Прямое подключение диода: Принцип работы диодов для чайников

Содержание

Принцип работы диодов для чайников

Диод является одной из разновидностей приборов, сконструированных на полупроводниковой основе. Обладает одним p-n переходом, а также анодным и катодным выводом. В большинстве случаев он предназначен для модуляции, выпрямления, преобразования и иных действий с поступающими электрическими сигналами.

Принцип работы:

  1. Электрический ток воздействует на катод, подогреватель начинает накаливаться, а электрод испускать электроны.
  2. Между двумя электродами происходит образование электрического поля.
  3. Если анод обладает положительным потенциалом, то он начинает притягивать электроны к себе, а возникшее поле является катализатором данного процесса. При этом, происходит образование эмиссионного тока.
  4. Между электродами происходит образование пространственного отрицательного заряда, способного помешать движению электронов. Это происходит, если потенциал анода оказывается слишком слабым. В таком случае, частям электронов не удается преодолеть воздействие отрицательного заряда, и они начинают двигаться в обратном направлении, снова возвращаясь к катоду.
  5. Все электроны, которые достигли анода и не вернулись к катоду, определяют параметры катодного тока. Поэтому данный показатель напрямую зависит от положительного анодного потенциала.
  6. Поток всех электронов, которые смогли попасть на анод, имеет название анодный ток, показатели которого в диоде всегда соответствуют параметрам катодного тока. Иногда оба показателя могут быть нулевыми, это происходит в ситуациях, когда анод обладает отрицательным зарядом. В таком случае, возникшее между электродами поле не ускоряет частицы, а, наоборот, тормозит их и возвращает на катод. Диод в таком случае остается в запертом состоянии, что приводит к размыканию цепи.

Устройство

Ниже приводится подробное описание устройства диода, изучение этих сведений необходимо для дальнейшего понимания принципов действия этих элементов:

  1. Корпус представляет собой вакуумный баллон, который может быть изготовлен из стекла, металла или прочных керамических разновидностей материала.
  2. Внутри баллона имеется 2 электрода. Первый является накаленным катодом, который предназначен для обеспечения процесса эмиссии электронов. Самый простейший по конструкции катод представляет собой нить с небольшим диаметром, которая накаливается в процессе функционирования, но на сегодняшний день более распространены электроды косвенного накала. Они представляют собой цилиндры, изготовленные из металла, и обладающие особым активным слоем, способным испускать электроны.
  3. Внутри катода косвенного накала имеется специфический элемент – проволока, которая накаливается под воздействием электрического тока, она называется подогреватель.
  4. Второй электрод является анодом, он необходим для приема электронов, которые были выпущены катодом. Для этого он должен обладать положительным относительно второго электрода потенциалом. В большинстве случаев анод также имеет цилиндрическую форму.
  5. Оба электрода вакуумных приборов полностью идентичны эмиттеру и базе полупроводниковой разновидности элементов.
  6. Для изготовления диодного кристалла чаще всего используется кремний или германий. Одна из его частей является электропроводимой по p-типу и имеет недостаток электронов, который образован искусственным методом. Противоположная сторона кристалла также имеет проводимость, но n-типа и обладает избытком электронов. Между двумя областями имеется граница, которая и называется p-n переходом.

Такие особенности внутреннего устройства наделяют диоды их главным свойством – возможностью проведения электрического тока только в одном направлении.

Назначение

Ниже приводятся основные области применения диодов, на примере которых становится понятно их основное назначение:

  1. Диодные мосты представляют собой 4, 6 или 12 диодов, соединенных между собой, их количество зависит от типа схемы, которая может быть однофазной, трехфазной полумостовой или трехфазной полномостовой. Они выполняют функции выпрямителей, такой вариант чаще всего используется в автомобильных генераторах, поскольку внедрение подобных мостов, а также использование вместе с ними щеточно-коллекторных узлов, позволило в значительной степени сократить размеры данного устройства и увеличить степень его надежности.
    Если соединение выполнено последовательно и в одну сторону, то это повышает минимальные показатели напряжения, которое потребуется для отпирания всего диодного моста.
  2. Диодные детекторы получаются при комбинированном использовании данных приборов с конденсаторами. Это необходимо для того, чтобы было можно выделить модуляцию с низкими частотами из различных модулированных сигналов, в том числе амплитудно-модулированной разновидности радиосигнала. Такие детекторы являются частью конструкции многих бытовых потребителей, например, телевизоров или радиоприемников.
  3. Обеспечение защиты потребителей от неверной полярности при включении схемных входов от возникающих перегрузок или ключей от пробоя электродвижущей силой, возникающей при самоиндукции, которая происходит при отключении индуктивной нагрузки. Для обеспечения безопасности схем от возникающих перегрузок, применяется цепочка, состоящая из нескольких диодов, имеющих подключение к питающим шинам в обратном направлении. При этом, вход, которому обеспечивается защита, должен подключаться к середине этой цепочки. Во время обычного функционирования схемы, все диоды находятся в закрытом состоянии, но если ими было зафиксировано, что потенциал входа ушел за допустимые пределы напряжения, происходит активация одного из защитных элементов. Благодаря этому, данный допустимый потенциал получает ограничение в рамках допустимого питающего напряжения в сумме с прямым падением показателей напряжение на защитном приборе.
  4. Переключатели, созданные на основе диодов, используются для осуществления коммутации сигналов с высокими частотами. Управление такой системой осуществляется при помощи постоянного электрического тока, разделения высоких частот и подачи управляющего сигнала, которое происходит благодаря индуктивности и конденсаторам.
  5. Создание диодной искрозащиты. Используются шунт-диодные барьеры, которые обеспечивают безопасность путем ограничения напряжения в соответствующей электрической цепи. В совокупности с ними применяются токоограничительные резисторы, которые необходимы для ограничения показателей электрического тока, проходящего через сеть, и увеличения степени защиты.

Использование диодов в электронике на сегодняшний день весьма широко, поскольку фактически ни одна современная разновидность электронного оборудования не обходится без этих элементов.

Прямое включение диода

На p-n-переход диода может оказывать воздействие напряжение, подаваемое с внешних источников. Такие показатели, как величина и полярность, будут сказываться на его поведении и проводимом через него электрическом токе.

Ниже подробно рассмотрен вариант, при котором происходит подключение плюса к области p-типа, а отрицательного полюса к области n-типа. В этом случае произойдет прямое включение:

  1. Под воздействием напряжения от внешнего источника, в p-n-переходе сформируется электрическое поле, при этом его направление будет противоположным относительно внутреннего диффузионного поля.
  2. Напряжение поля значительно снизится, что вызовет резкое сужение запирающего слоя.
  3. Под воздействием этих процессов значительное количество электронов обретет возможность свободно переходить из p-области в n-область, а также в обратном направлении.
  4. Показатели тока дрейфа во время этого процесса остаются прежними, поскольку они напрямую зависят только от числа неосновных заряженных носителей, находящихся в области p-n-перехода.
  5. Электроны обладают повышенным уровнем диффузии, что приводит к инжекции неосновных носителей. Иными словами, в n-области произойдет повышение количества дырок, а в p-области будет зафиксирована повышенная концентрация электронов.
  6. Отсутствие равновесия и повышенное число неосновных носителей заставляет их уходить вглубь полупроводника и смешиваться с его структурой, что в итоге приводит к разрушению его свойств электронейтральности.
  7. Полупроводник при этом способен восстановить свое нейтральное состояние, это происходит благодаря получению зарядов от подключенного внешнего источника, что способствует появлению прямого тока во внешней электрической цепи.

Обратное включение диода

Теперь будет рассмотрен другой способ включения, во время которого изменяется полярность внешнего источника, от которого происходит передача напряжения:

  1. Главное отличие от прямого включения заключается в том, что создаваемое электрическое поле будет обладать направлением, полностью совпадающим с направлением внутреннего диффузионного поля. Соответственно, запирающий слой будет уже не сужаться, а, наоборот, расширяться.
  2. Поле, находящееся в p-n-переходе, будет оказывать ускоряющий эффект на целый ряд неосновных носителей заряда, по этой причине, показатели дрейфового тока останутся без изменений. Он будет определять параметры результирующего тока, который проходит через p-n-переход.
  3. По мере роста обратного напряжения, электрический ток, протекающий через переход, будет стремиться достичь максимальных показателей. Он имеет специальное название – ток насыщения.
  4. В соответствии с экспоненциальным законом, с постепенным увеличением температуры будут увеличиваться и показатели тока насыщения.

Прямое и обратное напряжение

Напряжение, которое оказывает воздействие на диод, разделяют по двум критериям:

  1. Прямое напряжение – это то, при котором происходит открытие диода и начинается прохождение через него прямого тока, при этом показатели сопротивления прибора являются крайне низкими.
  2. Обратное напряжение – это то, которое обладает обратной полярностью и обеспечивает закрытие диода с прохождением через него обратного тока. Показатели сопротивления прибора при этом начинают резко и значительно расти.

Сопротивление p-n-перехода является постоянно меняющимся показателем, в первую очередь на него оказывает влияние прямое напряжение, подающееся непосредственно на диод. Если напряжение увеличивается, то показатели сопротивления перехода будут пропорционально уменьшаться.

Это приводит к росту параметров прямого тока, проходящего через диод. Когда данный прибор закрыт, то на него воздействует фактически все напряжение, по этой причине показатели проходящего через диод обратного тока являются незначительными, а сопротивление перехода при этом достигает пиковых параметров.

Работа диода и его вольт-амперная характеристика

Под вольт-амперной характеристикой данных приборов понимается кривая линия, которая показывает то, в какой зависимости находится электрический ток, протекающий через p-n-переход, от объемов и полярности напряжения, воздействующего на него.

Подобный график можно описать следующим образом:

  1. Ось, расположенная по вертикали: верхняя область соответствует значениям прямого тока, нижняя область параметрам обратного тока.
  2. Ось, расположенная по горизонтали: область, находящаяся справа, предназначена для значений прямого напряжения; область слева для параметров обратного напряжения.
  3. Прямая ветвь вольт-амперной характеристики отражает пропускной электрический ток через диод. Она направлена вверх и проходит в непосредственной близости от вертикальной оси, поскольку отображает увеличение прямого электрического тока, которое происходит при увеличении соответствующего напряжения.
  4. Вторая (обратная) ветвь соответствует и отображает состояние закрытого электрического тока, который также проходит через прибор. Положение у нее такое, что она проходит фактически параллельно относительно горизонтальной оси. Чем круче эта ветвь подходит к вертикали, тем выше выпрямительные возможности конкретного диода.
  5. По графику можно наблюдать, что после роста прямого напряжения, протекающего через p-n-переход, происходит медленное увеличение показателей электрического тока. Однако постепенно, кривая достигает области, в которой заметен скачок, после которого происходит ускоренное нарастание его показателей. Это объясняется открытием диода и проведением тока при прямом напряжении. Для приборов, изготовленных из германия, это происходит при напряжении равном от 0,1В до 0,2В (максимальное значение 1В), а для кремниевых элементов требуется более высокий показатель от 0,5В до 0,6В (максимальное значение 1,5В).
  6. Показанное увеличение показателей тока может привести к перегреву полупроводниковых молекул. Если отведение тепла, происходящее благодаря естественным процессам и работе радиаторов, будет меньше уровня его выделения, то структура молекул может быть разрушена, и этот процесс будет иметь уже необратимый характер. По этой причине, необходимо ограничивать параметры прямого тока, чтобы не допустить перегрева полупроводникового материала. Для этого, в схему добавляются специальные резисторы, имеющие последовательное подключение с диодами.
  7. Исследуя обратную ветвь можно заметить, что если начинает увеличиваться обратное напряжение, которое приложено к p-n-переходу, то фактически незаметен рост параметров тока. Однако в случаях, когда напряжение достигает параметров, превосходящих допустимые нормы, может произойти внезапный скачок показателей обратного тока, что перегреет полупроводник и будет способствовать последующему пробою p-n-перехода.

Основные неисправности диодов

Иногда приборы подобного типа выходят из строя, это может происходить из-за естественной амортизации и старения данных элементов или по иным причинам.

Всего выделяют 3 основных типа распространенных неисправностей:

  1. Пробой перехода приводит к тому, что диод вместо полупроводникового прибора становится по своей сути самым обычным проводником. В таком состоянии он лишается своих основных свойств и начинает пропускать электрический ток в абсолютно любом направлении. Подобная поломка легко выявляется при помощи стандартного мультиметра, который начинает подавать звуковой сигнал и показывать низкий уровень сопротивления в диоде.
  2. При обрыве происходит обратный процесс – прибор вообще перестает пропускать электрический ток в каком-либо направлении, то есть он становится по своей сути изолятором. Для точности определения обрыва, необходимо использовать тестеры с качественными и исправными щупами, в противном случае, они могут иногда ложно диагностировать данную неисправность. У сплавных полупроводниковых разновидностей такая поломка встречается крайне редко.
  3. Утечка, во время которой нарушается герметичность корпуса прибора, вследствие чего он не может исправно функционировать.

Пробой p-n-перехода

Подобные пробои происходят в ситуациях, когда показатели обратного электрического тока начинают внезапно и резко расти, происходит это из-за того, что напряжение соответствующего типа достигает недопустимых высоких значений.

Обычно различается несколько видов:

  1. Тепловые пробои, которые вызваны резким повышением температуры и последующим перегревом.
  2. Электрические пробои, возникающие под воздействием тока на переход.

График вольт-амперной характеристики позволяет наглядно изучать эти процессы и разницу между ними.

Электрический пробой

Последствия, вызываемые электрическими пробоями, не носят необратимого характера, поскольку при них не происходит разрушение самого кристалла. Поэтому при постепенном понижении напряжения можно восстановить всей свойства и рабочие параметры диода.

При этом, пробои такого типа делятся на две разновидности:

  1. Туннельные пробои происходят при прохождении высокого напряжения через узкие переходы, что дает возможность отдельно взятым электронам проскочить через него. Обычно они возникают, если в полупроводниковых молекулах имеется большое количество разных примесей. Во время такого пробоя, обратный ток начинает резко и стремительно расти, а соответствующее напряжение находится на низком уровне.
  2. Лавинные разновидности пробоев возможны благодаря воздействию сильных полей, способных разогнать носителей заряда до предельного уровня из-за чего они вышибают из атомов ряд валентных электронов, которые после этого вылетают в проводимую область. Это явление носит лавинообразный характер, благодаря чему данный вид пробоев и получил такое название.

Тепловой пробой

Возникновение такого пробоя может произойти по двум основным причинам: недостаточный теплоотвод и перегрев p-n-перехода, который происходит из-за протекания через него электрического тока со слишком высокими показателями.

Повышение температурного режима в переходе и соседних областях вызывает следующие последствия:

  1. Рост колебания атомов, входящих в состав кристалла.
  2. Попадание электронов в проводимую зону.
  3. Резкое повышение температуры.
  4. Разрушение и деформация структуры кристалла.
  5. Полный выход из строя и поломка всего радиокомпонента.

Статья была полезна?

0,00 (оценок: 0)

Какой способ подключения диода называют прямым. Понятия и обозначения характеристик. Включение диода в прямом направлении

Существует три вида диодов:

Газонаполненные;

Электровакуумные;

Полупроводниковые диоды, про которые и будет идти речь дальше.

В чистом полупроводнике отсутствуют свободные электроны, поэтому его электропроводность, как и у диэлектрика крайне мала. Если добавить в полупроводник примесь, то проводимость увеличится. Для того чтоб заметить изменение электропроводимости, достаточно в чистый полупроводник добавить очень малое количество примеси – 1 атом примеси на 10 6 атомов полупроводника. Электрическая проводимость любого вещества зависит от наличия в атоме свободных, слабо связанных электронов на внешней орбите.

Если электрон освободился от соседнего атома, то на месте оборванного электрона появилась новая дырка. Электроны двигаются от отрицательного к положительному потенциалу, а дырки можно рассматривать как такие, что двигаются в обратном направлении. Также дырки можно рассматривать как элемент положительного заряда. Примеси, которые образовывают свободные электроны в полупроводнике, называются донорными, а которые делают дырки – акцепторными. Процесс заполнения неполных валентных связей называется рекомбинация.

Рисунок 1 – Проводимость полупроводникового диода

p — n переход – это переходной слой, полученный на границе полупроводников разной проводимости.

Различают два типа перехода:

Плоскостной;

Точечный.

Принцип работы полупроводникового диода основан на особенности p — n перехода — ярко выраженная проводимость, которая зависит от полярности приложенного напряжения (рисунок 1).

На основании представленных характеристик материалов создан полупроводниковый прибор – диод.

Рисунок 2 – Обозначение диода

в электрических схемах – VD .

Основные электрические параметры диода:

1. І ном – максимальное значение действующего тока через диод, которое его не перегревает.

2. Максимальный импульсный ток – І і. max .

3. Обратное максимальное напряжение U обр.


Все полупроводниковые приборы очень чувствительны к примесям в воздухе, поэтому их размещают в герметичном корпусе из стекла или керамики.

Работа диода при прямом приложенном напряжении имеет следующий вид (ток — черная кривая, напряжение — красная):


Рисунок 3 – Ток и напряжение на диоде

С рисунка видно, что при положительном напряжении диод VD открывается и напряжение имеет малое значение, при отрицательном напряжении диод закрывает мгновенно, переставая пропускать через себя ток.

Широко применяются при необходимости преобразования переменного напряжения в постоянное. Выпрямленное напряжение будет иметь пульсирующий вид, как изображено на рисунке 3 – однополупериодное выпрямление, если же применять диодный мост , то будет осуществлено двухполупериодное выпрямление. В полученном пульсирующем напряжении для электрических приборов будет важно действующее значение напряжения . Для трехфазных сетей применяют выпрямитель Ларионова.

Специальные диоды

– разновидность диода, которому характерна вертикально спадающая ВАХ, на которой стабилитрон предназначен продолжительно работать.

Рисунок 4 – Вольт-амперная характеристика (ВАХ) стабилитрона

Предназначается для работы в источниках питания для стабилизации напряжения.

Основные характеристики: U стабилизации , І min , I max – граничные значения тока через стабилитрон.

Туннельный диод – это диод, которому характерно наличие в прямой ветке вольт-амперной характеристики участок с обратным сопротивлением. При увеличении прямого напряжения монотонно увеличивается выходное значение тока. Напряжение пробоя такого полупроводника практически равно нулю.


Рисунок 5 – ВАХ туннельного диода

Используются в схемах переключения и генераторах электрических колебаний.

Динистор – специальный диод, который сохраняет высокое сопротивление до определенного значения прямого напряжения, после чего сопротивление резко спадает и равно величине сопротивления открытого диода.


Рисунок 6 – Вольт-амперная характеристика динистора

Используют в схемах автоматики и генераторах переменно-линейного напряжения.

Варикап – диод, у которого изменяется емкость в зависимости от значения приложенного обратного напряжения.

Рисунок 7 – ВАХ варикапа

Применяются в электрических схемах, где необходима настройка частоты контура колебания, деление или умножение частоты.

Характерные для варикапа параметры:

Общая емкость – измеренная емкость при определенном обратном напряжении;

Коэффициент перекрытия по емкости – при двух некоторых значениях напряжения отношения емкостей варикапа.

Температурный коэффициент емкости – относительное изменение емкости, вызванное сменой температуры.

Предельная частота – та, на которой реактивная составляющая варикапа становится равна активной.

– спец диод, обратная проводимость которого изменяется от величины светового потока Ф.


Рисунок 8 – ВАХ фотодиода

Используются в измерителях светового потока и приборах автоматики.

Светодиод излучает свет при прохождении через него в прямом направлении электрического тока, цвет свечения определяется химическим составом кристалла.

Отличительной особенностью светодиода является экономичность – очень малое потребление тока (2-5мА).

Полупроводниковый диод — самый простой полупроводниковый прибор, состоящий из одного PN перехода. Основная его функция — это проводить электрический ток в одном направлении, и не пропускать его в обратном. Состоит диод из двух слоев полупроводника типов N и P.

На стыке соединения P и N образуется PN-переход (PN-junction). Электрод, подключенный к P, называется анод. Электрод, подключенный к N , называется катод. Диод проводит ток в направлении от анода к катоду, и не проводит обратно.

Диод в состоянии покоя

Посмотрим, что происходит внутри PN-перехода, когда полупроводниковый диод находится в состоянии покоя. То есть тогда, когда ни к аноду, ни к катоду не подключено напряжения.

Итак, в части N имеются в наличии свободные электроны – отрицательно заряженные частицы. В части P находятся положительно заряженные ионы – дырки . В результате, в том месте, где есть частицы с зарядами разных знаков, возникает электрическое поле, притягивающее их друг к другу.

Под действием этого поля свободные электроны из части N дрейфуют через PN переход в часть P и заполняют некоторые дырки. В итоге получается очень слабый электрический ток, измеряемый в наноамперах. В результате, плотность вещества в P части повышается и возникает диффузия (стремление вещества к равномерной концентрации), толкающая частицы обратно на сторону N.

Обратное включение диода

Теперь посмотрим, как у полупроводникового диода получается выполнять свою основную функцию – проводить ток только в одном направлении. Подключим источник питания — плюс к катоду, минус к аноду.

В соответствии с силой притяжения, возникшей между зарядами разной полярности, электроны из N начнут движение к плюсу и отдалятся от PN перехода. Аналогично, дырки из P будут притягиваться к минусу, и также отдалятся от PN перехода. В результате, плотность вещества у электродов повышается. В действие приходит диффузия и начинает толкать частицы обратно, стремясь к равномерной плотности вещества.

Как мы видим, в этом состоянии диод не проводит ток. При повышении напряжения, в PN переходе будет все меньше и меньше заряженных частиц.

Прямое включение диода

Меняем полярность источника питания — плюс к аноду, минус к катоду. В таком положении, между зарядами одинаковой полярности возникает сила отталкивания. Отрицательно заряженные электроны отдаляются от минуса и двигаются сторону pn перехода. В свою очередь, положительно заряженные дырки отталкиваются от плюса и направляются навстречу электорнам. PN переход обогащается заряженными частицами с разной полярностью, между которыми возникает электрическое поле – внутреннее электрическое поле PN перехода . Под его действием электроны начинают дрейфовать на сторону P. Часть из них рекомбинируют с дырками (заполняют место в атомах, где не хватает электрона). Остальные электроны устремляются к плюсу батарейки. Через диод пошел ток I D .

Чтобы не возникло путаницы, напомню, что направление тока на электрических схемах обратно направлению потока электронов.

Недостатки реального полупроводникового диода

На практике, в реальном диоде, при обратном подключении напряжения, возникает очень маленький ток, измеряемый в микро, или наноамперах (в зависимости от модели прибора). В следствии слишком высокого напряжения, может разрушиться кристаллическая структура полупроводника в диоде. В этом случае, прибор начнет хорошо проводить ток также и при обратном смещении. Такое напряжение называется напряжение пробоя . Процесс разрушения структуры полупроводника невосстановим, и прибор приходит в негодность.

При прямом подключении, напряжение между анодом и катодом должно достигнуть определенного значения V ϒ , для того чтобы диод начал хорошо проводить ток. Для кремниевых приборов V ϒ — это примерно 0.7V, а для германиевых — около 0.3V. Более подробно об этом, и других характеристиках полупроводникового выпрямительного диода пойдет речь в статье ВАХ полупроводникового диода .

ССЫЛКИ ПО ТЕМЕ:

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода

Применение диодов

Полупроводники. Часть III. Влияние примесей на проводимость

КОММЕНТАРИИ:

Есть другой способ снижения напряжения на нагрузке, но только для цепей постоянного тока. Про смотри здесь.

Вместо дополнительного резистора используют цепочку из последовательно включенных, в прямом направлении, диодов.

Весь смысл состоит в том, что при протекании тока через диод на нем падает «прямое напряжение» равное, в зависимости от типа диода, мощности и тока протекающего через него — от 0,5 до 1,2 Волта.

На германиевом диоде падает напряжение 0,5 — 0,7 В, на кремниевом от 0,6 до 1,2 Вольта. Исходя из того, на сколько вольт нужно понизить напряжение на нагрузке, включают соответствующее количество диодов.

Чтобы понизить напряжение на 6 В необходимо приблизительно включить: 6 В: 1,0 = 6 штук кремниевых диодов, 6 В: 0,6 = 10 штук германиевых диодов. Наиболее популярны и доступны кремниевые диоды.

Выше приведенная схема с диодами, более громоздка в исполнении, чем с простым резистором. Но, выходное напряжение, в схеме с диодами, более стабильно и слабо зависит от нагрузки. В чем разница между этими двумя способами снижения выходного напряжения?

На Рис 1 — добавочное сопротивление — резистор (проволочное сопротивление), Рис 2 — добавочное сопротивление — диод.

У резистора (проволочного сопротивления) линейная зависимость между током, проходящем через него и падением напряжения на нем. Во сколько раз увеличится ток, во столько же раз увеличится и падение напряжения на резисторе.

Из примера 1: если мы к лампочке подключим параллельно еще одну, то ток в цепи увеличится, с учетом общего сопротивления двух лампочек до 0,66 А. Падение напряжения на добавочном резисторе будет: 12 Ом *0,66 А = 7,92 В. На лампочках останется: 12 В — 7,92 В = 4,08 В. Они будут гореть в пол накала.


Совсем другая картина будет если вместо резистора будет цепочка диодов.

Зависимость между током протекающем через диод и падающем на нем напряжении нелинейная. Ток может увеличиться в несколько раз, падение напряжения на диоде увеличится всего на несколько десятых вольта.

Т.е. чем больше ток диода, тем (сравнительно с резистором) меньше увеличивается его сопротивление. Падение напряжения на диодах мало зависит от тока в цепи.

Диоды в такой цепи выполняют роль стабилизатора напряжения. Диоды необходимо подбирать по максимальному току в цепи. Максимально допустимый ток диодов должен быть больше, чем ток в рассчитываемой цепи.

Падения напряжения на некоторых диодах при токе 0,5 А даны в таблице.

В цепях переменного тока, в качестве добавочного сопротивления можно использовать конденсатор, индуктивность, динистор или тиристор (с добавлением схемы управления).

П олупроводниками являются вещества, занимающие промежуточное положение между проводниками и изоляторами, по своим электропроводящим свойствам.
В полупроводниках, как и в металлах ток представляет из себя упорядоченное движение заряженных частиц.
Однако, вместе с перемещением отрицательных зарядов(электронов) в полупроводниках имеет место упорядоченное перемещение положительных зарядов, т. н. — дырок .

Дырки получаются при участии ионов вещества полупроводника — атомов с сбежавшими электронами. В реальности, ионизированные атомы не покидают своего места, в кристаллической решетке. На самом деле, имеет место поэтапное изменение состояния атомов вещества, когда электроны перескакивают с одного атома, на другой. Возникает процесс, внешне выглядящий, как упорядоченное движение неких условных положительно заряженных частиц — дырок .

В обычном, чистом полупроводнике соотношение дырок и свободных электродов 50%:50%.
Но стоит добавить в полупроводник небольшое количество вещества — примеси, как это соотношение претерпевает значительные изменения. В зависимости от особенностей добавленного вещества полупроводник приобретает либо ярко выраженную электронную проводимость(n-тип), либо его основными носителями становятся дырки(p-тип).

Полупроводниковый переход(p-n) формируется на стыке двух фрагментов полупроводникового материала, имеющих разную проводимость. Он представляет из себя крайне тонкую область, обедненную носителями обоих типов. p-n переход имеет незначительное сопротивление, когда направление тока — прямое, и очень большое, когда направление тока — обратное.

Обычный полупроводниковый диод состоит из одного полупроводникового перехода, снабженного двумя выводами — анодом (положительным электродом) и катодом — отрицательным электродом. Соответственно, диод обладает свойством односторонней проводимости — он хорошо проводит ток в прямом направлении и плохо в обратном.

Что это означает на практике?
Представим себе электрическую цепь, состоящую из батарейки и лампочки накаливания, подключенной последовательно через полупроводниковый диод. Лампочка будет гореть только в том случае, если анод (положительный электрод) подключен к плюсу источника питания (батарейки) а катод (отрицательный электрод) к минусу — через накальную нить лампочки.

Это и является прямым включением полупроводникового диода. Если поменять полярность источника питания, включение диода окажется обратным — лампочка гореть не будет. Обратите внимание как выглядит обозначение полупроводникового диода на схеме — треугольная стрелочка, указывающая прямое включение, совпадает с общепринятым в электротехнике направлением тока — от плюса источника питания, к минусу. Вертикальная черточка примыкающая к ней символизирует преграду для движения тока в обратном направлении.

Существует одно обязательное условие для нормальной работы любого полупроводникового диода. Напряжение источника питания должно превышать некоторый порог (величину потенциала внутреннего смещения p-n перехода). Для выпрямительных диодов он как правило — меньше 1 вольта, для германиевых высокочастотных диодов порядка 0,1 вольта, для светодиодов может превышать 3 вольта. Это свойство полупроводниковых диодов можно использовать при создании низковольтных стабилизированных источников питания.

Если диод подключить обратно и постепенно повышать напряжение источника питания, в некоторый момент обязательно наступит обратный электрический пробой p-n перехода. Диод начнет пропускать ток и в обратном направлении, а переход окажется испорченным. Величина максимального допустимого обратного напряжения (Uобр.и.) широко разнится у различных типов полупроводниковых диодов и является очень важным параметром.

Вторым, не менее важным параметром можно назвать предельное значение прямого тока-Uпр. Этот параметр напрямую зависит от величины падения напряжения на переходе полупроводникового диода, материала полупроводника и теплообменных характеристик корпуса.

Использование каких — либо материалов этой страницы, допускается при наличии ссылки на сайт

Диоды часто именуются «прямыми» и «обратными». С чем это связано? Чем отличается «прямой» диод от «обратного» диода?

Что представляет собой «прямой» диод?

Диод — это полупроводник, имеющий 2 вывода, а именно — анод и катод. Используется он для обработки различными способами электрических сигналов. Например, в целях их выпрямления, стабилизации, преобразования.

Особенность диода в том, что он пропускает ток только в одну сторону. В обратном направлении — нет. Это возможно благодаря тому, что в структуре диода присутствует 2 типа полупроводниковых областей, различающихся по проводимости. Первая условно соответствует аноду, имеющему положительный заряд, носителями которого являются так называемые дырки. Вторая — это катод, имеющий отрицательный заряд, его носители — электроны.

Диод может функционировать в двух режимах:

  • открытом;
  • закрытом.

В первом случае через диод хорошо проходит ток. Во втором режиме — с трудом.

Открыть диод можно посредством прямого включения. Для этого нужно подключить к аноду положительный провод от источника тока, а к катоду — отрицательный.

Прямым также может именоваться напряжение диода. Неофициально — и сам полупроводниковый прибор. Таким образом, «прямым» является не он, а подключение к нему или же напряжение. Но для простоты понимания в электрике «прямым» часто именуется и сам диод.

Что представляет собой «обратный» диод?

Закрывается полупроводник посредством, в свою очередь, обратной подачи напряжения. Для этого нужно поменять полярность проводов от источника тока. Как и в случае с прямым диодом, формируется обратное напряжение. «Обратным» же — по аналогии с предыдущим сценарием — именуется и сам диод.

Сравнение

Главное отличие «прямого» диода от «обратного» диода — в способе подачи тока на полупроводник. Если он подается в целях открытия диода, то полупроводник становится «прямым». Если полярность проводов от источника тока меняется — то полупроводник закрывается и становится «обратным».

Рассмотрев, в чем разница между «прямым» диодом и «обратным» диодом, отразим основные выводы в таблице.

Диоды. Устройство и работа. Характеристики и особенности

Самым простым по конструкции в семействе полупроводников являются диоды, имеющие в конструкции всего два электрода, между которыми существует проводимость электрического тока в одну сторону. Такой вид проводимости в полупроводниках создается благодаря их внутреннему устройству.

Особенности устройства

Не зная конструктивных особенностей диода, нельзя понять его принципа действия. Структура диода состоит из двух слоев с проводимостью различного вида.

Диод состоит из следующих основных элементов:
  • Корпус. Выполняется в виде вакуумного баллона, материалом которого может быть керамика, металл, стекло и другие прочные материалы.
  • Катод. Он расположен внутри баллона, служит для образования эмиссии электронов. Наиболее простым устройством катода является тонкая нить, раскаляющаяся в процессе действия. Современные диоды оснащены косвенно накаляющимися электродами, которые выполнены в виде металлических цилиндров со свойством активного слоя, имеющего возможность испускать электроны.
  • Подогреватель. Это особый элемент в виде нити, раскаляющейся от электрического тока. Подогреватель расположен внутри косвенно накаляющегося катода.
  • Анод. Это второй электрод диода, служащий для приема электронов, вылетевших от катода. Анод имеет положительный потенциал, по сравнению с катодом. Форма анода чаще всего так же, как и катода, цилиндрическая. Оба электрода аналогичны эмиттеру и базе полупроводников.
  • Кристалл. Его материалом изготовления является германий или кремний. Одна часть кристалла имеет р-тип с недостатком электронов. Другая часть кристалла имеет n-тип проводимости с избытком электронов. Граница, расположенная между этими двумя частями кристалла, называется р-n переходом.

Эти особенности конструкции диода позволяют ему проводить ток в одном направлении.

Принцип действия

Работа диода характеризуется его различными состояниями, и свойствами полупроводника при нахождении в этих состояниях. Рассмотрим подробнее основные виды подключений диодов, и какие процессы происходят внутри полупроводника.

Диоды в состоянии покоя

Если диод не подключен к цепи, то внутри него все равно происходят своеобразные процессы. В районе «n» есть излишек электронов, что создает отрицательный потенциал. В области «р» сконцентрирован положительный заряд. Совместно такие заряды создают электрическое поле.

Так как заряды с разными знаками притягиваются, то электроны из «n» проходят в «р», при этом заполняют дырки. В итоге таких процессов в полупроводнике появляется очень слабый ток, увеличивается плотность вещества в области «р» до определенного значения. При этом частицы расходятся по объему пространства равномерно, то есть, происходит медленная диффузия. Вследствие этого электроны возвращаются в область «n».

Для многих электрических устройств направление тока не имеет особого значения, все работает нормально. Для диода же, большое значение имеет направление протекания тока. Основной задачей диода является пропускание тока в одном направлении, чему благоприятствует переход р-n.

Обратное включение

Если диоды подсоединять к питанию по изображенной схеме, то ток не будет проходить через р-n переход. К области «n» подсоединен положительный полюс питания, а к «р» — минусовой. В итоге электроны от области «n» переходят к плюсовому полюсу питания. Дырки притягиваются минусовым полюсом. На переходе возникает пустота, носители заряда отсутствуют.

При повышении напряжения дырки и электроны осуществляют притягивание сильнее, и на переходе нет носителей заряда. При обратной схеме включения диода ток не проходит.

Повышение плотности вещества возле полюсов создает диффузию, то есть, стремление к распределению вещества по объему. Это возникает при выключении питания.

Обратный ток

Вспомним о работе неосновных переносчиков заряда. При запертом диоде, через него проходит малая величина обратного тока. Он и образуется от неосновных носителей, двигающихся в обратном направлении. Такое движение возникает при обратной полярности питания. Обратный ток обычно незначительный, так как число неосновных носителей очень мало.

При возрастании температуры кристалла их число повышается и обуславливает повышение обратного тока, что обычно приводит к повреждению перехода. Для того, чтобы ограничить температуру работы полупроводников, их корпус монтируют на теплоотводящие радиаторы охлаждения.

Прямое включение

Поменяем местами полюса питания между катодом и анодом. На стороне «n» электроны будут отходить от отрицательного полюса, и проходить к переходу. На стороне «р» дырки, имеющие положительный заряд, оттолкнутся от положительного вывода питания. Поэтому электроны и дырки начнут стремительное движение друг к другу.

Частицы с разными зарядами скапливаются возле перехода, и между ними образуется электрическое поле. Электроны проходят через р-n переход и двигаются в область «р». Часть электронов рекомбинирует с дырками, а остальные проходят к положительному полюсу питания. Возникает прямой ток диода, который имеет ограничения его свойствами. При превышении этой величины диод может выйти из строя.

При прямой схеме диода, его сопротивление незначительное, в отличие от обратной схемы. Считается, что обратно ток по диоду не проходит. В результате мы выяснили, что диоды работают по принципу вентиля: повернул ручку влево – вода течет, вправо – нет воды. Поэтому их еще называют полупроводниковыми вентилями.

Прямое и обратное напряжение

Во время открытия диода, на нем имеется прямое напряжение. Обратным напряжением считается величина во время закрытия диода и прохождения через него обратного тока. Сопротивление диода при прямом напряжении очень мало, в отличие от обратного напряжения, возрастающего до тысяч кОм. В этом можно убедиться путем измерения мультиметром.

Сопротивление полупроводникового кристалла может изменяться в зависимости от напряжения. При увеличении этого значения сопротивление снижается, и наоборот.

Если диоды использовать в работе с переменным током, то при плюсовой полуволне синуса напряжения он будет открыт, а при минусовой – закрыт. Такое свойство диодов применяют для выпрямления напряжения. Поэтому такие устройства называются выпрямителями.

Характеристика диодов

Характеристика диода выражается графиком, на котором видна зависимость тока, напряжения и его полярности. Вертикальная ось координат в верхней части определяет прямой ток, в нижней части – обратный.

Горизонтальная ось справа обозначает прямое напряжение, слева – обратное. Прямая ветка графика выражает ток пропускания диода, проходит рядом с вертикальной осью, так как выражает повышение прямого тока.

Вторая ветка графика показывает ток при закрытом диоде, и проходит параллельно горизонтальной оси. Чем круче график, тем лучше диод выпрямляет ток. После возрастания прямого напряжения, медленно повышается ток. Достигнув области скачка, его величина резко нарастает.

На обратной ветви графика видно, что при повышении обратного напряжения, величина тока практически не возрастает. Но, при достижении границ допустимых норм происходит резкий скачок обратного тока. Вследствие этого диод перегреется и выйдет из строя.

Похожие темы:

Диоды выпрямительные, принцип работы, характеристики, схемы подключения

электрика, сигнализация, видеонаблюдение, контроль доступа (СКУД) и другие инженерно технические системы (ИТС)

Принцип работы, основные характеристики полупроводниковых выпрямительных диодов можно рассмотреть используя их вольтамперную характеристику (ВАХ), которая схематично представлена на рисунке 1.

Она имеет две ветви, соответствующие прямому и обратному включению диода.

При прямом включении выпрямительного диода ощутимый ток через него начинает протекать при достижении на диоде определенного напряжения Uоткр. Этот ток называется прямым Iпр. Его изменения на напряжение Uоткр влияют слабо, поэтому для большинства расчетов можно принять его значение:

  • 0,7 Вольт для кремниевых диодов,
  • 0,3 Вольт — для германиевых.

Естественно, прямой ток диода до бесконечности увеличивать нельзя, при его определенном значении Iпр.макс этот полупроводниковый прибор выйдет из строя. Кстати, существуют две основные неисправности полупроводниковых диодов:

  • пробой — диод начинает проводить ток в любом направлении, то есть станет обычным проводником. Причем, сначала наступает тепловой пробой (это состояние обратимо), затем электрический (после этого диод можно смело выбрасывать),
  • обрыв — здесь, думаю, пояснения излишни.

Если диод подключить в обратном направлении, через него будет протекать незначительный обратный ток Iобр, которым, как правило, можно пренебречь. При достижении определенного значения обратного напряжения Uобр обратный ток резко увеличивается, прибор, опять же, выходит из строя.

Числовые значения рассмотренных параметров для каждого типа диода индивидуальны и являются его основными электрическими характеристиками. Должен заметить, что существует ряд других параметров (собственная емкость, различные температурные коэффициенты и пр.), но для начала хватит перечисленных.

Здесь предлагаю закончить с чистой теорией и рассмотреть некоторые практические схемы.

СХЕМЫ ПОДКЛЮЧЕНИЯ ДИОДОВ

Для начала давайте рассмотрим как работает диод в цепи постоянного (рис.2) и переменного (рис.3) тока, что следует учитывать при том или ином включении диодов.

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

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

Uн=U-Uоткр — см. начало статьи. Иногда величиной Uоткр можно пренебречь, бывают случаи, когда ее необходимо учитывать, например при расчете схемы подключения светодиода.

При включении диода в цепь переменного тока, помимо прочего, на нем периодически возникает обратное напряжение Uобр. Имейте в виду, следует учитывать его амплитудное значение (Для Uпр, кстати, тоже). Например, для бытовой электрической сети привычное всем напряжение 220В является действующим, а его амплитудное значение составляет 380В. Подробнее про это можно посмотреть на этой странице.

Это самое основное, про что надо помнить.

Теперь — несколько схем подключения диодов, часто встречающихся на практике.

Вне всякого сомнения, лидером здесь является мостовая схема диодов, используемая во всевозможных выпрямителях (рисунок 4). Выглядеть она может по разному, принцип действия одинаков, думаю из рисунка все ясно. Кстати, последний вариант — условное обозначение диодного моста в целом. Применяется для упрощения обозначения двух предыдущих схем.

Далее несколько менее очевидных схем (для постоянного тока):

  1. Диоды могут выступать как «развязывающие» элементы. Управляющие сигналы Упр1 и Упр2 объединяются в точке А, причем взаимное влияние их источников друг на друга отсутствует. Кстати, это простейший вариант реализации логической схемы «или».
  2. Защита от переполюсовки (жаргонное — «защита от дураков»). Если существует возможность неправильного подключения полярности напряжения питания эта схема защищает устройство от выхода из строя.
  3. Автоматический переход на питание от внешнего источника. Поскольку диод «открывается», когда напряжение на нем достигнет Uоткр, то при Uвнеш <Uвн+Uоткр питание осуществляется от внутреннего источника, иначе — подключается внешний.

© 2012-2021 г. Все права защищены.

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


Правильная схема подключения светодиодов: последовательно или параллельно

Самое правильное подключение нескольких светодиодов — последовательное. Сейчас объясню почему.

Дело в том, что определяющим параметром любого светодиода является его рабочий ток. Именно от тока через светодиод зависит то, какова будет мощность (а значит и яркость) светодиода. Именно превышение максимального тока приводит к чрезмерному повышению температуры кристалла и выходу светодиода из строя — быстрому перегоранию либо постепенному необратимому разрушению (деградации).

Ток — это главное. Он указан в технических характеристиках светодиода (datasheet). А уже в зависимости от тока, на светодиоде будет то или иное напряжение. Напряжение тоже можно найти в справочных данных, но его, как правило, указывают в виде некоторого диапазона, потому что оно вторично.

Для примера, заглянем в даташит светодиода 2835:

Как видите, прямой ток указан четко и определенно — 180 мА. А вот напряжение питания светодиодов при таком токе имеет некоторый разброс — от 2.9 до 3.3 Вольта.

Получается, что для того, чтобы задать требуемый режим работы светодиода, нужно обеспечить протекание через него тока определенной величины. Следовательно, для питания светодиодов нужно использовать источник тока, а не напряжения.

Источник тока (или генератор тока) — источник электрической энергии, который поддерживает постоянное значение силы тока через нагрузку с помощью изменения напряжения на своем выходе. Если сопротивление нагрузки, например, возрастает, источник тока автоматически повышает напряжение таким образом, чтобы ток через нагрузку остался неизменным и наоборот. Источники тока, которыми запитывают светодиоды, еще называют драйверами.

Конечно, к светодиоду можно подключить источник стабилизированного напряжения (например, выход лабораторного блока питания), но тогда нужно точно знать какой величины должно быть напряжение для получения заданного тока через светодиод.

Например, в нашем примере со светодиодом 2835, можно было бы подать на него где-то 2.5 В и постепенно повышать напругу до тех пор, пока ток не станет оптимальным (150-180 мА).

Так делать можно, но в этом случае придется настраивать выходное напряжение блока питания под каждый конкретный светодиод, т.к. все они имеют технологический разброс параметров. Если, подключив к одному светодиоду 3.1В, вы получили максимальный ток в 180 мА, то это не значит, что поменяв светодиод на точно такой же из той же партии, вы не сожжёте его (т.к. ток через него при напряжении 3.1В запросто может превысить максимально допустимое значение).

К тому же необходимо очень точно поддерживать напряжение на выходе блока питания, что накладывает определенные требования к его схемотехнике. Превышение заданного напряжения всего на 10% почти гарантированно приведет к перегреву и выходу светодиода из строя, так как ток при этом превысит все мыслимые значения.

Вот прекрасная иллюстрация к вышесказанному:

А самое неприятное то, что проводимость любого светодиода (который по сути является p-n-переходом) находится в очень сильной зависимости от температуры. На практике это приводит к тому, что по мере разогрева светодиода, ток через него начинает неумолимо возрастать. Чтобы вернуть ток к требуемому значению, придется понижать напряжение. В общем, как ни крути, а без контроля тока никак не обойтись.

Поэтому самым правильным и простым решением будет использовать для подключения светодиодов драйвера тока (он же источник тока). И тогда будет совершенно неважно, какой вы возьмете светодиод и каким будет прямое напряжение на нем. Нужно просто найти драйвер на нужный ток и дело в шляпе.

Теперь, возвращаемся к главному вопросу статьи — почему все-таки последовательное подключение, а не параллельное? Давайте посмотрим, в чем разница.

Параллельное подключение

При параллельном подключении светодиодов, напряжение на них будет одинаковым. А так как не существует двух диодов с абсолютно одинаковыми характеристиками, то будет наблюдаться следующая картина: через какой-то светодиод будет идти ток ниже номинального (и светить он будет так себе), зато через соседний светодиод будет херачить ток в два раза превышающий максимальный и через полчаса он сгорит (а может и быстрее, если повезет).

Очевидно, что такого неравномерного распределения мощностей нужно избегать.

Для того, чтобы существенно сгладить разброс в ТТХ светодиодов, лучше подключать их через ограничительные резисторы. Напряжение блока питания при этом может быть существенно выше прямого напряжения на светодиодах. Как подключать светодиоды к источнику питания показано на схеме:

Проблема такой схемы подключения светодиода в том, что чем больше разница между напряжением блока питания и напряжением на диодах, тем больше бесполезной мощности рассеивается на ограничительных резисторах и тем, соответственно, ниже КПД всей схемы.

Ограничение тока происходит по простой схеме: повышение тока через светодиод приводит к повышению тока и через резистор тоже (т.к. они включены последовательно). На резисторе увеличивается падение напряжения, а на светодиоде, соответственно, уменьшается (т.к. общее напряжение постоянно). Уменьшение напряжения на светодиоде автоматически приводит к снижению тока. Так все и работает.

В общем, сопротивление резисторов рассчитывается по закону Ома. Разберем на конкретном примере. Допустим, у нас есть светодиод с номинальным током 70 мА, рабочее напряжение при таком ток равно 3.6 В (это все берем из даташита к светодиоду). И нам нужно подключить его к 12 вольтам. Значит, нам нужно рассчитать сопротивление резистора:

Получается, что для питания светодиода от 12 вольт нужно подключить его через 1-ваттный резистор на 120 Ом.

Точно таким же образом, можно посчитать, каким должно быть сопротивление резистора под любое напряжение. Например, для подключение светодиода к 5 вольтам сопротивление резистора надо уменьшить до 24 Ом.

Значения резисторов под другие токи можно взять из таблицы (расчет производился для светодиодов с прямым напряжением 3.3 вольта):

Uпит ILED
5 мА 10 мА 20 мА 30 мА 50 мА 70 мА 100 мА 200 мА 300 мА
5 вольт 340 Ом 170 Ом 85 Ом 57 Ом 34 Ом 24 Ом 17 Ом 8.5 Ом 5.7 Ом
12 вольт 1.74 кОм 870 Ом 435 Ом 290 Ом 174 Ом 124 Ом 87 Ом 43 Ом 29 Ом
24 вольта 4.14 кОм 2.07 кОм 1.06 кОм 690 Ом 414 Ом 296 Ом 207 Ом 103 Ом 69 Ом

При подключении светодиода к переменному напряжению (например, к сети 220 вольт), можно повысить КПД устройства, взяв вместо балластного резистора (активного сопротивления) неполярный конденсатор (реактивное сопротивление). Подробно и с конкретными примерами мы разбирали этот момент в статье про подключение светодиода к 220 В.

Последовательное подключение

При последовательном же подключении светодиодов через них протекает один и тот же ток. Количество светодиодов не имеет значение, это может быть всего один светодиод, а может быть 20 или даже 100 штук.

Например, мы можем взять один светодиод 2835 и подключить его к драйверу на 180 мА и светодиод будет работать в нормальном режиме, отдавая свою максимальную мощность. А можем взять гирлянду из 10 таких же светодиодов и тогда каждый светодиод также будет работать в нормальном паспортном режиме (но общая мощность светильника, конечно, будет в 10 раз больше).

Ниже показаны две схемы включения светодиодов, обратите внимание на разницу напряжений на выходе драйвера:

Так что на вопрос, каким должно быть подключение светодиодов, последовательным или параллельным, может быть только один правильный ответ — конечно, последовательным!

Количество последовательно подключенных светодиодов ограничено только возможностями самого драйвера.

Идеальный драйвер может бесконечно повышать напряжение на своем выходе, чтобы обеспечить нужный ток через нагрузку, поэтому к нему можно подключить бесконечное количество светодиодов. Ну а реальные устройства, к сожалению, имеют ограничение по напряжению не только сверху, но и снизу.

Вот пример готового устройства:

Мы видим, что драйвер способен регулировать выходное напряжение только лишь в пределах 64…106 вольт. Если для поддержания заданного тока (350 мА) нужно будет поднять напряжение выше 106 вольт, то облом. Драйвер выдаст свой максимум (106В), а уж какой при этом будет ток — это от него уже не зависит.

И, наоборот, к такому led-драйверу нельзя подключать слишком мало светодиодов. Например, если подключить к нему цепочку из 10-ти последовательно включенных светодиодов, драйвер никак не сможет понизить свое выходное напряжение до необходимых 32-36В. И все десять светодидов, скорее всего, просто сгорят.

Наличие минимального напряжения объясняется (в зависимости от схемотехнического решения) ограничениями мощности выходного регулирующего элемента либо выходом за предельные режимы генерации импульсного преобразователя.

Разумеется, драйверы могут быть на любое входное напряжение, не обязательно на 220 вольт. Вот, например, драйвер превращающий любой источник постоянного напряжения (блок питания) от 6 до 20 вольт в источник тока на 3 А:

Вот и все. Теперь вы знаете, как включить светодиод (один или несколько) — либо через токоограничительный резистор, либо через токозадающий драйвер.

Как выбрать нужный драйвер?

Тут все очень просто. Выбирать нужно всего лишь по трем параметрам:

  1. выходной ток;
  2. максимальное выходное напряжение;
  3. минимальное выходное напряжение.

Выходной (рабочий) ток драйвера светодиодов — это самая важная характеристика. Ток должен быть равен оптимальному току для светодиодов.

Например, в нашем распоряжении оказалось 10 штук полноспектральных светодиодов для фитолампы:

Номинальный ток этих диодов — 700 мА (берется из справочника). Следовательно, нам нужен драйвер тока на 700 мА. Ну или чуточку меньше, чтобы продлить срок жизни светодиодов.

Максимальное выходное напряжение драйвера должно быть больше, чем суммарное прямое напряжение всех светодиодов. Для наших фитосветодиодов прямое напряжение лежит в диапазоне 3…4 вольта. Берем по-максимуму: 4В х 10 = 40В. Наш драйвер должен быть в состоянии выдать не менее 40 вольт.

Минимальное напряжение, соответственно, рассчитывается по минимальному значению прямого напряжения на светодиодах. То есть оно должно быть не более 3В х 10 = 30 Вольт. Другими словами, наш драйвер должен уметь снижать выходное напряжение до 30 вольт (или ниже).

Таким образом, нам нужно подобрать схему драйвера, рассчитанного на ток 650 мА (пусть будет чуть меньше номинального) и способного по необходимости выдавать напряжение в диапазоне от 30 до 40 вольт.

Следовательно, для наших целей подойдет что-нибудь вроде этого:

Разумеется, при выборе драйвера диапазон напряжений всегда можно расширять в любую сторону. Например, вместо драйвера с выходом на 30-40 В прекрасно подойдет тот, который выдает от 20 до 70 Вольт.

Примеры драйверов, идеально совместимых с различными типами светодиодов, приведены в таблице:

Светодиоды Какой нужен драйвер
60 мА, 0.2 Вт (smd 5050, 2835) см. схему на TL431
150мА, 0.5Вт (smd 2835, 5630, 5730) драйвер 150mA, 9-34V (можно одновременно подключить от 3 до 10 светодиодов)
300 мА, 1 Вт (smd 3528, 3535, 5730-1, LED 1W) драйверы 300мА, 3-64V (на 1-24 последовательно включенных светодиода)
700 мА, 3 Вт (led 3W, фитосветодиоды) драйвер 700мА (для 6-10 светодиодов)
3000 мА, 10 Ватт (XML2 T6) драйвер 3A, 21-34V (на 7-10 светодиодов) или см. схему

Кстати, для правильного подключения светодиодов вовсе не обязательно покупать готовый драйвер, можно просто взять какой-нибудь подходящий блок питания (например, зарядник от телефона) и прикрутить к нему простейший стабилизатор тока на одном транзисторе или на LM317.

Готовые схемы стабилизаторов тока для светодиодов можно взять из этой статьи.

Полупроводниковые диоды

 

3.7. Полупроводниковые диоды

 

1. Электронно-дырочный переход

Основным элементом большинства полупроводниковых приборов является электронно-дырочный переход (p-n переход) – область на границе двух полупроводников с электронный и дырочной проводимостью.

При отсутствии внешнего электрического поля за счет теплового движения носители заряда будут диффундировать из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией: электроны из n области переходят в р область, дырки – в обратном направлении (см. рисунок 3.26а, где темными кружками изображены электроны, светлыми – дырки). В результате ухода электронов в n области остаются положительные ионы донорной примеси, а в результате ухода дырок в p области остаются отрицательные ионы акцепторной примеси. Кроме этого, электроны, пришедшие в р область, рекомбинируют с дырками, образуя отрицательные ионы. Аналогично, дырки в n области рекомбинируют с электронами, образуя положительные ионы.

В результате на границе между областями образуется двойной слой разноименно заряженных ионов (на рисунке ионы показаны кружками с плюсом и минусом). Этот слой называется запирающим. Он обеднен основными носителями заряда и обладает большим сопротивлением по сравнению с сопротивлением n и p областей.

 Между образовавшимися объемными зарядами существует электрическое поле с разностью потенциалов 0,3-0,7 В (контактная разность потенциалов). Напряженность этого поля Ек направлена из n области в  р область (рис. 3.26а).

Она препятствует дальнейшей диффузии основных носителей заряда и способствует переходу неосновных носителей в соседнюю область. Для основных носителей в этом случае возникает потенциальный барьер, высота которого равна контактной разности потенциалов.

Электрический ток, созданный диффузией основных носителей через переход, называется диффузионным. Электрический ток, созданный движением неосновных носителей под действием электрического поля, называется дрейфовым. Эти токи направлены в разные стороны и в отсутствие внешнего электрического поля компенсируют друг друга. Поэтому полный ток через переход равен нулю.

 

2. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода

Полупроводниковый диод представляет собой кристалл с электронно-дырочным переходом, к противоположным областям которого присоединены контакты для включения в цепь. Рассмотрим процессы протекания тока через диод при различной полярности внешнего напряжения.

Сначала подключим положительный полюс источника напряжения к области р-типа, а отрицательный – к области n-типа (прямое подключение) и будем постепенно увеличивать подаваемое напряжение (рис. 3.26 б). Напряженность внешнего электрического поля Епр направлена противоположно напряженности электрического поля запирающего слоя Ек, высота потенциального барьера понижается, что способствует движению основных носителей заряда через переход. Сопротивление перехода резко уменьшается и уже при напряжении десятые доли вольта запирающий слой (и, соответственно, потенциальный барьер) практически исчезает. Поэтому на начальном участке прямая ветвь вольт-амперной характеристики (зависимость силы тока в элементе от приложенного к нему напряжения) полупроводникового диода имеет значительную нелинейность, а затем становится почти линейной (рис. 3.27а). Небольшая нелинейность здесь объясняется тем, что при увеличении силы тока n и p области нагреваются и их сопротивление уменьшается (за счет генерации основных носителей заряда). У германиевых диодов рост тока начинается уже при напряжении около 0,1 В, а у кремниевых – около 0,5 В (рис. 3.27а).

При повышении температуры происходит разрыв ковалентных связей в полупроводниках, что приводит к увеличению концентрации носителей и, соответственно, уменьшению сопротивления. Поэтому при повышении температуры прямая ветвь вольт-амперной характеристики приближается к оси силы тока (рис. 3.28).

Если к диоду приложить напряжение обратной полярности (обратное подключение), то направление напряженности внешнего поля совпадет с направлением напряженности запирающего электрического слоя (рис. 3.26 в). Результирующее поле усиливается (потенциальный барьер повышается). Толщина запирающего слоя, а, следовательно, и сопротивление перехода значительно увеличивается. Это приводит к почти полному прекращению тока основных носителей и почти не увеличивает ток неосновных носителей, поскольку их число ограничено. В результате при увеличении обратного напряжения обратный ток через переход сначала резко увеличивается (за счет уменьшения тока основных носителей, направленного навстречу току неосновных), а затем практически не изменяется (рис. 3.27б). Рост обратного тока происходит за счет нагрева перехода током, а также за счет увеличения числа носителей заряда в результате ударной ионизации (при высоком обратном напряжении электроны приобретают большую скорость и энергию, достаточную для выбивания из атомов кристаллической решетки новых электронов).

Обратный ток сильно зависит от температуры и у германиевых диодов он значительно больше, чем у кремниевых. Поэтому германиевые диоды можно использовать как датчики температуры при их обратном включении.

При некотором значении обратного напряжения возникает электрический пробой p-n перехода (при нем еще не происходит разрушения структуры вещества). Сопротивление запирающего слоя значительно уменьшается и обратный ток резко возрастает (участок А-Б-В на рисунке 3.27б). Могут существовать два вида электрического пробоя – лавинный и туннельный. Лавинный пробой происходит за счет лавинного увеличения числа носителей в результате ударной ионизации. Он характерен для p-n переходов большой толщины, получающихся при малой концентрации примесей в полупроводниках. В тонких переходах возможен туннельный пробой за счет туннельного эффекта. Работа диода в режиме электрического пробоя используется в специальных типах диодов – полупроводниковых стабилитронах.

При дальнейшем увеличении напряжения возникает  тепловой пробой перехода (участок В-Г). При протекании большого обратного тока в переходе выделяется количество теплоты больше того, которое отводится от перехода. Поэтому температура перехода увеличивается, сопротивление уменьшается и ток еще больше возрастает. Переход перегревается и вещество разрушается.

Анализ прямого и обратного подключения диода к источнику напряжения позволяет сделать вывод, что полупроводниковый диод хорошо проводит ток в прямом направлении и очень плохо в обратном. Это свойство диода позволяет применять его для выпрямления переменного тока.

 

3. Проверка исправности и определение выводов диодов

Проверка исправности полупроводниковых диодов может осуществляться с помощью омметра. Для этого измеряют сопротивление диода, подключая его к омметру сначала в одном направлении, затем в обратном. Как указывалось выше, при подключении диода в прямом направлении его сопротивление малое, в обратном направлении – очень большое. У неисправного диода сопротивление в обоих случаях равно нулю или бесконечности.

По аналогии с выводами вакуумного диода выводы полупроводникового диода также называют катодом и анодом. Катод – это вывод от области n типа, а анод – вывод от области p типа. На корпусе больших диодов изображают условное обозначение диода, на корпусе малых диодов делают специальную отметку, позволяющую найти вывод анода. Полярность диода можно определить экспериментально с помощью омметра. Для этого нужно знать, какой вывод внутреннего источника питания омметра подключен к гнезду «общ». Это можно определить с помощью диода с маркированной полярностью или вольтметра.

Для определения выводов диода необходимо подключить его к омметру в прямом направлении (чтобы сопротивление было малым) и посмотреть, какой вывод диода подключен к проводу омметра, соединенному с положительным полюсом внутреннего источника питания. Этот вывод диода и будет анодом.

 

Диоды шоттки как подключить

Обозначение, применение и параметры диодов Шоттки

К многочисленному семейству полупроводниковых диодов названных по фамилиям учёных, которые открыли необычный эффект, можно добавить ещё один. Это диод Шоттки.

Немецкий физик Вальтер Шоттка открыл и изучил так называемый барьерный эффект возникающий при определённой технологии создания перехода металл-полупроводник.

Основной «фишкой» диода Шоттки является то, что в отличие от обычных диодов на основе p-n перехода, здесь используется переход металл-полупроводник, который ещё называют барьером Шоттки. Этот барьер, так же, как и полупроводниковый p-n переход, обладает свойством односторонней электропроводимости и рядом отличительных свойств.

В качестве материала для изготовления диодов с барьером Шоттки преимущественно используется кремний (Si) и арсенид галлия (GaAs), а также такие металлы как золото, серебро, платина, палладий и вольфрам.

На принципиальных схемах диод Шоттки изображается вот так.

Как видим, его изображение несколько отличается от обозначения обычного полупроводникового диода.

Кроме такого обозначения на схемах можно встретить и изображение сдвоенного диода Шоттки (сборки).

Сдвоенный диод – это два диода смонтированных в одном общем корпусе. Выводы катодов или анодов у них объединены. Поэтому такая сборка, как правило, имеет три вывода. В импульсных блоках питания обычно применяются сборки с общим катодом.

Так как два диода размещены в одном корпусе и выполнены в едином технологическом процессе, то их параметры очень близки. Поскольку они размещены в едином корпусе, то и температурный режим их одинаков. Это увеличивает надёжность и срок службы элемента.

У диодов Шоттки есть два положительных качества: весьма малое прямое падение напряжения (0,2-0,4 вольта) на переходе и очень высокое быстродействие.

К сожалению, такое малое падение напряжения проявляется при приложенном напряжении не более 50-60 вольт. При дальнейшем его повышении диод Шоттки ведёт себя как обычный кремниевый выпрямительный диод. Максимальное обратное напряжение для Шоттки обычно не превышает 250 вольт, хотя в продаже можно встретить образцы, рассчитанные и на 1,2 киловольта (VS-10ETS12-M3).

Так, сдвоенный диод Шоттки (Schottky rectifier) 60CPQ150 рассчитан на максимальное обратное напряжение 150V, а каждый из диодов сборки способен пропустить в прямом включении 30 ампер!

Также можно встретить образцы, выпрямленный за полупериод ток которых может достигать 400А максимум! Примером может служит модель VS-400CNQ045.

Очень часто в принципиальных схемах сложное графическое изображение катода попросту опускают и изображают диод Шоттки как обычный диод. А тип применяемого элемента указывают в спецификации.

К недостаткам диодов с барьером Шоттки можно отнести то, что даже при кратковременном превышении обратного напряжения они мгновенно выходят из строя и главное необратимо. В то время как кремниевые силовые вентили после прекращения действия превышенного напряжения прекрасно самовосстанавливаются и продолжают работать. Кроме того обратный ток диодов очень сильно зависит от температуры перехода. На большом обратном токе возникает тепловой пробой.

К положительным качествам диодов Шоттки кроме высокого быстродействия, а, следовательно, малого времени восстановления можно отнести малую ёмкость перехода (барьера), что позволяет повысить рабочую частоту. Это позволяет использовать их в импульсных выпрямителях на частотах в сотни килогерц. Очень много диодов Шоттки находят своё применение в интегральной микроэлектронике. Выполненные по нано технологии диоды Шоттки входят в состав интегральных схем, где они шунтируют переходы транзисторов для повышения быстродействия.

В радиолюбительской практике прижились диоды Шоттки серии 1N581x (1N5817, 1N5818, 1N5819). Все они рассчитаны на максимальный прямой ток (IF(AV)) – 1 ампер и обратное напряжение (VRRM) от 20 до 40 вольт. Падение напряжения (VF) на переходе составляет от 0,45 до 0,55 вольт. Как уже говорилось, прямое падение напряжения (Forward voltage drop) у диодов с барьером Шоттки очень мало.

Также достаточно известным элементом является 1N5822. Он рассчитан на прямой ток в 3 ампера и выполнен в корпусе DO-201AD.

Также на печатных платах можно встретить диоды серии SK12 – SK16 для поверхностного монтажа. Они имеют довольно небольшие размеры. Несмотря на это SK12-SK16 выдерживают прямой ток до 1 ампера при обратном напряжении 20 – 60 вольт. Прямое падение напряжения составляет 0,55 вольт (для SK12, SK13, SK14) и 0,7 вольт (для SK15, SK16). Также на практике можно встретить диоды серии SK32 – SK310, например, SK36, который рассчитан на прямой ток 3 ампера.

Применение диодов Шоттки в источниках питания.

Диоды Шоттки активно применяются в блоках питания компьютеров и импульсных стабилизаторах напряжения. Среди низковольтных питающих напряжений самыми сильноточными (десятки ампер) являются напряжения +3,3 вольта и +5,0 вольт. Именно в этих вторичных источниках питания и используются диоды с барьером Шоттки. Чаще всего используются трёхвыводные сборки с общим катодом. Именно применение сборок может считаться признаком высококачественного и технологичного блока питания.

Выход из строя диодов Шоттки одна из наиболее часто встречающихся неисправностей в импульсных блоках питания. У него может быть два «дохлых» состояния: чистый электрический пробой и утечка. При наличии одного из этих состояний блок питания компьютера блокируется, так как срабатывает защита. Но это может происходить по-разному.

В первом случае все вторичные напряжения отсутствуют. Защита заблокировала блок питания. Во втором случае вентилятор «подёргивается» и на выходе источников питания периодически то появляются пульсации напряжения, то пропадают.

То есть схема защиты периодически срабатывает, но полной блокировки источника питания при этом не происходит. Диоды Шоттки гарантированно вышли из строя, если радиатор, на котором они установлены, разогрет очень сильно до появления неприятного запаха. И последний вариант диагностики связанный с утечкой: при увеличении нагрузки на центральный процессор в мультипрограммном режиме блок питания самопроизвольно отключается.

Следует иметь в виду, что при профессиональном ремонте блока питания после замены вторичных диодов, особенно с подозрением на утечку, следует проверить все силовые транзисторы выполняющие функцию ключей и наоборот: после замены ключевых транзисторов проверка вторичных диодов является обязательной процедурой. Всегда необходимо руководствоваться принципом: беда одна не приходит.

Проверка диодов Шоттки мультиметром.

Проверить диод Шоттки можно с помощью рядового мультиметра. Методика такая же, как и при проверке обычного полупроводникового диода с p-n переходом. Но и тут есть подводные камни. Особенно трудно проверить диод с утечкой. Прежде всего, элемент необходимо выпаять из схемы для более точной проверки. Достаточно легко определить полностью пробитый диод. На всех пределах измерения сопротивления неисправный элемент будет иметь бесконечно малое сопротивление, как в прямом, так и в обратном включении. Это равносильно короткому замыканию.

Сложнее проверить диод с подозрением на «утечку». Если проводить проверку мультиметром DT-830 в режиме «диод», то мы увидим совершенно исправный элемент. Можно попробовать измерить в режиме омметра его обратное сопротивление. На пределе «20кОм» обратное сопротивление определяется как бесконечно большое. Если же прибор показывает хоть какое-то сопротивление, допустим 3 кОм, то этот диод следует рассматривать как подозрительный и менять на заведомо исправный. Стопроцентную гарантию может дать полная замена диодов Шоттки по шинам питания +3,3V и +5,0V.

Где ещё в электронике используются диоды Шоттки? Их можно обнаружить в довольно экзотических приборах, таких как приёмники альфа и бета излучения, детекторах нейтронного излучения, а в последнее время на барьерных переходах Шоттки собирают панели солнечных батарей. Так, что они питают электроэнергией и космические аппараты.

Обозначение, применение и параметры диодов Шоттки

К многочисленному семейству полупроводниковых диодов названных по фамилиям учёных, которые открыли необычный эффект, можно добавить ещё один. Это диод Шоттки.

Немецкий физик Вальтер Шоттка открыл и изучил так называемый барьерный эффект возникающий при определённой технологии создания перехода металл-полупроводник.

Основной «фишкой» диода Шоттки является то, что в отличие от обычных диодов на основе p-n перехода, здесь используется переход металл-полупроводник, который ещё называют барьером Шоттки. Этот барьер, так же, как и полупроводниковый p-n переход, обладает свойством односторонней электропроводимости и рядом отличительных свойств.

В качестве материала для изготовления диодов с барьером Шоттки преимущественно используется кремний (Si) и арсенид галлия (GaAs), а также такие металлы как золото, серебро, платина, палладий и вольфрам.

На принципиальных схемах диод Шоттки изображается вот так.

Как видим, его изображение несколько отличается от обозначения обычного полупроводникового диода.

Кроме такого обозначения на схемах можно встретить и изображение сдвоенного диода Шоттки (сборки).

Сдвоенный диод – это два диода смонтированных в одном общем корпусе. Выводы катодов или анодов у них объединены. Поэтому такая сборка, как правило, имеет три вывода. В импульсных блоках питания обычно применяются сборки с общим катодом.

Так как два диода размещены в одном корпусе и выполнены в едином технологическом процессе, то их параметры очень близки. Поскольку они размещены в едином корпусе, то и температурный режим их одинаков. Это увеличивает надёжность и срок службы элемента.

У диодов Шоттки есть два положительных качества: весьма малое прямое падение напряжения (0,2-0,4 вольта) на переходе и очень высокое быстродействие.

К сожалению, такое малое падение напряжения проявляется при приложенном напряжении не более 50-60 вольт. При дальнейшем его повышении диод Шоттки ведёт себя как обычный кремниевый выпрямительный диод. Максимальное обратное напряжение для Шоттки обычно не превышает 250 вольт, хотя в продаже можно встретить образцы, рассчитанные и на 1,2 киловольта (VS-10ETS12-M3).

Так, сдвоенный диод Шоттки (Schottky rectifier) 60CPQ150 рассчитан на максимальное обратное напряжение 150V, а каждый из диодов сборки способен пропустить в прямом включении 30 ампер!

Также можно встретить образцы, выпрямленный за полупериод ток которых может достигать 400А максимум! Примером может служит модель VS-400CNQ045.

Очень часто в принципиальных схемах сложное графическое изображение катода попросту опускают и изображают диод Шоттки как обычный диод. А тип применяемого элемента указывают в спецификации.

К недостаткам диодов с барьером Шоттки можно отнести то, что даже при кратковременном превышении обратного напряжения они мгновенно выходят из строя и главное необратимо. В то время как кремниевые силовые вентили после прекращения действия превышенного напряжения прекрасно самовосстанавливаются и продолжают работать. Кроме того обратный ток диодов очень сильно зависит от температуры перехода. На большом обратном токе возникает тепловой пробой.

К положительным качествам диодов Шоттки кроме высокого быстродействия, а, следовательно, малого времени восстановления можно отнести малую ёмкость перехода (барьера), что позволяет повысить рабочую частоту. Это позволяет использовать их в импульсных выпрямителях на частотах в сотни килогерц. Очень много диодов Шоттки находят своё применение в интегральной микроэлектронике. Выполненные по нано технологии диоды Шоттки входят в состав интегральных схем, где они шунтируют переходы транзисторов для повышения быстродействия.

В радиолюбительской практике прижились диоды Шоттки серии 1N581x (1N5817, 1N5818, 1N5819). Все они рассчитаны на максимальный прямой ток (IF(AV)) – 1 ампер и обратное напряжение (VRRM) от 20 до 40 вольт. Падение напряжения (VF) на переходе составляет от 0,45 до 0,55 вольт. Как уже говорилось, прямое падение напряжения (Forward voltage drop) у диодов с барьером Шоттки очень мало.

Также достаточно известным элементом является 1N5822. Он рассчитан на прямой ток в 3 ампера и выполнен в корпусе DO-201AD.

Также на печатных платах можно встретить диоды серии SK12 – SK16 для поверхностного монтажа. Они имеют довольно небольшие размеры. Несмотря на это SK12-SK16 выдерживают прямой ток до 1 ампера при обратном напряжении 20 – 60 вольт. Прямое падение напряжения составляет 0,55 вольт (для SK12, SK13, SK14) и 0,7 вольт (для SK15, SK16). Также на практике можно встретить диоды серии SK32 – SK310, например, SK36, который рассчитан на прямой ток 3 ампера.

Применение диодов Шоттки в источниках питания.

Диоды Шоттки активно применяются в блоках питания компьютеров и импульсных стабилизаторах напряжения. Среди низковольтных питающих напряжений самыми сильноточными (десятки ампер) являются напряжения +3,3 вольта и +5,0 вольт. Именно в этих вторичных источниках питания и используются диоды с барьером Шоттки. Чаще всего используются трёхвыводные сборки с общим катодом. Именно применение сборок может считаться признаком высококачественного и технологичного блока питания.

Выход из строя диодов Шоттки одна из наиболее часто встречающихся неисправностей в импульсных блоках питания. У него может быть два «дохлых» состояния: чистый электрический пробой и утечка. При наличии одного из этих состояний блок питания компьютера блокируется, так как срабатывает защита. Но это может происходить по-разному.

В первом случае все вторичные напряжения отсутствуют. Защита заблокировала блок питания. Во втором случае вентилятор «подёргивается» и на выходе источников питания периодически то появляются пульсации напряжения, то пропадают.

То есть схема защиты периодически срабатывает, но полной блокировки источника питания при этом не происходит. Диоды Шоттки гарантированно вышли из строя, если радиатор, на котором они установлены, разогрет очень сильно до появления неприятного запаха. И последний вариант диагностики связанный с утечкой: при увеличении нагрузки на центральный процессор в мультипрограммном режиме блок питания самопроизвольно отключается.

Следует иметь в виду, что при профессиональном ремонте блока питания после замены вторичных диодов, особенно с подозрением на утечку, следует проверить все силовые транзисторы выполняющие функцию ключей и наоборот: после замены ключевых транзисторов проверка вторичных диодов является обязательной процедурой. Всегда необходимо руководствоваться принципом: беда одна не приходит.

Проверка диодов Шоттки мультиметром.

Проверить диод Шоттки можно с помощью рядового мультиметра. Методика такая же, как и при проверке обычного полупроводникового диода с p-n переходом. Но и тут есть подводные камни. Особенно трудно проверить диод с утечкой. Прежде всего, элемент необходимо выпаять из схемы для более точной проверки. Достаточно легко определить полностью пробитый диод. На всех пределах измерения сопротивления неисправный элемент будет иметь бесконечно малое сопротивление, как в прямом, так и в обратном включении. Это равносильно короткому замыканию.

Сложнее проверить диод с подозрением на «утечку». Если проводить проверку мультиметром DT-830 в режиме «диод», то мы увидим совершенно исправный элемент. Можно попробовать измерить в режиме омметра его обратное сопротивление. На пределе «20кОм» обратное сопротивление определяется как бесконечно большое. Если же прибор показывает хоть какое-то сопротивление, допустим 3 кОм, то этот диод следует рассматривать как подозрительный и менять на заведомо исправный. Стопроцентную гарантию может дать полная замена диодов Шоттки по шинам питания +3,3V и +5,0V.

Где ещё в электронике используются диоды Шоттки? Их можно обнаружить в довольно экзотических приборах, таких как приёмники альфа и бета излучения, детекторах нейтронного излучения, а в последнее время на барьерных переходах Шоттки собирают панели солнечных батарей. Так, что они питают электроэнергией и космические аппараты.

Развитие электроники требует все более высоких стандартов от радиодеталей. Для работы на высоких частотах используют диод Шоттки, который по своим параметрам превосходит кремниевые аналоги. Иногда можно встретить название диод с барьером Шоттки, что в принципе означает то же самое.

  • Конструкция
  • Миниатюризация
  • Использование на практике
  • Тестирование и взаимозаменяемость

Конструкция

Отличается диод Шоттки от обыкновенных диодов своей конструкцией, в которой используется металл-полупроводник, а не p-n переход. Понятно, что свойства здесь разные, а значит, и характеристики тоже должны отличаться.

Действительно, металл-полупроводник обладает такими параметрами:

  • Имеет большое значение тока утечки;
  • Невысокое падение напряжения на переходе при прямом включении;
  • Восстанавливает заряд очень быстро, так как имеет низкое его значение.

Диод Шоттки изготавливается из таких материалов, как арсенид галлия, кремний; намного реже, но также может использоваться – германий. Выбор материала зависит от свойств, которые нужно получить, однако в любом случае максимальное обратное напряжение, на которое могут изготавливаться данные полупроводники, не выше 1200 вольт – это самые высоковольтные выпрямители. На практике же намного чаще их используют при более низком напряжении – 3, 5, 10 вольт.

На принципиальной схеме диод Шоттки обозначается таким образом:

Но иногда можно увидеть и такое обозначение:

Это означает сдвоенный элемент: два диода в одном корпусе с общим анодом или катодом, поэтому элемент имеет три вывода. В блоках питания используют такие конструкции с общим катодом, их удобно использовать в схемах выпрямителей. Часто на схемах рисуется маркировка обычного диода, но в описании указывается, что это Шоттки, поэтому нужно быть внимательными.

Диодные сборки с барьером Шоттки выпускаются трех типов:

1 тип – с общим катодом;

2 тип – с общим анодом;

3 тип – по схеме удвоения.

Такое соединение помогает увеличить надежность элемента: ведь находясь в одном корпусе, они имеют одинаковый температурный режим, что важно, если нужны мощные выпрямители, например, на 10 ампер.

Но есть и минусы. Все дело в том, что малое падение напряжения (0,2–0,4 в) у таких диодов проявляется на небольших напряжениях, как правило – 50–60 вольт. При более высоком значении они ведут себя как обычные диоды. Зато по току эта схема показывает очень хорошие результаты, ведь часто бывает необходимо – особенно в силовых цепях, модулях питания – чтобы рабочий ток полупроводников был не ниже 10а.

Еще один главный недостаток: для этих приборов нельзя превышать обратный ток даже на мгновение. Они тут же выходят из строя, в то время как кремниевые диоды, если не была превышена их температура, восстанавливают свои свойства.

Но положительного все-таки больше. Кроме низкого падения напряжения, диод Шоттки имеет низкое значение емкости перехода. Как известно: ниже емкость – выше частота. Такой диод нашел применение в импульсных блоках питания, выпрямителях и других схемах, с частотами в несколько сотен килогерц.

Вольтамперная характеристика светодиода (ВАХ)

ВАХ такого диода имеет несимметричный вид. Когда приложено прямое напряжение, видно, что ток растет по экспоненте, а при обратном – ток от напряжения не зависит.

Все это объясняется, если знать, что принцип работы этого полупроводника основан на движении основных носителей – электронов. По этой же самой причине эти приборы и являются такими быстродействующими: у них отсутствуют рекомбинационные процессы, свойственные приборам с p-n переходами. Для всех приборов, имеющих барьерную структуру, свойственна несимметричность ВАХ, ведь именно количеством носителей электрического заряда обусловлена зависимость тока от напряжения.

Миниатюризация

С развитием микроэлектроники стали широко применяться специальные микросхемы, однокристальные микропроцессоры. Все это не исключает использования навесных элементов. Однако если для этой цели использовать радиоэлементы обычных размеров, то это сведет на нет всю идею миниатюризации в целом. Поэтому были разработаны бескорпусные элементы – smd компоненты, которые в 10 и более раз меньше обычных деталей. ВАХ таких компонентов ничем не отличается от ВАХ обычных приборов, а их уменьшенные размеры позволяют использовать такие запчасти в различных микросборках.

Компоненты smd имеют несколько типоразмеров. Для ручной пайки подходят smd размера 1206. Они имеют размер 3,2 на 1,6 мм, что позволяет их впаивать самостоятельно. Другие элементы smd более миниатюрные, собираются на заводе специальным оборудованием, и самому, в домашних условиях, их паять невозможно.

Принцип работы smd компонента также не отличается от его большого аналога, и если, к примеру, рассматривать ВАХ диода, то она в одинаковой степени будет подходить для полупроводников любого размера. По току изготавливаются от 1 до 10 ампер. Маркировка на корпусе часто состоит из цифрового кода, расшифровка которого приводится в специальных таблицах. Протестировать на пригодность их можно тестером, как и большие аналоги.

Использование на практике

Выпрямители Шоттки используется в импульсных блоках питания, стабилизаторах напряжения, импульсных выпрямителях. Самыми требовательными по току – 10а и более – это напряжения 3,3 и 5 вольт. Именно в таких цепях вторичного питания приборы Шоттки используют чаще всего. Для усиления значений по току их включают вместе по схеме с общим анодом или катодом. Если каждый из сдвоенных диодов будет на 10 ампер, то получится значительный запас прочности.

Одна из самых частых неисправностей импульсных модулей питания – выход из строя этих самых диодов. Как правило, они либо полностью пробиваются, либо дают утечку. В обоих случаях неисправный диод нужно заменить, после чего проверить мультиметром силовые транзисторы, а также замерить напряжения питания.

Тестирование и взаимозаменяемость

Проверить выпрямители Шоттки можно так же, как и обычные полупроводники, так как они имеют похожие характеристики. Мультиметром необходимо прозвонить его в обе стороны – он должен показать себя так же, как и обычный диод: анод-катод, при этом утечек быть не должно. Если он показывает даже незначительное сопротивление – 2–10 килоом, это уже повод для подозрений.

Проверка диода Шоттки мультиметром

Диод с общим анодом или катодом можно проверить как два обычных полупроводника, соединенных вместе. Например, если анод общий, то это будет одна ножка из трех. На анод ставим один щуп тестера, другие ножки – это разные диоды, на них ставится другой щуп.

Можно ли его заменить на другой тип? В некоторых случаях диоды Шоттки меняют на обычные германиевые. К примеру, Д305 при токе 10 ампер давал падение всего 0,3 вольта, а при токах 2–3 ампера их вообще можно ставить без радиаторов. Но главная цель установки Шоттки – это не малое падение, а низкая емкость, поэтому заменить получится не всегда.

Как видим, электроника не стоит на месте, и дальнейшие варианты применения быстродействующих приборов будет только увеличиваться, давая возможность разрабатывать новые, более сложные системы.

Диоды Шоттки или более точно — диоды с барьером Шоттки — это полупроводниковые приборы, выполненные на базе контакта металл-полупроводник, в то время как в обычных диодах используется полупроводниковый p-n-переход.

Диод Шоттки обязан своим названием и появлением в электронике немецкому физику изобретателю Вальтеру Шоттки, который в 1938 году, изучая только что открытый барьерный эффект, подтвердил выдвинутую ранее теорию, согласно которой хоть эмиссии электронов из металла и препятствует потенциальный барьер, но по мере увеличения прикладываемого внешнего электрического поля этот барьер будет снижаться. Вальтер Шоттки открыл этот эффект, который затем и назвали эффектом Шоттки, в честь ученого.

Исследуя контакт металла и полупроводника можно видеть, что если вблизи поверхности полупроводника имеется область обедненная основными носителями заряда, то в области контакта этого полупроводника с металлом со стороны полупроводника образуется область пространственного заряда ионизированных акцепторов и доноров, при этом реализуется блокирующий контакт — тот самый барьер Шоттки. В каких условиях возникает этот барьер? Ток термоэлектронной эмиссии с поверхности твердого тела определяет уравнение Ричардсона:

Создадим условия, когда при контакте полупроводника, например n-типа, с металлом термодинамическая работа выхода электронов из металла была бы больше, чем термодинамическая работа выхода электронов из полупроводника. В таких условиях, в соответствии с уравнением Ричардсона, ток термоэлектронной эмиссии с поверхности полупроводника окажется больше, чем ток термоэлектронной эмиссии с поверхности металла:

В начальный момент времени, при контакте названных материалов, ток от полупроводника в металл превысит обратный ток (из металла в полупроводник), в результате чего в приповерхностных областях как полупроводника, так и металла — станут накапливаться объемные заряды — положительные в полупроводнике и отрицательные — в металле. В контактной области возникнет электрическое поле, образованное этими зарядами, и будет иметь место изгиб энергетических зон.

Под действием поля термодинамическая работа выхода для полупроводника возрастет, и возрастание будет происходить до тех пор, пока в контактной области не уравняются термодинамические работы выхода, и соответствующие им токи термоэлектронной эмиссии применительно к поверхности.

Картина перехода к равновесному состоянию с формированием потенциального барьера для полупроводника p-типа и металла аналогична рассмотренному примеру с полупроводником n-типа и металла. Роль внешнего напряжения — регулировка высоты потенциального барьера и напряженности электрического поля в области пространственного заряда полупроводника.

На рисунке выше представлены зонные диаграммы различных этапов формирования барьера Шоттки. В условиях равновесия в области контакта токи термоэлектронной эмиссии выравнялись, вследствие эффекта поля возник потенциальный барьер, высота которого равна разности термодинамических работ выхода: φк = ФМе — Фп/п.

Очевидно, вольт-амперная характеристика для барьера Шоттки получается несимметричной. В прямом направлении ток растет по экспоненте вместе с ростом прикладываемого напряжения. В обратном направлении ток не зависит от напряжения. В обоих случаях ток обусловлен электронами в качестве основных носителей заряда.

Диоды Шоттки поэтому отличаются быстродействием, ведь в них исключены диффузные и рекомбинационные процессы, требующие дополнительного времени. С изменением числа носителей и связана зависимость тока от напряжения, ибо в процессе переноса заряда участвуют эти носители. Внешнее напряжение меняет число электронов, способных перейти с одной стороны барьера Шоттки на другую его сторону.

Вследствие технологии изготовления и на основе описанного принципа действия, — диоды Шоттки имеют малое падение напряжения в прямом направлении, значительно меньшее чем у традиционных p-n-диодов.

Здесь даже малый начальный ток через контактную область приводит к выделению тепла, которое затем способствует появлению дополнительных носителей тока. При этом отсутствует инжекция неосновных носителей заряда.

У диодов Шоттки поэтому отсутствует диффузная емкость, поскольку нет неосновных носителей, и как следствие — быстродействие достаточно высокое по сравнению с полупроводниковыми диодами. Получается подобие резкого несимметричного p-n-перехода.

Таким образом, прежде всего диоды Шоттки — это СВЧ-диоды различного назначения: детекторные, смесительные, лавинно-пролетные, параметрические, импульсные, умножительные. Диоды Шоттки можно применять в качестве приемников излучения, тензодатчиков, детекторов ядерного излучения, модуляторов света, и наконец — выпрямителей высокочастотного тока.

Обозначение диода Шоттки на схемах

Диоды Шоттки сегодня

На сегодняшний день диоды Шоттки распространены весьма широко в электронных устройствах. На схемах они изображаются по иному, чем обычные диоды. Часто можно встретить сдвоенные выпрямительные диоды Шоттки, выполненные в трехвыводном корпусе свойственном силовым ключам. Такие сдвоенные конструкции содержат внутри два диода Шоттки, объединенные катодами или анодами, чаще — катодами.

Диоды в сборке имеют очень близкие параметры, поскольку каждая такая сборка изготавливается единым технологическим циклом, и в итоге их рабочий температурный режим одинаков, соответственно выше и надежность. Прямое падение напряжения 0,2 — 0,4 вольта наряду с высоким быстродействием (единицы наносекунд) — несомненные преимущества диодов Шоттки перед p-n-собратьями.

Особенность барьера Шоттки в диодах, применительно к малому падению напряжения, проявляется при приложенных напряжениях до 60 вольт, хотя быстродействие остается непоколебимым. Сегодня диоды Шоттки типа 25CTQ045 (на напряжение до 45 вольт, на ток до 30 ампер для каждого из пары диодов в сборке) можно встретить во многих импульсных источниках питания, где они служат в качестве силовых выпрямителей для токов частотой до нескольких сотен килогерц.

Нельзя не затронуть тему недостатков диодов Шоттки, они конечно есть, и их два. Во-первых, кратковременное превышение критического напряжения мгновенно выведет диод из строя. Во-вторых, температура сильно влияет на максимальный обратный ток. При очень высокой температуре перехода диод просто пробьет даже при работе под номинальным напряжением.

Ни один радиолюбитель не обходится без диодов Шоттки в своей практике. Здесь можно отметить наиболее популярные диоды: 1N5817, 1N5818, 1N5819, 1N5822, SK12, SK13, SK14. Эти диоды есть как в выводном исполнении, так и в SMD. Главное, за что радиолюбители их так ценят — высокое быстродействие и малое падение напряжения на переходе — максимум 0,55 вольт — при невысокой цене данных компонентов.

Редкая печатная плата обходится без диодов Шоттки в том или ином назначении. Где-то диод Шоттки служит в качестве маломощного выпрямителя для цепи обратной связи, где-то — в качестве стабилизатора напряжения на уровне 0,3 — 0,4 вольт, а где-то является детектором.

В приведенной таблице вы можете видеть параметры наиболее распространенных сегодня маломощных диодов Шоттки.

Диод Шоттки, принцип работы которого мы опишем сегодня, является очень удачным изобретением немецкого ученого Вальтера Шоттки. В его честь устройство и было названо, а встретить его можно при изучении самых разных электрических схем. Для тех, кто еще только начинает знакомиться с электроникой, будет полезным узнать о том, зачем его используют и где он чаще всего применяется.

Что это такое

Это полупроводниковый диод с минимальным падением уровня напряжения во время прямого включения. Он имеет две главные составляющие: собственно, полупроводник и металл.
Как известно, допустимый уровень обратного напряжения в любых промышленных электронный устройствах составляет 250 В. Такое U находит практическое применение в любой низковольтной цепи, препятствуя обратному течению тока.

Структура самого устройства несложна и выглядит следующим образом:

  • полупроводник;
  • стеклянная пассивация;
  • металл;
  • защитное кольцо.

При прохождении электрического тока по цепи положительные и отрицательные заряды скапливаются по всему периметру устройства, включая защитное кольцо. Скопление частиц происходит в различных элементах диода. Это обеспечивает возникновение электрического поля с последующим выделением определенного количества тепла.

Отличие от других полупроводников

Главное его отличие от других полупроводников состоит в том, что преградой служит металлический элемент с односторонней проводимостью.

Такие элементы изготавливают из целого ряда ценных металлов:

  • арсенида галлия;
  • кремния;
  • золота;
  • вольфрама;
  • карбида кремния;
  • палладия;
  • платины.

От того, какой металл выбирается в качестве материала, зависят характеристики нужного показателя напряжения и качество работы электронного устройства в целом. Чаще всего применяют кремний — по причине его надежности, прочности и способности работать в условиях большой мощности. Также используется и арсенид галлия, соединенный с мышьяком, либо германий.

Плюсы и минусы

При работе с устройствами, включающими в себя диод Шоттки, следует учитывать их положительные и отрицательные стороны. Если подключить его в качестве элемента электрической цепи, он будет прекрасно удерживать ток, не допуская его больших потерь.

К тому же, металлический барьер обладает минимальной емкостью. Это значительно увеличивает износостойкость и срок службы самого диода. Падение напряжения при его использовании минимально, а действие происходит очень быстро — стоит только провести подключение.

Однако большой процент обратного тока является очевидным недостатком. Поскольку многие электроприборы обладают высокой чувствительностью, нередки случаи, когда небольшое превышение показателя, всего лишь на пару А, способно надолго вывести прибор из строя. Также, при небрежной проверке напряжения полупроводника, может произойти утечка самого диода.

Сфера применения

Диод Шоттки может включать в себя любой аккумулятор.

Он входит в устройство солнечной батареи. Солнечные панели, которые уже давно успешно работают в условиях космического пространства, собираются именно на основании барьерных переходов Шоттки. Такие гелиосистемы устанавливаются на космических аппаратах (спутниках и телескопах, проводящих работу в жестких условиях безвоздушного пространства).

Устройство незаменимо при работе компьютеров, бытовой техники, радиоприемников, блоков электропитания. При правильном использовании диод Шоттки увеличивает производительность любого устройства, предотвращает потери тока. Он способен принимать на себя альфа-, бета- и гамма-излучение. Именно поэтому он незаменим в условиях космоса.

С помощью такого устройства можно осуществить параллельное соединение диодов, используя их в качестве сдвоенных выпрямителей. Таким образом можно объединить межлу собой два параллельных источника питания. Один корпус включает в себя два полупроводника, а концы положительного и отрицательного зарядов связываются друг с другом. Есть и более простые схемы, где диоды Шоттки очень малы. Это характерно для очень мелких деталей в электронике.

Диод Шоттки является незаменимым элементом во многих электронных устройствах. Главное — понимать специфику его работы и использовать его корректно.

Какой способ подключения диода называется прямым. Понятия и обозначения характеристик. Переключение диода вперед

Есть три типа диодов:

Заполненный газом;

Электровакуумный;

Полупроводниковые диоды, о которых мы поговорим позже.

В чистом полупроводнике нет свободных электронов, поэтому его электропроводность, как и у диэлектрика, чрезвычайно мала. Если к полупроводнику добавить примесь, проводимость увеличится.Чтобы заметить изменение электропроводности, достаточно добавить очень небольшое количество примеси — один примесный атом на 10 6 атомов полупроводника — в чистый полупроводник. Электропроводность любого вещества зависит от наличия в атоме свободных слабосвязанных электронов на внешней орбите.

Если электрон освобождается от соседнего атома, то на месте сломанного электрона появляется новая дырка. Электроны движутся от отрицательного потенциала к положительному, и дырки можно рассматривать как таковые, что они движутся в противоположном направлении.Также дырки можно рассматривать как элемент положительного заряда. Примеси, образующие свободные электроны в полупроводнике, называются донорными, а образующие дырки — акцепторными. Процесс заполнения неполных валентных связей называется рекомбинацией.

Рисунок 1 — Проводимость полупроводникового диода

p — n переход — это переходный слой, полученный на границе полупроводников разной проводимости.

Есть два типа перехода:

Планар;

Остроконечный.

Принцип работы полупроводникового диода основан на особенностях p — n перехода — ярко выраженной проводимости, которая зависит от полярности приложенного напряжения (рисунок 1).

На основе представленных характеристик материалов был создан полупроводниковый прибор — диод.

Рисунок 2 — Обозначение диода

в электрических цепях — VD.

Основные электрические параметры диода:

1. I ном — максимальное значение тока через диод, при котором не происходит перегрева.

2. Максимальный импульсный ток -І і. Максимум.

3. Обратное максимальное напряжение U обр.


Все полупроводниковые приборы очень чувствительны к примесям в воздухе, поэтому их помещают в герметичный корпус из стекла или керамики.

Работа диода при постоянном напряжении имеет следующий вид (ток — черная кривая, напряжение — красная):


Рисунок 3 — Ток и напряжение на диоде

Из рисунка видно, что при положительном напряжении диод VD открывается и напряжение имеет небольшое значение, при отрицательном напряжении диод мгновенно замыкается, прекращая пропускание тока через себя.

Широко используется, когда необходимо преобразовать переменное напряжение в постоянное. Выпрямленное напряжение будет иметь пульсирующий вид, как показано на рисунке 3 — полуволновое выпрямление, если вы примените диодный мост, то будет выполнено двухполупериодное выпрямление. В образующемся пульсирующем напряжении для электроприборов важное значение будет иметь действующее значение напряжения. Для трехфазных сетей применяют выпрямитель Ларионова.

Специальные диоды

— разновидность диода, для которой характерен вертикально падающий VAC, на котором стабилитрон рассчитан на длительную работу.

Рисунок 4 — Вольт-амперная характеристика (ВАХ) стабилитрона

Предназначен для работы в блоках питания по стабилизации напряжения.

Основные характеристики: U стабилизация, І min, I max — граничные значения тока через стабилитрон.

Туннельный диод — диод, характеризующийся наличием на прямой ветви вольт-амперной характеристики участка с обратным сопротивлением. По мере увеличения прямого напряжения выходной ток монотонно увеличивается.Напряжение пробоя такого полупроводника практически равно нулю.


Рисунок 5 — ВАХ туннельного диода

Применяется в коммутационных схемах и генераторах электрических колебаний.

Динистор — специальный диод, поддерживающий высокое сопротивление до определенного значения прямого напряжения, после чего сопротивление резко падает и становится равным сопротивлению открытого диода.


Рисунок 6 — Вольт-амперная характеристика динистора

Применяется в автоматических цепях и генераторах переменного-линейного напряжения.

Варикап — это диод, в котором емкость изменяется в зависимости от величины приложенного обратного напряжения.

Рисунок 7 — ВАХ варикапа

Применяются в электрических цепях, где необходимо регулировать частоту колебательного контура, деление или умножение частоты.

Характеристика параметров варикапа:

Общая емкость — это измеренная емкость при определенном обратном напряжении;

Коэффициент перекрывающейся емкости — для двух определенных значений отношения напряжений емкостей варикапов.

Температурный коэффициент емкости — это относительное изменение емкости, вызванное изменением температуры.

Предельная частота — это та, при которой варикап реактивной составляющей становится равным активной.

— специальный диод, обратная проводимость которого изменяется от значения светового потока F.


Рисунок 8 — ВАХ фотодиода

Используется в люксметрах и устройствах автоматики.

Светодиод излучает свет, проходя через него в прямом направлении электрического тока, цвет свечения определяется химическим составом кристалла.

Отличительной особенностью светодиода является его экономичность — очень низкое потребление тока (2-5 мА).

Полупроводниковый диод — простейший полупроводниковый прибор, состоящий из одного PN перехода. Его основная функция — проводить электричество в одном направлении, а не передавать его в обратном направлении.Диод состоит из двух слоев полупроводников типов N и P.

На стыке соединений P и N образуется PN-переход. Электрод, подключенный к P, называется анодом. Электрод, подключенный к N, называется катодом. Диод проводит ток в направлении от анода к катоду и не проводит обратно.

Диод в состоянии покоя

Посмотрим, что происходит внутри PN-перехода, когда полупроводниковый диод покоится. То есть, когда напряжение не приложено ни к аноду, ни к катоду.

Итак, в части N имеются свободные электроны — отрицательно заряженные частицы. Часть P содержит положительно заряженные ионы-дырки. В результате там, где находятся частицы с зарядом разного знака, возникает электрическое поле, притягивающее их друг к другу.

Под действием этого поля свободные электроны из части N дрейфуют через PN-переход в часть P и заполняют некоторые дырки. В результате получается очень слабый электрический ток, измеряемый в наноамперах.В результате плотность вещества в части P увеличивается и возникает диффузия (тенденция вещества к однородной концентрации), отталкивая частицы обратно в сторону N.

Обратное включение диода

Теперь посмотрим, как полупроводниковый диод выполняет свою основную функцию: проводить ток только в одном направлении. Подключите блок питания — плюс к катоду, минус к аноду.

В соответствии с силой притяжения, возникающей между зарядами разной полярности, электроны из N начнут двигаться к плюсу и удаляться от перехода PN.Точно так же дырки из P будут притягиваться к минусу, а также удаляться от перехода PN. В результате плотность вещества на электродах увеличивается. В результате происходит диффузия и начинается отталкивание частиц назад, стремясь к однородной плотности материи.

Как видим, в этом состоянии диод не проводит ток. По мере роста напряжения в PN-переходе будет все меньше и меньше заряженных частиц.

Прямое подключение диода

Поменяйте полярность источника питания — плюс на анод, минус на катод.В этом положении между зарядами одной полярности возникает сила отталкивания. Отрицательно заряженные электроны удаляются от минуса, и сторона pn перехода перемещается. В свою очередь, положительно заряженные дырки отталкиваются от плюса и направляются в сторону избирателей. PN-переход обогащен заряженными частицами разной полярности, между которыми возникает электрическое поле — внутреннее электрическое поле PN-перехода . Под его действием электроны начинают уходить в сторону P.Некоторые из них рекомбинируют с дырками (заполняют то место в атомах, где недостаточно электрона). Оставшиеся электроны устремляются к плюсу батареи. Через диод протекал ток I D.

Чтобы не вводить в заблуждение, напомню, что направление тока в электрических цепях является обратным по отношению к потоку электронов.

Недостатки настоящего полупроводникового диода

На практике в реальном диоде при переподключении напряжения появляется очень небольшой ток, измеряемый в микро- или наноамперах (в зависимости от модели устройства).Из-за слишком высокого напряжения кристаллическая структура полупроводника в диоде может разрушиться. В этом случае устройство начнет проводить хороший ток также с обратным смещением. Такое напряжение называется напряжением пробоя. Процесс разрушения структуры полупроводника не подлежит восстановлению, и устройство приходит в негодность.

При прямом подключении напряжение между анодом и катодом должно достигать определенного значения V Υ, чтобы диод начал проводить хороший ток.Для кремниевых инструментов V составляет примерно 0,7 В, а для германиевых инструментов — примерно 0,3 В. Подробнее об этом и других характеристиках полупроводникового выпрямительного диода мы поговорим в статье Полупроводниковый диод.

ССЫЛКИ НА ТЕМЫ:

Вольт-амперная характеристика диода

Применение диодов

Полупроводники. Часть III. Влияние примесей на проводимость

КОММЕНТАРИИ:

Есть еще один способ снизить напряжение на нагрузке, но только для цепей постоянного тока.О смотрите здесь.

Вместо дополнительного резистора используется цепочка из последовательно включенных диодов в прямом направлении.

Все дело в том, что при протекании тока через диод на него падает «постоянное напряжение», в зависимости от типа диода, мощности и протекающего через него тока — от 0,5 до 1,2 Вольт.

На германиевом диоде напряжение падает с 0,5 до 0,7 В, на кремниевом диоде с 0,6 до 1,2 Вольт. Исходя из того, на сколько вольт нужно понизить напряжение на нагрузке, включите соответствующее количество диодов.

Для снижения напряжения на 6 В необходимо примерно включить: 6 В: 1,0 = 6 штук кремниевых диодов, 6 В: 0,6 = 10 штук германиевых диодов. Самые популярные и доступные кремниевые диоды.

Вышеупомянутая схема с диодами более громоздка по характеристикам, чем с простым резистором. Но выходное напряжение в схеме с диодами более стабильно и слабо зависит от нагрузки. В чем разница между этими двумя способами снижения выходного напряжения?

На рисунке 1 — дополнительное сопротивление — резистор (сопротивление провода), на рис.2 — дополнительное сопротивление — диод.

Резистор (сопротивление провода) имеет линейную зависимость между протекающим через него током и падением напряжения на нем. Во сколько раз увеличится ток, на ту же величину увеличится и падение напряжения на резисторе.

Из Примера 1: если подключить к лампе параллельно еще одну, то ток в цепи увеличится с учетом общего сопротивления двух ламп до 0,66 А. Падение напряжения на дополнительном резисторе составит: 12 Ω * 0.66 А = 7,92 В На лампочках останется: 12 В — 7,92 В = 4,08 В. Они сгорят в полу от накала.


Совершенно иная картина будет, если вместо резистора будет цепочка диодов.

Зависимость между током, протекающим через диод, и падающим на него напряжением нелинейна. Ток может увеличиться в несколько раз, падение напряжения на диоде увеличится всего на несколько десятых вольта.

Тех. Чем больше ток диода, тем меньше (по сравнению с резистором) увеличивается его сопротивление.Падение напряжения на диодах мало зависит от тока в цепи.

Диоды в такой схеме служат стабилизатором напряжения. Диоды нужно подбирать по максимальному току в цепи. Максимально допустимый ток диодов должен быть больше тока в расчетной цепи.

Падения напряжения на некоторых диодах при токе 0,5 А приведены в таблице.

В цепях переменного тока в качестве дополнительного сопротивления можно использовать конденсатор, индуктивность, динистор или тиристор (с добавлением цепи управления).

Полупроводники — это вещества, занимающие промежуточное положение между проводниками и изоляторами с точки зрения их электропроводящих свойств.
В полупроводниках, как и в металлах, ток — это упорядоченное движение заряженных частиц.
Однако, наряду со смещением отрицательных зарядов (электронов) в полупроводниках, существует так называемое упорядоченное смещение положительных зарядов. — отв. .

Отверстия получены при участии ионов вещества полупроводника — атомов с вылетевшими электронами.В действительности ионизированные атомы не покидают своего места в кристаллической решетке. Фактически, происходит постепенное изменение состояния атомов вещества, когда электроны перескакивают с одного атома на другой. Есть процесс, который выглядит как упорядоченное движение неких условно заряженных положительно заряженных частиц — дырок, .

В обычном чистом полупроводнике соотношение отверстий и свободных электродов 50%: 50%.
Но стоит добавить в полупроводник небольшое количество вещества — примеси, так как это соотношение претерпевает существенные изменения.В зависимости от природы добавляемого вещества полупроводник приобретает либо ярко выраженную электронную проводимость (n-тип), либо дырки (p-тип) становятся его основными носителями.

Полупроводниковый переход (p-n) образуется на стыке двух фрагментов полупроводникового материала, имеющих разную проводимость. Это чрезвычайно тонкая область, обедненная носителями обоих типов. p-n-переход имеет небольшое сопротивление, когда направление тока прямое, и очень большое, когда направление тока обратное.

Обычный полупроводниковый диод состоит из одного полупроводникового перехода, снабженного двумя выводами — анодом , (положительный электрод) и катодом, — отрицательным электродом. Соответственно, диод обладает свойством односторонней проводимости — он хорошо проводит ток в прямом направлении и плохо в обратном направлении.

Что это означает на практике?
Представьте себе электрическую цепь, состоящую из батареи и лампы накаливания, соединенных последовательно через полупроводниковый диод.Лампочка загорится, только если анод , (положительный электрод) подключен к плюсу источника питания (аккумулятор), а катод , (отрицательный электрод) — к минусу — через нить накала лампочки.

Это прямое включение полупроводникового диода. Если поменять полярность блока питания, диод загорится наоборот — свет не загорится. Обратите внимание, как выглядит обозначение полупроводникового диода на схеме — треугольная стрелка, указывающая на прямое подключение, совпадает с текущим направлением тока в электротехнике — от плюса источника питания к минусу.Примыкающая к ней вертикальная черта символизирует препятствие для тока в обратном направлении.

Есть одно обязательное условие для нормальной работы любого полупроводникового диода. Напряжение источника питания должно превышать определенный порог (значение внутреннего потенциала смещения p-n перехода). Для выпрямительных диодов оно обычно меньше 1 вольт, для германиевых высокочастотных диодов порядка 0,1 вольт, для светодиодов может превышать 3 вольта. Это свойство полупроводниковых диодов может быть использовано при создании низковольтных стабилизированных источников питания.

Если диод подключить обратно и постепенно увеличивать напряжение источника питания, в какой-то момент произойдет обратный электрический пробой p-n перехода. Диод начнет пропускать ток в обратном направлении, и переход испортится. Величина максимально допустимого обратного напряжения (U.R.) сильно различается для разных типов полупроводниковых диодов и является очень важным параметром.

Второй, не менее важный параметр — это предельное значение прямого тока-Uпр.Этот параметр напрямую зависит от падения напряжения на переходе полупроводникового диода, материала полупроводника и характеристик теплообмена корпуса.

Использование любых материалов на данной странице разрешено при наличии ссылки на сайт

Диоды часто называют «прямыми» и «обратными». Что является причиной этого? В чем разница между «прямым» диодом и «обратным» диодом?

Что такое «прямой» диод?

Диод — это полупроводник с двумя выводами, а именно анодом и катодом.Он используется для обработки электрических сигналов разными способами. Например, чтобы выпрямить, стабилизировать, преобразить.

Особенность диода в том, что он пропускает ток только в одном направлении. В обратном направлении — нет. Это возможно благодаря тому, что в структуре диода есть 2 типа полупроводниковых областей, различающихся проводимостью. Первый условно соответствует аноду, имеющему положительный заряд, носителями которого являются так называемые дырки.Второй — катод, имеющий отрицательный заряд, его носителями являются электроны.

Диод может работать в двух режимах:

В первом случае через диод хорошо протекает ток. Во втором режиме — с трудом.

Откройте диод прямым переключением. Для этого подключите положительный провод от источника тока к аноду, а отрицательный — к катоду.

Прямое также может называться диодным напряжением. Неофициально сам полупроводниковый прибор.Таким образом, «прямой» — это не он, а связь с ним или напряжение. Но для простоты понимания в электрике «прямым» часто называют сам диод.

Что такое «обратный» диод?

Полупроводник замыкается с помощью источника обратного напряжения. Для этого поменяйте полярность проводов от источника питания. Как и в случае с прямым диодом, образуется обратное напряжение. «Обратным» — по аналогии с предыдущим сценарием — называется сам диод.

Сравнение

Основное различие между «прямым» диодом и «обратным» диодом заключается в способе подачи тока на полупроводник.Если он запитан с целью открытия диода, то полупроводник становится «прямым». Если полярность проводов от источника тока меняется — то полупроводник замыкается и становится «обратным».

Учитывая разницу между «прямым» диодом и «обратным» диодом, основные выводы отразим в таблице.

Как подключить диоды | Sciencing

Обновлено 27 декабря 2020 г.

Автор: S. Hussain Ather

Вы можете задаться вопросом, что позволяет электронным устройствам в вашем доме использовать электричество по-своему.Электрики, которые создают эти приборы, а также другие инструменты, используемые в промышленности, должны знать, как подключать диоды для этих целей.

Установка диода

При подключении диода в электрическую цепь убедитесь, что анод и катод соединены в цепи так, что заряд течет от положительно заряженного анода к отрицательно заряженному катоду.

Вы можете запомнить это, вспомнив, что на принципиальной схеме диода вертикальная линия рядом с треугольником выглядит как отрицательный знак, указывая на то, что конец диода заряжен отрицательно.Вы можете представить, что это означает, что заряды перетекают с положительного конца на отрицательный. Это позволяет вам помнить, как электроны текут в переходе диода.

Помните о потенциале и токе цепи и о том, как это влияет на размещение диода. Вы можете представить диод как переключатель, который размыкается или замыкается, замыкая цепь. Если есть достаточный потенциал, чтобы позволить заряду проходить через диод, переключатель замыкается, и ток течет через него. Это означает, что диод смещен в прямом направлении.

Затем вы можете использовать закон Ома

V = IR

для расчета напряжения В , тока I и сопротивления R для измерения разницы в напряжении между напряжениями. источник и сам диод.

Если вы подключите диод в другом направлении, это приведет к обратному смещению диода, поскольку ток будет течь от катода к аноду. В этом сценарии вы увеличиваете обедненную область диода, область на одной стороне диодного перехода, которая не имеет ни электронов, ни дырок (области без электронов).

Движение электронов в отрицательно заряженной области заполнит дырки в положительно заряженной области. При подключении диодов обратите внимание на то, как диод будет меняться в зависимости от направления, в котором он подключен.

Схема диода

При использовании в электрических цепях диоды обеспечивают протекание тока в одном направлении. Они построены с использованием двух электродов, анода и катода, разделенных материалом.

Электроны текут от анода, где происходит окисление или потеря электронов, к катоду, где происходит восстановление или усиление электронов.Обычно диоды изготавливаются из полупроводников, которые пропускают заряд в присутствии электрического тока или контролируют их сопротивление с помощью процесса, известного как легирование.

Легирование — это метод добавления примесей в полупроводник для создания дырок и превращения полупроводника в n-типа (как «отрицательный заряд») или p-типа (как на «положительный заряд»).

Полупроводник n-типа содержит избыток электронов, расположенных так, что заряд может свободно проходить через него, оставаясь управляемым.Обычно они производятся из мышьяка, фосфора, сурьмы, висмута и других элементов, которые имеют пять валентных электронов. С другой стороны, полупроводник p-типа имеет положительный заряд из-за дырок и состоит из галлия, бора, индия и других элементов.

Распределение электронов и дырок позволяет заряду течь между полупроводниками p-типа и n-типа, и, когда они соединены вместе, они образуют P-N переход . Электроны из полупроводника n-типа устремляются к полупроводнику p-типа в диодах, которые пропускают ток в одном направлении.

Диоды обычно изготавливаются из кремния, германия или селена. Инженеры, создающие диоды, могут использовать металлические электроды в камере без какого-либо другого газа или с газом под низким давлением.

Характеристики диодов

Эти особенности диодов, транспортирующих электроны в одном направлении, делают их идеальными для выпрямителей, ограничителей сигналов, регуляторов напряжения, переключателей, модуляторов сигналов, смесителей сигналов и генераторов. Выпрямители преобразуют переменный ток в постоянный. Пределы сигнала разрешают передачу сигналов определенной мощности.

Регуляторы напряжения поддерживают постоянное напряжение в цепях. Модуляторы сигналов изменяют фазовый угол входного сигнала. Смесители сигналов изменяют проходящую частоту, и генераторы сами генерируют сигнал.

Установка диода для защиты

Вы также можете использовать диоды для защиты чувствительных или важных компонентов электронных устройств.Вы можете использовать диод, который не проводит ток в нормальных условиях, когда возникает внезапный всплеск напряжения, известный как переходное напряжение, или какое-либо другое резкое изменение сигнала, которое может причинить вред, диод будет подавлять напряжение, остальная часть схемы. В противном случае эти удары электрическим током из-за скачков напряжения повредили бы цепь из-за приложения слишком большого напряжения, не позволяя цепи соответствующим образом адаптироваться к нему.

Эти диоды являются диодами-ограничителями переходного напряжения (TVS), и вы можете использовать их либо для уменьшения переходного напряжения, либо для его направления в другое место от схемы.Кремниевый переход P-N может выдерживать переходное напряжение и после этого вернуться в нормальное состояние после прохождения скачка напряжения. В некоторых ТВС используются радиаторы, которые могут выдерживать скачки напряжения в течение длительных периодов времени.

Типы диодных цепей

В цепях, которые преобразуют мощность от переменного тока (AC) до постоянного тока (DC) , можно использовать либо один диод, либо группу из четырех диодов. В то время как устройства постоянного тока используют заряд, который течет в одном направлении, мощность переменного тока переключается между прямым и обратным направлениями через равные промежутки времени.

Это важно для преобразования электроэнергии постоянного тока от электростанций в мощность переменного тока, которая принимает форму синусоидальной волны, используемой в большинстве бытовых приборов. Выпрямители, которые делают это, делают это либо с помощью одного диода, который пропускает только половину волны, либо используя подход двухполупериодного выпрямителя, который использует обе половины формы волны переменного тока.

Схема диода демонстрирует, как происходит такое поведение. Когда демодулятор удаляет половину сигнала переменного тока от источника питания, он использует два основных компонента.Первый — это сам диод или выпрямитель, который увеличивает сигнал на половину цикла переменного тока.

Второй — фильтр нижних частот, который избавляется от высокочастотных составляющих источника питания. Он использует резистор и конденсатор, устройство, которое накапливает электрический заряд с течением времени, и использует частотную характеристику самой схемы, чтобы определить, какие частоты пропускать.

Эти диодные схемы обычно устраняют отрицательную составляющую сигнала переменного тока. Он применяется в радиоприемниках, в которых используется система фильтрации для обнаружения определенных радиосигналов от обычных несущих волн.

Другие типы применения диодов

Диоды также используются для зарядки электронных устройств, таких как сотовые телефоны или ноутбуки, путем переключения с питания, подаваемого аккумулятором электронного устройства, на питание от внешнего источника питания. Эти методы отводят ток от источника, а также гарантируют, что в случае разрядки аккумулятора устройства вы сможете принять другие меры для зарядки устройств.

Этот метод применим и к автомобилям. Если аккумулятор вашего автомобиля должен был выйти из строя, вы можете использовать соединительные кабели, чтобы изменить распределение красного и черного кабелей, чтобы использовать диоды, чтобы предотвратить протекание тока в неправильном направлении.

Компьютеры, использующие двоичную информацию в виде нулей и единиц, также используют диоды для работы с деревьями двоичных решений. Они принимают форму логических вентилей , основных блоков цифровых схем, которые пропускают информацию на основе сравнения двух разных значений. Они построены с использованием диодов любого типа, которые намного мельче, чем диоды в других приложениях.

Практическое руководство. Диоды: 6 ступеней (с изображениями)

Если вы в прошлом занимались электронными проектами, есть большая вероятность, что вы уже сталкивались с этим общим 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 в кремний в небольших количествах в долях на миллиард.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 добавляется 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 через него не может протекать ток. 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. Когда через диод протекает ток, напряжение на положительном плече выше, чем на отрицательном, это называется прямым падением напряжения на диоде . Сила падения напряжения зависит от полупроводникового материала, из которого изготовлен диод.Когда напряжение на диоде положительное, может течь большой ток, когда напряжение становится достаточно большим. Когда напряжение на диоде отрицательное, ток практически не течет.

Основы работы с драйверами лазерных диодов и основы проектирования

Введение:

Если вы собираетесь начать работать с лазерными диодами, вы, скорее всего, знаете, что есть некоторые очень специфические нюансы для безопасного управления ими и контроля их температуры.Для них требуется специальный набор специально разработанных электронных элементов управления. Этот набор элементов управления объединяется для создания так называемого драйвера лазерного диода или источника тока лазерного диода. По сути, эти элементы определяют, как лазер включается и управляется для получения определенной длины волны и выходной мощности. И как это сделать, не повредив лазерный диод. Подробнее »

БЫСТРАЯ НАВИГАЦИЯ:

МАГАЗИН ДРАЙВЕРОВ ЛАЗЕРНЫХ ДИОДОВ:

Купить все драйверы лазерных диодов »

Shop High Power (> 5 Amp) Драйверы лазерных диодов »

Магазин Печатные платы и OEM-драйверы лазерных диодов »


Краткий обзор лазерных диодов:

Чтобы понять, что такое драйверы лазерных диодов и почему они важны, важно понимать некоторые ключевые особенности устройств с лазерными диодами.Эти устройства требуют особого внимания к тому, как они включаются, работают и выключаются. В сети много подробной информации о лазерных диодах. Короче говоря, лазерный диод — это полупроводниковый прибор, сделанный из двух разных материалов. Один из P-материала, другой из N-материала, зажатых вместе. Прямое электрическое смещение через P-N-переход заставляет соответствующие дырки и электроны с противоположных сторон перехода объединяться, испуская фотон в процессе каждой комбинации.Поверхности зоны стыка (полости) имеют зеркальную отделку. Те, кто знаком с теорией лазеров, знают, что происходит, когда фотоны прыгают по полированной полости. Электрическое смещение для перехода должно быть стабильным, малошумящим источником свободного тока от переходных процессов.

В этой короткой статье содержится основная информация о драйверах лазерных диодов, также называемых источниками постоянного тока, и почему они важны для управления и защиты этих устройств. Он предоставляет общий обзор того, как работают драйверы лазерных диодов, и многие типы драйверов лазерных диодов, доступных в отрасли.

Что такое драйвер лазерного диода? А что такое источник постоянного тока?

Драйвер — это источник постоянного тока. Вот полезное короткое видео на YouTube, объясняющее источники постоянного тока и постоянного напряжения и почему источники тока предпочтительны для управления лазерными диодами. Если вас оскорбила его простота… приносим свои извинения.

Понимание коэффициентов настройки и эффективности:

Лазерные диоды — это токочувствительные полупроводники.Изменение тока возбуждения равно изменению длины волны устройства и выходной мощности. Любая нестабильность управляющего тока (шум, дрейф, индуцированные переходные процессы) повлияет на рабочие характеристики лазерного диода. В частности, они повлияют на выходную мощность и длину волны. Кроме того, на температуру диодного перехода напрямую влияет ток. Текущая нестабильность источника вызовет колебания температуры перехода; выходные характеристики (опять же мощность и длина волны) изменятся.Для того же диода, упомянутого выше:

Нестабильность управляющего тока напрямую приводит к колебаниям температуры перехода, хотя временная шкала несколько медленнее, чем прямое влияние изменений тока.

Понимание динамического сопротивления и прямого напряжения вашего водителя:

Прямое напряжение на лазерном диоде непостоянно. Он меняется, особенно после пороговой точки. Пороговая точка — это точка, в которой выходная оптическая мощность лазера линейна с входным током возбуждения, мВт / мА.

Для тех из вас, кто еще помнит вычисления, первая производная кривой V-I показывает график динамического сопротивления диода, оно также не является постоянным. Таким образом, вся нагрузочная характеристика лазерного диода непостоянна. Напряжение и сопротивление изменяются в зависимости от тока (и температуры). Итак, как мы узнали из видео об источниках постоянного тока, хороший, стабильный, малошумящий источник тока будет поддерживать постоянный ток независимо от нагрузки, подключенной к его выходу!

Почему не следует использовать настольный источник напряжения:

Источники напряжения (настольные источники питания) нарастают напряжение при включении, но ток не контролируется.Это не подходит для диодов, требующих постоянного регулируемого тока. Изменение сопротивления источника постоянного напряжения приводит к изменению тока. Если приложение требует постоянной мощности лазера и стабильной длины волны, источник напряжения не будет работать и может подвергнуть лазер риску теплового удара и / или переходных процессов из-за быстрого изменения тока.

Какие основные типы драйверов для лазерных диодов?

На самом общем уровне существует несколько классов или «типов» лазерных драйверов, которые вы обычно слышите.Это: драйверы постоянного тока (CW), импульсные (включая QCW), маломощные и высокомощные драйверы . Постоянный ток — это именно то, что он заявляет, постоянный выходной уровень с течением времени, скажем 30 мА, теоретически навсегда, если это необходимо. Импульсные драйверы лазерных диодов представляют собой интересную разновидность, поскольку выходная мощность является функцией времени, а коэффициент заполнения — лучший способ ее описать. Рабочий цикл — это время, в течение которого источник тока включен — высокий выходной ток, деленный на общее время импульса (время включения и выключения). Небольшое замечание о временах отключения в источниках тока: они никогда не отключены по-настоящему (то есть нулевой ток), но часто находятся на достаточно низком уровне выхода, при котором выход лазерного диода минимален — значительно ниже порогового значения.В следующем разделе дано общее определение версий этих типов драйверов с низким и высоким энергопотреблением.

Какие стандартные уровни мощности доступны для драйверов?

Драйверы «малой мощности» и «высокой мощности» — это общепринятая отраслевая терминология, описывающая величину выходной мощности нагрузки. Однако это немного неправильное название: выходной уровень не выражается в единицах мощности, то есть в ваттах, он выражается в единицах мкА, мА и амперах. В мире мощных импульсных источников тока вы можете увидеть выходной импульс, выраженный в Джоулях, то есть энергии, то есть 1 Вт = 1 Дж / с.В технических паспортах обычно также указывается величина выходного тока и напряжение, вам просто нужно их найти. Драйвер с низким энергопотреблением примерно определяется как от 1 мА до 5 ампер. Драйвер мощного лазерного диода — 5 А и до 100 А в режиме CW. Это драйверы уровня кВт, доступные в импульсном и QCW-режиме. Это ни в коем случае не стандарты, а просто обобщение, основанное на опыте автора в мире контроллеров лазерных диодов.

Краткий обзор схемы лазерного драйвера:

Следующий шаг — схематическое представление о том, как работает «типичный» источник тока на лазерном диоде.У Wavelength Electronics есть отличное видео, описывающее их текущие конструкции источников. Это хорошая информация в виде блок-схемы, которую легко понять.

Информация, представленная в этом видео, применима ко всем имеющимся в продаже источникам тока лазерных диодов, различия в функциях и характеристиках будут определять производительность и, конечно же, цену.

Конечно, вы можете гораздо глубже понять источники лазерного тока.Есть уровень, на котором вы, возможно, захотите построить свой собственный, здесь вам нужно будет разбираться в электрических схемах и компонентах. Быстрый поиск источников тока лазерных диодов на YouTube приведет к созданию множества собственных источников тока. Для тех из вас, у кого особые требования, не удовлетворяемые коммерческими производителями, есть хорошая статья под названием «Высокоустойчивый малошумящий лазерный драйвер тока» от BYU. Он очень подробный, содержит отличные схемы для тех, кто разбирается в электрическом проектировании с математически обоснованными принципами проектирования, а производительность подкрепляется данными и графиками.

Итак, с учетом сказанного, следующий уровень — покупка коммерчески доступного источника тока.

Каковы типичные диапазоны цен на имеющиеся в продаже драйверы лазерных диодов?

Вот краткий обзор основных стилей корпусов и ценовых диапазонов имеющихся в продаже источников постоянного и импульсного тока.

»Источники тока уровня IC для монтажа на печатной плате: Это интегральная схема (IC), припаянная непосредственно к печатной плате (PCB).Как правило, это источники более низкого энергопотребления и базового тока, обеспечивающие от 10 мА до 500 мА. Вы найдете их в своем DVD-плеере, сканерах штрих-кодов, указателях и т. Д. Диапазон цен: от 10 до 100 долларов.

»Драйверы OEM-модулей: Это источники тока, встроенные в небольшой корпус или радиатор; подключения к модулю драйвера необходимы для питания переменного или постоянного тока и источников логического управления, а также подключение к нагрузке. Они доступны в широком диапазоне диапазонов выходного тока, от 50 мА до 100 А.Диапазон цен: от 250 до 2500 долларов.

»Настольные драйверы: Это автономные источники тока, которые размещены в корпусе с передней панелью для облегчения управления. Единственные подключения к нему — это вход переменного тока и выход для нагрузки лазерного диода. Они могут быть многофункциональными (управление микропроцессором, низкий уровень шума, высокая стабильность, многодиапазонный) или базовыми (аналоговое управление, одиночный диапазон, включение / выключение), малой или высокой мощностью. Доступны в импульсном и непрерывном режимах от 100 мА до 100 А или более.Вы найдете их во многих оптических лабораториях, чистых комнатах и ​​т. Д. Диапазон цен: от 1000 до 10 000 долларов

Что самое важное? Защита вашего лазерного диода:

Защита лазерного диода, о которой часто забывают, забывают или просто игнорируют. Что ж, вы можете рискнуть и просто использовать любой источник тока или напряжения, но вы рискуете либо повредить очень дорогой лазерный диод в разработке, либо рискуете потерять часы лабораторной работы и устранения неполадок из-за перегоревшего лазера.Диодные лазеры имеют низкую стойкость к тепловому удару. Стратегии защиты, используемые в большинстве имеющихся в продаже источников тока лазерных диодов, включают способ включения и выключения источника тока (схемы медленного пуска), защиту от перегрузки по току (ограничения тока), защиту от переходных процессов, прокладку кабелей и т. Д. от Newport Corp. о защите: защита лазерного диода.

Учет всех уровней защиты должен быть важным фактором не только в коммерческих источниках тока лазерных диодов, но и в реализации и соблюдении в лаборатории или системе разработки продукции.

И не забывайте также о контроле температуры … многие критические параметры лазерного диода, включая длину волны, пороговый ток и эффективность, сильно зависят от температуры перехода. Таким образом, для многих приложений требуется очень стабильный контроль температуры.

Какие наиболее важные характеристики следует учитывать при выборе драйвера?

Этот ответ наверняка зависит от области применения диода. Например, к лазерной указке не так много строгих требований по контролю тока, как к диодам, используемым в спектроскопических приложениях, требующих очень узкой ширины линии.В большинстве исследовательских приложений, где вы собираетесь потратить от сотен до нескольких тысяч долларов на источник тока лазерного диода, наиболее важными характеристиками являются: защита от скачков и переходных процессов по току и напряжению, плотность шума тока и долговременная стабильность. Безусловно, есть много других важных функций, но вам нужен источник постоянного тока, прежде всего, чтобы оптимизировать и защитить лазерный диод для конкретного применения.

Еще одно замечание об атрибутах, хотя и не упомянутых в первой тройке, текущий диапазон, конечно, важен.Но помимо очевидной причины, вот почему: если вы покупаете источник тока с диапазоном 2 А, а диоду требуется только 50 мА, обратите внимание на разрешение источника тока, оно зависит от общего выходного диапазона. Точность вывода также зависит от диапазона, если это важно для приложения. Обратите особое внимание на спецификации производителя для этих спецификаций. Поищите технические примечания или спросите производителя, как они определяются, измеряются и проверяются.

Кто делает драйверы для лазерных диодов?

Теперь у вас есть основа, которая поможет вам начать поиск конкретного драйвера источника тока для вашей лаборатории.Вы можете посетить наш индекс драйверов лазерных диодов, чтобы сравнить цены и характеристики многих ведущих мировых производителей. Эти компании предлагают широкий спектр маломощных, высокомощных, непрерывных и импульсных драйверов лазерных диодов, богатых функциями и производительностью.

диодов — обзор | Темы ScienceDirect

8.4.2 Диоды

Диод представляет собой двухслойный полупроводниковый прибор с двумя выводами. Когда полупроводниковые материалы n-типа и p-типа соединяются вместе, это образует PN-переход, который называется диодом.Полупроводниковый диод работает, позволяя току течь через него в одном направлении, но не в другом. Основная структура и обозначение схемы полупроводникового диода показаны на рисунке 8.34. Две клеммы называются анодом (A) и катодом (K).

Рисунок 8.34. Полупроводниковый диод

Обычный ток течет через диод от анода к катоду (электроны текут от катода к аноду). Носителями тока в полупроводниках p-типа являются дырки, а в полупроводниках n-типа — электроны.Нормальная диффузия на стыке двух материалов вызовет дрейф некоторых дырок в материал n-типа, а часть электронов — в материал p-типа. Это создает небольшой заряд на стыке, который отталкивает любую дальнейшую диффузию дырок и электронов. Заряженная область на стыке называется областью обеднения или барьерной областью. Работа диода рассматривается, когда диод смещен в прямом или обратном направлении, как показано на рисунке 8.35.Здесь прикладывается напряжение (В) и может быть измерен ток (I).

Рисунок 8.35. Работа полупроводникового диода

Типичные области применения полупроводникового диода включают выпрямление сигналов переменного тока в источниках питания, схемы пиковых детекторов, ограничение уровня сигнала (для предотвращения превышения уровня напряжения сигнала над безопасным уровнем, называемого защитой входных цепей), телекоммуникации и индуктивные цепи цепи улавливания обратной ЭДС (для снятия больших напряжений, создаваемых быстро меняющимся током в катушке индуктивности).

Когда диод смещен в прямом направлении, это уменьшает область обеднения. Если диод достаточно смещен (на достаточно высокое значение V), то начинает течь ток (I). Однако, если диод смещен в обратном направлении, это приводит к увеличению области обеднения и предотвращает протекание тока.

Идеальный диод проводит только тогда, когда диод смещен в прямом направлении, и тогда падение напряжения на диоде (Vd) равно нулю. Когда идеальный диод смещен в обратном направлении, ток не течет.

В реальном диоде, когда диод смещен в прямом направлении, на диоде имеется конечное падение напряжения (Vd): примерно 0,6 В для кремниевого диода и примерно 0,4 В для германиевого диода. Если приложенное напряжение ниже этого значения, ток не будет протекать. Когда реальный диод смещен в обратном направлении, будет небольшой, но конечный ток утечки. Вольт-амперная характеристика кремниевого диода показана на рисунке 8.36.

Рисунок 8.36. Характеристики полупроводникового диода (шкалы с прямым смещением и обратным смещением не равны)

При прямом смещении уравнение диода определяется следующим образом:

I = Is⋅ (ур.v / KT-1)

где I — ток, протекающий в диоде, Is — ток насыщения или утечки (обычно порядка 10 –14 A), V — напряжение на диоде (т. е. V d ), q — заряд электрона, k — постоянная Больцмана, а T — абсолютная температура (в градусах Кельвина). Для схемы, работающей при температуре около 20 ° C, k.T / q обычно принимается равным 25 м В.

Варианты полупроводникового диода, обычно встречающиеся в электронных схемах, включают стабилитрон, светоизлучающий диод (LED) и фотодиод.

Если напряжение обратного смещения превышает максимальное значение, напряжение пробоя диода будет проводить ток, и чрезмерный ток может вывести устройство из строя. Это называется лавинным срывом. Также может иметь место вторая форма пробоя, туннельный пробой (или пробой Зенера).

Стабилитрон имеет управляемое обратное напряжение пробоя. Туннелирование или пробой стабилитрона происходит при превышении управляющего напряжения. Символ стабилитрона показан на рисунке 8.37. Стабилитрон используется в таких приложениях, как источники питания и цепи опорного напряжения.

Рисунок 8.37. Символ стабилитрона

Светодиод — это диод, который заставляет устройство излучать свет, когда через него протекает ток (с прямым смещением). Доступные цвета: красный, зеленый, оранжевый, синий и белый. Символ светодиода показан на Рисунке 8.38.

Рисунок 8.38. Символ светодиода

Типичное применение светодиода показано на Рисунке 8.39. Здесь светодиод подключен к напряжению источника питания схемы и используется для индикации наличия питания в схеме. Напряжение питания +5 В постоянного тока.Прямое падение напряжения на светодиоде составляет 2 В (фактическое значение зависит от конкретного светодиода), а прямой ток для стандартных светодиодов составляет 20 мА (фактическое значение зависит от конкретного светодиода). Чтобы подключить светодиод к источнику +5 В, ток, протекающий через диод, должен быть ограничен резистором подходящего номинала.

Рисунок 8.39. Работа светодиода

Фотодиод может использоваться для измерения силы света, поскольку он производит ток, зависящий от количества света, падающего на pn переход.

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 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: Принципы цифрового мультиметра, автор Glen A.Мазур, американское техническое издательство.

О непрерывных лазерах MatchBox

Интерфейс управления

Лазеры серии

MatchBox® оснащены интерфейсом контроллера универсального асинхронного приемника / передатчика (UART). Распиновка объясняется ниже — отдельно для диодных и DPSS-лазеров.

Лазер диодный с регулярным спектром



  • Выводы Tx и Rx используются для связи, считывания ошибок и изменения параметров

  • Контакт GND общий для корпуса

  • Вывод Vcc используется для питания + VDC

  • Вывод TTL может иметь два назначения: цифровая модуляция лазера TTL ON / OFF (в случае обычных диодов) или управление вентилятором с регулируемой скоростью *** (в случае диодов со стабилизированной длиной волны)

*** Заводские настройки TTL или FAN предварительно настроены.

DPSS / узкоспектральные диодные / высокомощные диодные лазеры



  • Выводы Tx и Rx используются для связи, считывания ошибок и изменения параметров

  • Контакт GND общий для корпуса

  • Вывод Vcc используется для питания + VDC

  • FAN ctrl. штифт используется для регулирования скорости вентилятора ***

*** Может быть настроен на виртуальную модуляцию TTL с полосой модуляции до 500 Гц.


Разъемная коробка Описание

Break-out-Box (продается отдельно) содержит схему преобразователя UART-USB и стандартные порты подключения в прочном корпусе из анодированного алюминия.

  • Порт USB-micro для передачи данных используется для связи с компьютером.

  • Блокировка имеет два контакта — INT-GND и INT. Когда штифты укорачиваются с помощью фиксирующей петли, лазер может работать.

  • Сигнальные провода модуляции TTL должны быть подключены к слотам TTL и GND.

  • Питание Порт USB-C используется для подачи питания PD (Power Delivery). Коммутационная коробка запрашивает от источника питания + 9 В постоянного тока или +12 В постоянного тока и преобразует его в + 5 В постоянного тока, обеспечивая тем самым надежную и стабильную подачу напряжения на лазер.

  • Слоты FAN и + 5V совместимы со всеми нашими радиаторами с вентиляторным охлаждением.Слот FAN используется для GND вентилятора-радиатора.


Программный интерфейс

Программное обеспечение для управления лазером MatchBox® используется для проверки предустановленных параметров, таких как макс. ток лазерного диода, заданные температуры для внутреннего лазерного диода, корпуса лазера и фактические измеренные значения этих параметров, а также процент нагрузки элементов Пельтье . Это очень полезно для отслеживания возраста лазерных диодов и других действий по устранению неполадок.

Окно программного обеспечения разделено на четыре сегмента . Каждый сегмент представляет собой отдельное поле управления лазера MatchBox®:

Прямо над первым сегментом вы можете увидеть номер порта, имя элемента, серийный номер и версию оборудования.

Первый сегмент используется для включения питания лазера, но лазер не излучает свет. Предупреждающий знак также можно увидеть в сегменте. Он указывает, включено или выключено питание лазера.Следующий параметр, отображаемый в этом сегменте, — это режим работы лазера.

Вторая часть программного окна используется для управления мощностью лазера. Вы можете включить или выключить лазерное излучение, изменить единицы измерения оптической мощности.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *