выпрямительные диоды:

Диод	Максимальный ток	Максимальный обратный ток
1N4001	1A	50V
	1	1000V
1N5401	3A	100V
1N5408	3A	1000v

Ref: Electronicsclub1 подходит для использования с низким напряжением.

Диод Шоттки

Диоды Шоттки — это металлические полупроводниковые диоды, также известные как диоды с барьером Шоттки (SBD). Хотя они выглядят довольно похоже на выпрямительные диоды, но SBC обычно больше и в них не используется полупроводниковый переход P-N.

Строительство:

Другие варианты диодов:

• Сигнальные диоды
• Лазерные диоды
• Светодиоды
• Фотодиоды
• Тестовые диоды

---

Обозначения и расчеты диодов

Узнав немного больше о вариантах диода и его справочной информации, давайте посмотрим на символы и расчеты.

Условное обозначение базовой схемы

Вот как будет выглядеть типичное схематическое обозначение диода с P-N переходом и представлено в принципиальной схеме, а вот схематические обозначения других диодов для справки:

Уравнение тока диода

Уравнение тока Didoe показывает взаимосвязь между током, протекающим через диод, в зависимости от приложенного к нему напряжения.

Где,

• I = ток, протекающий через диод
• I ₀ = ток темнового насыщения (относится к плотности тока утечки, протекающего через диод в отсутствие света)
• q = заряд электрона
• V = приложенное напряжение через диод
• η = экспоненциальный в идеале множитель (рассматривается как 1, если его гераневые диоды, 2, если кремниевые диоды)
• T = абсолютная температура (в Кельвинах)
• Постоянная Больцмана:

Если это условие прямого смещения , уравнение тока диода будет:

Если это перевернутое состояние , уравнение тока диода будет:

---

Применение диодов

Выпрямительные схемы

Как мы уже упоминали в разделе выпрямительных диодов, наиболее распространенным использованием диодов является выпрямление переменного тока в постоянный и построение выпрямительных цепей.Они используются в полуволновых и полноволновых выпрямителях. В типичных приложениях преобразования мощности используются один или комбинация из четырех диодов.

Защита от обратного тока

В случае, если пользователь изменил полярность питания постоянного тока или неправильно подключил батарею, когда через цепь протекает большой ток, можно последовательно подключить защитный диод, чтобы предотвратить проблему обратного подключения.

---

Проекты диодов

Пройдя всю теоретическую часть диодов, мы можем наконец перейти к некоторым интересным проектам, которые вы можете делать с диодами!

Сделайте солнечную панель из диодов!

Ссылка: Instructables

Заинтересованы в создании собственной солнечной панели? Этот проект показывает вам, как вы можете построить его, используя диод 1N4148, который проводит ток под действием света! Хотя это всего лишь прототип для экспериментов, вы можете приступить к его доработке и использовать свои солнечные батареи на самом деле!

Что вам понадобится :

• Много кремниевого диода
• Макетная плата
• Вольтметр
• Провода
• Фонарик или свет для проверки

Идите и нажмите здесь, если зеленая энергия вас вдохновляет!

Лазерная ручка для выжигания по дереву

Вы хотите поэкспериментировать с чем-то немного опасным? Вы сможете построить свою лазерную ручку для выжигания по дереву, используя только лазерный диод высокой мощности и механический карандаш! Не забывайте надевать защиту для глаз во время экспериментов!

Что вам понадобится :

• Мощный волоконный лазерный диод
• Механический карандаш.
• Радиатор и немного термической смазки
• 2 батарейки AA или D или «чистый» источник питания
• Лазерная защита глаз (очень важно!)

Похоже на то, что вам нравится? Посмотрите этот проект здесь!

---

Сводка

И все на диодах! Вы узнали что-то новое о диодах? Мы надеемся, что с этими знаниями вы сможете экспериментировать и использовать диоды в своих будущих проектах!

Следите за нами и ставьте лайки:

Продолжить чтение

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 стабилизатора 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 с высокой номинальной мощностью, поскольку 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, если 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 количества 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 некоторого количества алюминия, галлия, бора, индия и других веществ может привести к образованию полупроводникового материала 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.Это 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. Это будет 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.

Переходные 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 представляет собой электрическое устройство, позволяющее току проходить через него в одном направлении с гораздо большей легкостью, чем в другом.Наиболее распространенным типом 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 зарезервирован 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 называется с прямым смещением . 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 Аналогия

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 большее давление жидкости справа, 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 сбрасывает все напряжения 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 состоит 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.

Схематический символ диода показан 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 составляет всего 0,3 вольта. Химическая составляющая P-N перехода, составляющего диод, определяет его номинальное значение прямого напряжения, поэтому кремниевые и германиевые диоды имеют такие разные прямые напряжения. Прямое падение напряжения остается примерно постоянным для широкого диапазона токов диодов, что означает, что падение напряжения на диоде не похоже на падение напряжения на резисторе или даже на нормальном (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 падение напряжения на токопроводящем диоде действительно влияет на значение в зависимости от протекающего через него тока, 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.

Однако в некоторых схемах намеренно используется присущее P-N-переходу экспоненциальное соотношение тока / напряжения, и поэтому их можно понять только в контексте этого уравнения. Кроме того, поскольку температура является фактором в уравнении диода, смещенный в прямом направлении P-N-переход может также 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 очень небольшой ток может проходить и проходит через диод с обратным смещением, 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 становится слишком большим, диод испытывает состояние, известное как пробой (рисунок ниже), которое обычно является разрушительным.

Максимальное напряжение обратного смещения диода известно как Peak Inverse Voltage или PIV , и его можно получить у производителя.Как и прямое напряжение, рейтинг PIV диода зависит от температуры, за исключением того, что PIV увеличивается на с повышением температуры и уменьшается на , когда 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, говорят, что диод смещен в прямом направлении .
• Когда напряжение подается на диод таким образом, что диод запрещает 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 примерно 0,7 В.
Прямое напряжение германиевых диодов
• составляет примерно 0,3 В.
• Максимальное напряжение обратного смещения, которое диод может выдержать без «пробоя», называется номинальным значением пикового обратного напряжения или PIV .

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

Практическое руководство

: диоды: 6 ступеней (с изображениями)

Если вы в прошлом занимались электронными проектами, есть большая вероятность, что вы уже сталкивались с этим распространенным компонентом и без раздумий встраивали его в свою схему.Диоды имеют большое значение в электронике и служат множеству целей, которые будут рассмотрены в следующих шагах.

Во-первых, что такое диод?

Диод — это полупроводниковое устройство, которое позволяет току течь в одном направлении, но не в другом.

Полупроводник — это разновидность материала, в данном случае кремния или германия, электрические свойства которого находятся между проводниками (металлами) и изоляторами (стекло, резина). Рассмотрим проводимость: это мера относительной легкости, с которой электроны движутся через материал.Например, электроны легко проходят через кусок металлической проволоки. Вы можете изменить поведение чистого материала, такого как кремний, и превратить его в полупроводник, легируя . При легировании вы добавляете небольшое количество примеси в чистую кристаллическую структуру.

Типы примесей, добавляемые к чистому кремнию, можно разделить на N-тип и P-тип.

• N-тип: при легировании N-типа фосфор или мышьяк добавляются к кремнию в долях на миллиард в небольших количествах.И фосфор, и мышьяк имеют по пять внешних электронов, поэтому они смещаются, когда попадают в решетку кремния. Пятому электрону не с чем связываться, поэтому он может свободно перемещаться. Требуется лишь очень небольшое количество примеси, чтобы создать достаточно свободных электронов, чтобы позволить электрическому току протекать через кремний. Электроны имеют отрицательный заряд, отсюда и название N-типа.

• P-тип — При легировании P-типа к чистому кремнию добавляют бор или галлий. Каждый из этих элементов имеет по три внешних электрона.При смешивании с кремниевой структурой они образуют «дыры» в решетке, где электрону кремния не с чем связываться. Отсутствие электрона создает эффект положительного заряда, отсюда и название P-типа. Отверстия могут проводить ток. Дыра с радостью принимает электрон от соседа, перемещая дыру в пространстве.

Диоды изготовлены из двух слоев полупроводникового материала с различным легированием, которые образуют PN-переход . Материал P-типа имеет избыток положительных носителей заряда (дырок), а материал N-типа — избыток электронов.Между этими слоями, где встречаются материалы P-типа и N-типа, дырки и электроны объединяются, причем сверхэлектроны объединяются с избыточными дырками, чтобы компенсировать друг друга, поэтому создается тонкий слой, в котором нет ни положительных, ни отрицательных носителей заряда. Это называется истощенным слоем .

В этом обедненном слое нет носителей заряда, и ток не может течь через него. Но когда на переход подается напряжение, так что анод P-типа становится положительным, а катод N-типа — отрицательным, положительные дырки притягиваются через обедненный слой к отрицательному катоду, также отрицательные электроны притягиваются к отрицательному катоду. положительный анод и ток.

Думайте о диоде как об улице с односторонним движением электричества. Когда диод находится в прямом смещении, диод позволяет трафику или току течь от анода к катодной ножке. В обратном смещении ток блокируется, поэтому электрический ток через цепь не протекает.