Схема диода: Диоды и их разновидности

Содержание

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ

Полупроводниковым диодом называется прибор с одним p-n переходом и двумя выводами, позволяющими включать его во внешнюю электрическую цепь. О принципе действия и физике проходящего в этом приборе процессе будет рассказано в данном материале.

Теоретическая часть

Работа полупроводниковых диодов основана на свойствах p-n перехода, который образуется на границе раздела областей полупроводника с дырочной (p) и электронной проводимостью (n). Концентрация электронов в n – области значительно больше, чем в p-области, а дырок в p – области больше, чем в n – области. Неодинаковая плотность частиц вызывает диффузию основных носителей из областей с большей концентрацией: электронов из n – области и дырок из p – области. В результате рекомбинации на границе p — и n — областей возникает обедненный носителями слой, который называется запирающим (рис. 1, а). Ионы донорной и акцепторной примеси в области запирающего слоя создают электрическое поле с напряженностью Евн, которое препятствует дальнейшей диффузии основных носителей и создает дрейфовый ток, обусловленный неосновными носителями.

Полупроводниковый диод

Рисунок 1. Полупроводниковый диод

При подключении источника э.д.с. к n-p переходу в зависимости от направления вектора напряженности источника ширина запирающего слоя может:

  • Уменьшаться — векторы напряженности источника и запирающего слоя противоположны, что приводит к увеличению диффузного тока;
  • Увеличиваться — векторы напряженности источника и запирающего слоя направлены в одну сторону, что приводит к уменьшению диффузионных токов практически до нуля и увеличению дрейфового тока.

Перечисленные свойства p-n перехода используются в полупроводниковых диодах. Полупроводниковые диоды имеют несимметричные электронно-дырочные переходы. Одна область полупроводника с более высокой концентрацией примесей (высоколегированная область) служит эмиттером, а другая с меньшей концентрацией примесей (низколегированная область) – базой.

Вывод, который подключает эмиттер к внешней электрической цепи, называется катодным, а вывод, который подключается к базе – анодным (рис. 1, б).

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в ток одного направления. Вольт — амперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода показана на рис. 2.

ВАХ полупроводникового диода

Рисунок 2. ВАХ полупроводникового диода

Вольт — амперная характеристика имеет прямую («1» на рис. 2) и обратную («2» на рис. 2) ветви. При включении диода в прямом направлении (прямая ветвь ВАХ) вектор напряженности внешнего источника Еист направлен противоположно вектору напряженности p-n перехода диода, положительный полюс источника подключен к аноду диода, а отрицательный полюс к катоду диода. При этом суммарный вектор напряженности уменьшается. Это приводит к уменьшению потенциального барьера в p-n переходе.

В этом режиме часть основных носителей заряда с наибольшими значениями энергии будет преодолевать понизившийся потенциальный барьер, и проходить через p-n-переход. В переходе нарушится равновесное состояние, и через него потечет диффузионный ток обусловленный инжекцией электронов из n-области в полупроводник и дырок — из p-области в n-полупроводник.

Напряжение Uпор, начиная с которого малые приращения прямого напряжения вызывают резкое увеличение тока, называют пороговым.

При включении диода в обратном направлении (обратная ветвь ВАХ) направление вектора напряженности внешнего источника Еист совпадает с вектором напряженности поля перехода: отрицательный полюс источника соединен катодом диода, а положительный полюс источника соединен с анодом диода. Такое включение диода приводит к увеличению потенциального барьера p-n перехода диода и ток через переход будет определяться неосновными носителями заряда: электронами из p-области в n-область и дырками из n-области в p-область. Этот процесс называется экстракцией неосновных носителей, а ток, протекающий через диод, называют обратным током Iобр.

При дальнейшем увеличении обратного напряжения, приложенного к диоду, при некотором значении Uобр1 в нем будет происходить резкий рост обратного тока – участок «3» на рисунке 2. Это явление называется пробоем. Различают электрический и тепловой пробой p-n перехода. Лавинный пробой – это электрический пробой перехода, вызванный лавинным размножением носителей заряда под действием сильного электрического поля. Электроны, ускорившись в поле запирающего слоя, выбивают из атомов полупроводника валентные электроны, которые, в свою очередь, успевают ускориться и выбить новые электроны, и т.д. Процесс развивается лавинообразно и сопровождается быстрым нарастанием обратного тока.

Тепловой пробой возникает из-за перегрева p-n перехода или отдельного его участка (участок «4» на рис. 2). При этом происходит интенсивная генерация пар электрон – дырка и увеличивается обратный ток, что приводит к увеличению мощности, выделяющейся в p-n переходе и дальнейшему его разогреву. Этот процесс также лавинообразный, завершается расплавлением перегретого участка перехода и выходом диода из строя.

В зависимости от соотношения линейных размеров выпрямляющего p-n перехода полупроводниковые диоды делятся на два класса: точечные и плоскостные. Точечные диоды имеют малую емкость p-n перехода и применяются для выпрямления переменного тока любых частот вплоть до СВЧ. В плоскостных диодах емкость p-n перехода составляет несколько десятков пФ.

Практическая часть

Лабораторная работа посвящена исследованию полупроводникового выпрямительного диода. Исследуемый диод FR302 закреплен на стеклотекстолитовой плате вместе с токоограничительным резистором МЛТ-2 43 Ом. Резистор предназначен для ограничения тока при снятии прямой ветви характеристики, т. к. при открытом p-n-переходе сопротивление диода мало.

Испытание полупроводникового диода

Проводимость диода исследуется с помощью миллиамперметра (микроамперметра) и вольтметра, по показаниям, которых строится вольтамперная характеристика (ВАХ) диода. 

Схема испытания диода

Рисунок 3. Электрическая принципиальная схема снятия прямой ветви ВАХ диода

Питание установки осуществляется от регулируемого блока питания, который дает постоянный ток напряжением от 0 до 12 В (стабилизированный выход) и постоянный ток напряжением от 0 до 36 В (нестабилизированный выход). 

Опыт снятия прямой ветви ВАХ диода

Для снятия прямой ветви характеристики используется миллиамперметр и милливольтметр, т. к. в открытом состоянии падение напряжения на диоде составляет около 1 В, а ток через него достигает 200 мА.

Электрическая принципиальная схема снятия обратной ветви ВАХ диода

Рисунок 4. Электрическая принципиальная схема снятия обратной ветви ВАХ диода

Для снятия обратной ветви ВАХ диода обратное напряжение на диоде доводится до 36 В. При таком напряжении обратный ток диода FR302 остается небольшим (единицы-десятки микроампер), поэтому для его измерения в цепь вместо миллиамперметра включают микроамперметр. Сильно увеличивать обратный ток диода крайне нежелательно, так как это может привести к его выходу из строя. К тому же напряжения выше 42 В опасны, и их использование нежелательно.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ - ЛАБОРАТОРНАЯ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ - ЛАБОРАТОРНАЯ 2

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ - ЛАБОРАТОРНАЯ 3

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ - ЛАБОРАТОРНАЯ 5

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ - ЛАБОРАТОРНАЯ 6

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ - ЛАБОРАТОРНАЯ 7

Материал предоставил для изучения — Denev.

   Форум

   Обсудить статью ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ


Диоды выпрямительные, принцип работы, характеристики, схемы подключения

Электрика » Схемотехника » Схемы подключения » Диоды » Выпрямительные

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

ВАХ диода 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.

Подключение диода 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.

Мостовая схема диодов

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):

Схемы включения диодов
  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.

© 2012-2020 г. Все права защищены.

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


Диод. Светодиод. Стабилитрон / Хабр

Не влезай. Убьет! (с)

Постараюсь объяснить работу с диодами, светодиодами, а также стабилитронами на пальцах. Опытные электронщики могут пропустить статью, поскольку ничего нового для себя не обнаружат. Не буду вдаваться в теорию электронно-дырочной проводимости pn-перехода. Я считаю, что такой подход обучения только запутает начинающих. Это голая теория, почти не имеющая отношения к практике. Впрочем, интересующимся теорией предлагаю эту статью. Всем желающим добро пожаловать под кат.

Это вторая статья из цикла электроники. Рекомендую к прочтению также первую, которая повествует о том, что такое электрический ток и напряжение.

Диод – полупроводниковый прибор, имеющий 2 вывода для подключения. Изготавливается, упрощенно говоря, путем соединения 2х полупроводников с разным типом примеси, их называют донорной и акцепторной, n и p соответственно, поэтому диод содержит внутри pn-переход. Выводы, обычно состоящие из луженой меди, называют анод (А) и катод (К). Эти термины пошли еще со времен электронных ламп и используются в письменном виде, для обозначения направленности диода. Гораздо проще графическое обозначение. Названия выводов диода запомнятся сами собой при применении на практике.


Как я уже писал, мы не будем использовать теорию электронно-дырочной проводимости диода. Просто инкапсулируем эту теорию до черного ящика с двумя зажимами для подключения. Примерно так же программисты инкапсулируют работу со сторонними библиотеками, не вдаваясь в е… подробности их работы. Или, например, когда, пользуясь пылесосом, мы не вдаёмся в подробности, как он устроен внутри, он просто работает и нам важно одно из свойств пылесоса – сосать пыль.

Рассмотрим свойства диода, самые очевидные:

  • От анода к катоду, такое направление называется прямым, диод пропускает ток.
  • От катода к аноду, в обратном направлении, диод ток не пропускает. (Вообще-то нет. Но об этом позже.)
  • При протекании тока, в прямом направлении, на диоде падает некоторое напряжение.


Возможно эти свойства вам и так хорошо известны. Но есть некоторые дополнения. Что же считать прямым, а что обратным направлением? Прямым называют такое включение, когда на аноде напряжение больше, чем на катоде. Обратное, наоборот. Прямое и обратное включение – это условность. В реальных схемах напряжение на одном и том же диоде может меняться с прямого на обратное и наоборот.

Кремниевый диод начинает пропускать хоть какой-либо значимый ток только тогда, когда на аноде напряжение будет больше примерно на 0,65 В, чем на катоде. Нет, не так. При протекании хоть какого-либо тока, на диоде образуется падение напряжения, примерно равное 0,65 В и выше.

Напряжение 0,65 В – называют прямым падением напряжения на pn-переходе. Это лишь примерная средняя величина, она зависит от тока, температуры кристалла и технологии изготовления диода. При изменении протекающего тока, она изменяется нелинейно. Чтобы как-то обозначить эту нелинейность графически, производители снимают вольтамперные характеристики диода. В мощных высоковольтных диодах падение напряжения может быть больше в 2, 3 и т.д. раза. Это означает, что внутри диода включено несколько pn-переходов последовательно.

Для определения падения напряжения можно использовать вольтамперную характеристику (ВАХ) диода в виде графика. Иногда эти графики приводятся в дата-листах (datasheets) на реальные модели диода, но чаще их нет. На первом мне попавшемся графике ниже приведены ВАХ КД243А, хотя это не важно, они все примерно похожи.


На графике Uпр – это прямое падение напряжения на диоде. Iпр – протекающий через диод ток. График показывает какое падение напряжения на диоде будет, при протекании n-го тока. Но чаще всего в даталистах не показываются реальные ВАХ, а приводится прямое падение напряжения, указанное при определенном токе. В английской литературе падение напряжения обозначается как forward voltage.

Как применять


Падение напряжения на диоде – для нас плохая характеристика, поскольку это напряжение не совершает полезной работы и рассеивается в виде тепла на корпусе диода. Чем меньше падение, тем лучше. Обычно падение напряжения на диоде определяют исходя из тока, протекающего через диод. Например, включим диод последовательно с нагрузкой. По сути это будет защита схемы от переплюсовки, на случай, если блок питания отсоединяемый. На рисунке ниже в качестве защищаемой схемы взят резистор 47 Ом, хотя в реальности это может быть все, что угодно, например, участок большой схемы. В качестве блока питания – батарея на 12 В.
Допустим, нагрузка без диода потребляет 255 мА. В данном случае это можно посчитать по закону Ома: I= U / R = 12 / 47 = 0,255 А или 255 мА. Хотя обычно потребление сферической схемы в вакууме уже известно, хотя бы по максимальным характеристикам блока питания. Найдем на графике ВАХ, указанный выше, падение напряжения для диода КД243А при 0,255 А протекающего тока, при 25 градусах. Оно равно примерно 0,75 В. Эти 0,75 В упадут на диоде, и для питания схемы останется 12 — 0,75 = 11,25 В — иногда может и не хватить. Как бонус, можно найти мощность, в виде тепла и потерь выделяющуюся на диоде по формуле P = I * U = 0,75 * 0,255 = 0,19 Вт, где I и U – ток через диод и падение напряжения на диоде.

Что же делать, когда график ВАХ недоступен? Например, для популярного диода 1n4007 указано только прямое напряжения forward voltage 1 В при токе 1 А. Нужно и использовать это значение, либо измерить реальное падение. А если для какого-либо диода это значение не указано, то сойдет среднее 0,65 В. В реальности проще это падение напряжения измерить вольтметром в схеме, чем выискивать в графиках. Думаю, не надо объяснять, что вольтметр должен быть включен на постоянное напряжение, если через диод течет постоянный ток, а щупы должны касаться анода и катода диода.

Немного про другие характеристики


В предыдущем примере, если перевернуть батарейку, я имею ввиду поменять полярность, см. нижний рисунок, ток не потечет и падение напряжения на диоде в худшем случае составит 12 В — напряжение батареи. Главное, чтобы это напряжение не превышало напряжение пробоя нашего диода, оно же обратное напряжение, оно же breakdown voltage. А также важно еще одно условие: ток в прямом направлении через диод не превышал номинальный ток диода, он же forward current. Это два основных параметра по которых выбирается диод: прямой ток и обратное напряжение.

Иногда в даталистах также указывается рассеиваемая мощность диодом или номинальная мощность (power dissipation). Если она указана, то ее нельзя превышать. Как ее посчитать, мы уже разобрались на предыдущем примере. Но если мощность не указана, тогда надо ориентироваться по току.

Говорят, что в обратном направлении ток через диод не течет, ну или почти не потечет. На самом деле через него протекает ток утечки, reverse current в английской литературе. Этот ток очень маленький, от нескольких наноампер у маломощных диодов до нескольких сот микроампер, у мощных. Также этот ток зависит от температуры и приложенного напряжения. В большинстве случаем ток утечки не играет никакой роли, например, в как в предыдущем примере, но, когда вы будете работать с наноамперами и поставите какой-либо защитный диод на входе операционного усилителя, тогда может случиться ой… Схема поведет себя совсем не так, как задумывалась.

У диодов так же есть некоторая маленькая паразитная емкость capacitance. Т.е., по сути, это конденсатор, параллельно включенный с диодом. Эту емкость надо учитывать при быстрых процессах при работе диода в схеме с десятками-сотнями мегагерц.

Также несколько слов по поводу термина «номинал». Обычно номинальные ток и напряжение обозначают, что при превышении этих параметров производитель не гарантирует работу изделия, если не сказано другое. И это для всех электронных компонентов, а не только для диода.

Что еще можно сделать


Применений диодов существует множество. Разработчики-радиоэлектронщики обычно выдумывают свои схемы из кусочков других схем, так называемых строительных кирпичиков. Вот несколько вариантов.

Например, схема защиты цифровых или аналоговых входов от перенапряжения:


Диоды в этой схеме при нормальной работе не пропускают ток. Только ток утечки. Но когда по входу возникает перенапряжение с положительной полуволной, т.е. напряжение входа становится больше чем Uпит плюс прямое падение напряжения на диоде, то верхний диод открывается и вход замыкается на шину питания. Если возникает отрицательная полуволна напряжения, то открывается нижний диод и вход замыкается на землю. В этой схеме, кстати, чем меньше утечки и емкость у диодов, тем лучше. Такие схемы защиты уже, как правило, стоят во всех современных цифровых микросхемах внутри кристалла. А внешними мощными сборками TVS-диодов защищают, например, USB порты на материнских платах.

Также из диодов можно собрать выпрямитель. Это очень распространённый тип схем и вряд ли кто-то из читателей про них не слышал. Выпрямители бывают однополупериодные, двухполупериодные и мостовые. С однополупериодным выпрямителем мы уже познакомились в нашем самом первом многострадальном примере, когда рассматривали защиту от переплюсовки. Никакими особыми плюсами не обладает, кроме плюса на батарейке. Один из самых важных минусов, который ограничивает применение схемы однополупериодного выпрямителя на практике: схема работает только с положительной полуволной напряжения. Отрицательное напряжение напрочь отсекает и ток при этом не течет. «Ну и что?», скажете вы, «Такой мощности мне будет достаточно!». Но нет, если такой выпрямитель стоит после трансформатора, то ток будет протекать только в одну сторону через обмотки трансформатора и, таким образом, трансформаторное железо будет дополнительно подмагничиваться. Трансформатор может войти в насыщение и греться намного больше положенного.

Двухполупериодные выпрямители этого недостатка лишены, но им необходим средний вывод обмотки трансформатора. Здесь при положительной полярности переменного напряжения открыт верхний диод, а при отрицательной – нижний. КПД трансформатора используется не полностью.


Мостовые схемы лишены обоих недостатков. Но теперь на пути тока включены два диода в любой момент времени: прямой диод и обратный. Падение напряжения на диодах удваивается и составляет не 0,65-1В, а в среднем 1,3-2В. С учетом этого падения считается выпрямленное напряжение.
Например, нам надо получить 18 вольт выпрямленного напряжения, какой трансформатор для этого выбрать? 18 вольт плюс падение на диодах, возьмем среднее 1,4 В, равно 19,4 В. Мы знаем из предыдущей статьи, что амплитудное значение переменного напряжения в корень из 2 раз больше его действующего значения. Поэтому во вторичной цепи трансформатора переменное действующее напряжение равно 19,4 / 1,41 = 13,75В. С учетом того, что напряжение в сети может гулять на 10%, а также под нагрузкой напряжение немного просядет, выберем трансформатор 230/15 В.

Мощность требуемого нам трансформатора можно посчитать от тока нагрузки. Например, мы собираемся подключать к трансформатору нагрузку в один ампер. Это если с запасом. Всегда оставляйте небольшой запас, в 20-40%. Просто по формуле мощности можно найти P = U * I = 15 * 1 = 15 ВА, где U и I – напряжение и ток вторичной обмотки. Если вторичных обмоток несколько, то их мощности складываются. Плюс потери на трансформацию, плюс запас, поэтому выберем трансформатор 20-40 ВА. Хотя часто трансформаторы продаются с указанием тока вторичных обмоток, но проверить по габаритной мощности не помешает.

После выпрямительного моста необходим сглаживающий конденсатор, на рисунке не показан. Не забывайте про него! Есть умные формулы по расчету этого конденсатора в зависимости от количества пульсаций, но порекомендую такое правило: ставить конденсатор 10000мкФ на один ампер потребления тока. Вольтаж конденсатора не меньше, чем выпрямленное без нагрузки напряжение. В данном примере можно взять конденсатор с номиналом 25В.

Диоды в этой схеме выберем на ток >=1А и обратное напряжение, с запасом, больше 19,4 В, например, 50-1000 В. Можно применить диоды Шоттки. Это те же диоды, только с очень маленьким падением напряжения, которое часто составляет десятки милливольт. Но недостаток диодов Шоттки – их не выпускают на более-менее высокие напряжения, больше 100В. Точнее с недавнего времени выпускают, но их стоимость заоблачная, а плюсы уже не так очевидны.

Светодиод


Внутри устроен совсем по другому, чем диод, но имеет те же самые свойства. Только еще и светится при протекании тока в прямом направлении.
Все отличие от диода в некоторых характеристиках. Самое важное – прямое падение напряжения. Оно гораздо больше, чем 0,65 В у обычного диода и зависит в основном от цвета светодиода. Начиная от красного, падение напряжения которого составляет в среднем 1,8 В, и заканчивая белым или синим светодиодом, падение у которых около 3,5 В. Впрочем, у невидимого спектра эти значения шире.
По сути падение напряжения здесь – минимальное напряжение зажигания диода. При меньшем напряжении, у источника питания, тока не будет и диод просто не загорится. У мощных осветительных светодиодов падение напряжения может составлять десятки вольт, но это значит лишь, что внутри кристалла много последовательно-параллельных сборок диодов.

Но сейчас поговорим об индикаторных светодиодах, как наиболее простых. Их выпускают в различных корпусах, наиболее часто в полуокруглых, диаметром 3, 5, 10 мм.


Любой диод светится в зависимости от протекающего тока. По сути это токовый прибор. Падение напряжения получается автоматически. Ток мы задаем сами. Современные индикаторные диоды более-менее начинают светиться при токе 1 мА, а при 10 мА уже выжигают глаза. Для мощных осветительных диодов надо смотреть документацию.

Применение светодиода


Имея лишь соответствующий резистор можно задать нужный ток через диод. Конечно, понадобится еще и блок питания постоянного напряжения, например, батарейка 4,5 В или любой другой БП.

Например, зададим ток 1мА через красный светодиод с падением напряжения 1,8 В.


На схеме показаны узловые потенциалы, т.е. напряжения относительно нуля. В каком направлении включать светодиод нам подскажет лучше всего мультиметр в режиме прозвонки, поскольку иногда попадаются напрочь китайские светодиоды с перепутанными ногами. При касании щупов мультиметра, в правильном направлении, светодиод должен слабо светиться.

Поскольку применен красный светодиод, то на резисторе упадет 4,5 — 1,8 = 2,7В. Это известно по второму закону Кирхгофа: сумма падений напряжения на последовательных участках схемы равно ЭДС батарейки, т.е. 2,7 + 1,8 = 4,5В. Чтобы ограничить ток в 1мА, резистор по закону Ома должен обладать сопротивлением R = U / I = 2,7 / 0,001 = 2700 Ом, где U и I – напряжение на резисторе и необходимый нам ток. Не забываем переводить величины в единицы СИ, в амперы и вольты. Поскольку выпускаемые номиналы сопротивлений стандартизованы выберем ближайший стандартный номинал 3,3кОм. Конечно, при этом ток изменится и его можно пересчитать по закону Ома I = U / R. Но зачастую это не принципиально.

В этом примере ток, отдаваемый батарейкой, мал, так что внутренним сопротивлением батареи можно пренебречь.

С осветительными светодиодами все тоже самое, только токи и напряжения выше. Но иногда им уже не требуется резистор, надо смотреть документацию.

Что-то еще про светодиод


По сути, светить – это основное назначение светодиода. Но есть и другое применение. Например, светодиод может выступать в качестве источника опорного напряжения. Они необходимы, например, для получения источников тока. В качестве источников опорного напряжения, как менее шумные, применяют красные светодиоды. Их включают в схему так же, как и в предыдущем примере. Поскольку напряжение батарейки относительно постоянное, ток через резистор и светодиод тоже постоянный, поэтому падение напряжения остается постоянным. От анода светодиода, где 1,8В, делается отвод и используется это опорное напряжение в других участках схемы.

Для более надежной стабилизации тока на светодиоде, при пульсирующем напряжении источника питания, вместо резистора в схему ставят источник тока. Но источники тока и источники опорного напряжения – это тема еще одной статьи. Возможно, когда-нибудь я ее напишу.

Стабилитрон


В английской литературе стабилитрон называется Zener diode. Все тоже самое, что и диод, в прямом включении. Но сейчас поговорим только про обратное включение. В обратном включении под действием определенного напряжения на стабилитроне возникает обратимый пробой, т.е. начинает течь ток. Этот пробой полностью штатный и рабочий режим стабилитрона, в отличие от диода, где при достижении номинального обратного напряжения диод просто выходил из строя. При этом, ток через стабилитрон в режиме пробоя может меняться, а падение напряжение на стабилитроне остается практически неизменным.
Что нам это дает? По сути это маломощный стабилизатор напряжения. Стабилитрон имеет все те же характеристики, что и диод, плюс добавляется так же напряжение стабилизации Uст или nominal zener voltage. Оно указывается при определенном токе стабилизации Iст или test current. Также в документации на стабилитроны указываются минимальный и максимальный ток стабилизации. При изменении тока от минимального до максимального, напряжение стабилизации несколько плавает, но незначительно. См. вольт-амперные характеристики.
Рабочая зона стабилитрона обозначена зеленым цветом. На рисунке видно, что напряжение на рабочей зоне практически неизменно, при широком диапазоне изменения тока через стабилитрон.

Чтобы выйти на рабочую зону, нам надо установить ток стабилитрона между [Iст. min – Iст. max] с помощью резистора точно так же, как это делалось в примере со светодиодом (кстати, можно также с помощью источника тока). Только, в отличие от светодиода, стабилитрон включен в обратном направлении.

При меньшем токе, чем Iст. min стабилитрон не откроется, а при большем, чем Iст. max – возникнет необратимый тепловой пробой, т.е. стабилитрон просто сгорит.

Расчёт стабилитрона


Рассмотрим на примере нашего рассчитанного трансформаторного БП. У нас есть блок питания, выдающий минимум 18 В (по сути там больше, из-за трансформатора 230/15 В, лучше мерить в реальной схеме, но суть сейчас не в этом), способный отдавать ток 1 А. Нужно запитать нагрузку с максимальным потреблением 50 мА стабилизированным напряжением 15 В (например, пусть это будет какой-нибудь абстрактный операционный усилитель – ОУ, у них примерно такое потребление).
Такая слабая нагрузка выбрана неспроста. Стабилитроны довольно маломощные стабилизаторы. Они должны проектироваться так, чтобы через них мог проходить без перегрева весь ток нагрузки плюс минимальный ток стабилизации Iст. min. Это необходимо, потому что ток после резистора R1 делится между стабилитроном и нагрузкой. В нагрузке ток может быть непостоянным, либо нагрузка может выключаться из схемы совсем. По сути это параллельный стабилизатор, т.е. весь ток, который не уйдет в нагрузку, примет на себя стабилитрон. Это как первый закон Кирхгофа I = I1 + I2, только здесь I = Iнагр + Iст. min.

Итак, выберем стабилитрон с напряжением стабилизации 15 В. Для установки тока через стабилитрон всегда необходим резистор (или источник тока). На резисторе R1 упадет 18 – 15 = 3 В. Через резистор R1 будет протекать ток Iнагр. + Iст. min. Примем Iст. min = 5 мА, это примерно достаточный ток для всех стабилитронов с напряжением стабилизации до 100 В. Выше 100 В можно принимать 1мА и меньше. Можно взять Iст. min и больше, но это только будет бесполезно греть стабилитрон.

Итак, через R1 течет Ir1 = Iнагр. + Iст. min = 50 + 5 = 55 мА. По закону Ома находим сопротивление R1 = U / I = 3 / 0,055 = 54,5 Ом, где U и I – напряжение на резисторе и ток через резистор. Выберем из ближайшего стандартного ряда сопротивление 47 Ом, будет чуть больше ток через стабилитрон, но ничего страшного. Его даже можно посчитать, общий ток: Ir1 = U / R = 3 / 47 = 0,063А, далее минимальный ток стабилитрона: 63 — 50 = 13 мА. Мощность резистора R1: P = U * I = 3 * 0,063 = 0,189 Вт. Выберем стандартный резистор на 0,5 Вт. Советую, кстати, не превышать мощность резисторов примерно Pmax/2, дольше проживут.

На стабилитроне тоже рассеивается мощность в виде тепла, при этом в самом худшем случае она будет равна P = Uст * (Iнагр + Iст.) = 15 * (0,050 + 0,013) = 0,945 Вт. Стабилитроны выпускают на разную мощность, ближайшая 1Вт, но тогда температура корпуса при потреблении около 1Вт будет где-то 125 градусов С, лучше взять с запасом, на 3 Вт. Стабилитроны выпускают на 0,25, 0,5, 1, 3, 5 Вт и т.д.

Первый же запрос в гугле «стабилитрон 3Вт 15В» выдал 1N5929BG. Далее ищем «datasheet 1N5929BG». По даташиту у него минимальный ток стабилизации 0,25 мА, что меньше 13 мА, а максимальный ток 100 мА, что больше 63 мА, т.е. укладывается в его рабочий режим, поэтому он нам подходит.

В общем-то, это весь расчёт. Да, стабилизатор это неидеальный, внутреннее сопротивление у него не нулевое, но он простой и дешевый и работает гарантировано в указанном диапазоне токов. А также поскольку это параллельный стабилизатор, то ток блока питания будет постоянным. Более мощные стабилизаторы можно получить, умощнив стабилитрон транзистором, но это уже тема следующей статьи, про транзисторы.

Проверить стабилитрон на пробой обычным мультиметром, как правило, нельзя. При более-менее высоковольтном стабилитроне просто не хватит напряжения на щупах. Единственное, что удастся сделать, это прозвонить его на наличие обычной диодной проводимости в прямом направлении. Но это косвенно гарантирует работоспособность прибора.

Еще стабилитроны можно использовать как источники опорного напряжения, но они шумные. Для этих целей выпускают специальные малошумящие стабилитроны, но их цена в моем понимании зашкаливает за кусочек кремния, лучше немного добавить и купить интегральный источник с лучшими параметрами.

Также существует много полупроводниковых приборов, похожих на диод: тиристор (управляемый диод), симистор (симметричный тиристор), динистор (открываемый импульсно только по достижении определенного напряжения), варикап (с изменяемой емкостью), что-то еще. Первые вам понадобятся в силовой электронике при постройки управляемых выпрямителей или регуляторов активной нагрузки. А с последними я уже лет 10 не сталкивался, поэтому оставляю эту тему для самостоятельного чтения в вики, хотя бы про тиристор.

Прекращаем ставить диод / Хабр


Нет, это не очередной «вечняк»

После прочтения статьи о защите электрических схем от неправильной полярности питания при помощи полевого транзистора, я вспомнил о том, что давно имею не решенную проблему автоматического отключения аккумулятора от зарядного устройства при обесточивании последнего. И стало мне любопытно, нельзя ли применить подобный подход в другом случае, где тоже испокон века в качестве запорного элемента использовался диод.

Эта статья является типичным гайдом по велосипедостроению, т.к. рассказывает о разработке схемы, функционал которой уже давно реализован в миллионах готовых устройств. Поэтому просьба не относится к данному материалу, как к чему-то совсем утилитарному. Скорее это просто история о том, как рождается электронное устройство: от осознания необходимости до работающего прототипа через все препятствия.

Зачем все это?


При резервировании низковольтного источника питания постоянного тока самый простой путь включения свинцово-кислотного аккумулятора – это в качестве буфера, просто параллельно сетевому источнику, как это делалось в автомобилях до появления у них сложных «мозгов». Аккумулятор хоть и работает в не самом оптимальном режиме, но всегда заряжен и не требует какой-либо силовой коммутации при отключении или включении сетевого напряжения на входе БП. Далее более подробно о некоторых проблемах такого включения и попытке их решить.

История вопроса


Еще каких-то 20 лет назад подобный вопрос не стоял на повестке дня. Причиной тому была схемотехника типичного сетевого блока питания (или зарядного устройства), которая препятствовала разряду аккумулятора на его выходные цепи при отключении сетевого напряжения. Посмотрим простейшую схему блока с однополупериодным выпрямлением:

Совершенно очевидно, что тот же самый диод, который выпрямляет переменное напряжение сетевой обмотки, будет препятствовать и разряду аккумулятора на вторичную обмотку трансформатора при отключении питающего напряжения сети. Двухполупериодная мостовая схема выпрямителя, несмотря на несколько меньшую очевидность, обладает точно такими же свойствами. И даже использование параметрического стабилизатора напряжения с усилителем тока (такого, как широко распространенная микросхема 7812 и ее аналоги), не меняет ситуацию:

Действительно, если посмотреть на упрощенную схему такого стабилизатора, становится понятно, что эмиттерный переход выходного транзистора исполняет роль все того же запорного диода, который закрывается при пропадании напряжения на выходе выпрямителя, и сохраняет заряд аккумулятора в целости и сохранности.

Однако в последние годы все изменилось. На смену трансформаторным блокам питания с параметрической стабилизацией пришли более компактные и дешевые импульсные AC/DC-преобразователи напряжения, которые обладают гораздо более высоким КПД и соотношением мощность/вес. Вот только при всех достоинствах, у этих источников питания обнаружился один недостаток: их выходные цепи имеют гораздо более сложную схемотехнику, которая обычно никак не предусматривает защиту от обратного затекания тока из вторичной цепи. В результате, при использовании такого источника в системе вида “БП -> буферный аккумулятор -> нагрузка”, при отключении сетевого напряжения аккумулятор начинает интенсивно разряжаться на выходные цепи БП.

Простейший путь (диод)


Простейшее решение состоит в использовании диода с барьером Шоттки, включенного в разрыв положительного провода, соединяющего БП и аккумулятор:

Однако основные проблемы такого решения уже озвучены в упомянутой выше статье. Кроме того, такой подход может быть неприемлемым по той причине, что для работы в буферном режиме 12-вольтовому свинцово-кислотному аккумулятору нужно напряжение не менее 13.6 вольт. А падающие на диоде почти пол вольта могут сделать это напряжение банально недостижимым в сочетании с имеющимся блоком питания (как раз мой случай).

Все это заставляет искать альтернативные пути автоматической коммутации, которая должна обладать следующими свойствами:

  1. Малое прямое падение напряжения во включенном состоянии.
  2. Способность без существенного нагрева выдерживать во включенном состоянии прямой ток, потребляемый от блока питания нагрузкой и буферным аккумулятором.
  3. Высокое обратное падение напряжения и низкое собственное потребление в выключенном состоянии.
  4. Нормально выключенное состояние, чтобы при подключении заряженного аккумулятора к изначально обесточенной системе не начинался его разряд.
  5. Автоматический переход во включенное состояние при подаче напряжения сети вне зависимости от наличия и уровня заряда аккумулятора.
  6. Максимально быстрый автоматический переход в выключенное состояние при пропадании напряжения сети.

Если бы диод являлся идеальным прибором, то он без проблем выполнил все эти условия, однако суровая реальность ставит под сомнение пункты 1 и 2.

Наивное решение (реле постоянного тока)


При анализе требований, любому, кто хоть немного «в теме», придет мысль использовать для этой цели электромагнитное реле, которое способно физически замыкать контакты при помощи магнитного поля, создаваемого управляющим током в обмотке. И, наверное, он даже набросает на салфетке что-то типа этого:

В этой схеме нормально разомкнутые контакты реле замыкаются только при прохождении тока через обмотку, подключенную к выходу блока питания. Однако если пройтись по списку требований, то окажется, что эта схема не соответствует пункту 6. Ведь если контакты реле были однажды замкнуты, пропадание напряжения сети не приведет к их размыканию по той причине, что обмотка (а с ней и вся выходная цепь БП) остается подключенной к аккумулятору через эти же контакты! Налицо типичный случай положительной обратной связи, когда управляющая цепь имеет непосредственную связь с исполнительной, и в итоге система приобретает свойства бистабильного триггера.

Таким образом, подобный наивный подход не является решением проблемы. Более того, если проанализировать сложившуюся ситуацию логически, то легко можно прийти к выводу, что в промежутке “БП -> буферный аккумулятор” в идеальных условиях никакое другое решение кроме вентиля, проводящего ток в одном направлении, быть просто не может. Действительно, если мы не будем использовать какой-либо внешний управляющий сигнал, то что бы мы не делали в этой точке схемы, любой наш коммутирующий элемент, однажды включившись, сделает неотличимым электричество, создаваемое аккумулятором, от электричества, создаваемого блоком питания.

Окольный путь (реле переменного тока)


После осознания всех проблем предыдущего пункта, «шарящему» человеку обычно приходит в голову новая идея использования в качестве односторонне проводящего вентиля самого блока питания. А почему бы и нет? Ведь если БП не является обратимым устройством, и подведенное к его выходу напряжение аккумулятора не создает на входе переменного напряжения 220 вольт (как это и бывает в 100% случаев реальных схем), то эту разницу можно использовать в качестве управляющего сигнала для коммутирующего элемента:

Бинго! Выполняются все пункты требований и единственное, что для этого нужно – это реле, способное замыкать контакты при подаче на него сетевого напряжения. Это может быть специальное реле переменного тока, рассчитанное на сетевое напряжение. Или обычное реле со своими мини-БП (тут достаточно любой беcтрансформаторной понижающей схемы с простейшим выпрямителем).

Можно было бы праздновать победу, но мне это решение не понравилось. Во-первых, нужно подключать что-то непосредственно к сети, что не есть гуд с точки зрения безопасности. Во-вторых, тем, что коммутировать это реле должно значительные токи, вероятно, до десятков ампер, а это делает всю конструкцию не такой тривиальной и компактной, как могло показаться изначально. Ну и в-третьих, а как же такой удобный полевой транзистор?

Первое решение (полевой транзистор + измеритель напряжения аккумулятора)


Поиски более элегантного решения проблемы привели меня к осознанию того факта, что аккумулятор, работающий в буферном режиме при напряжении около 13.8 вольта, без внешней «подпитки» быстро теряет исходное напряжение даже в отсутствии нагрузки. Если же он начнет разряжаться на БП, то за первую минуту времени он теряет не менее 0.1 вольта, чего более чем достаточно для надежной фиксации простейшим компаратором. В общем, идея такова: затвором коммутирующего полевого транзистора управляет компаратор. Один из входов компаратора подключен к источнику стабильного напряжения. Второй вход подключен к делителю напряжения блока питания. Причем коэффициент деления подобран так, чтобы напряжение на выходе делителя при включенном БП было примерно на 0.1..0.2 вольта выше, чем напряжение стабилизированного источника. В результате, при включенном БП напряжение с делителя всегда будет преобладать, а вот при обесточивании сети, по мере падения напряжения аккумулятора, оно будет уменьшаться пропорционально этому падению. Через некоторое время напряжение на выходе делителя окажется меньше напряжения стабилизатора и компаратор при помощи полевого транзистора разорвет цепь.

Примерная схема такого устройства:

Как видно, к источнику стабильного напряжения подключен прямой вход компаратора. Напряжение этого источника, в принципе, не важно, главное, чтобы оно было в пределах допустимых входных напряжений компаратора, однако удобно, когда оно составляет примерно половину напряжения аккумулятора, то есть около 6 вольт. Инверсный вход компаратора подключен к делителю напряжения БП, а выход – к затвору коммутирующего транзистора. Когда напряжение на инверсном входе превышает таковое на прямом, выход компаратора соединяет затвор полевого транзистора с землей, в результате чего транзистор открывается и замыкает цепь. После обесточивания сети, через некоторое время напряжение аккумулятора понижается, вместе с ним падает напряжение на инверсном входе компаратора, и когда оно оказывается ниже уровня на прямом входе, компаратор «отрывает» затвор транзистора от земли и тем самым разрывает цепь. В дальнейшем, когда блок питания снова «оживет», напряжение на инверсном входе мгновенно повысится до нормального уровня и транзистор снова откроется.

Для практической реализации данной схемы была использована имеющаяся у меня микросхема LM393. Это очень дешевый (менее десяти центов в рознице), но при этом экономичный и обладающий довольно неплохими характеристиками сдвоенный компаратор. Он допускает питание напряжением до 36 вольт, имеет коэффициент передачи не менее 50 V/mV, а его входы отличаются довольно высоким импедансом. В качестве коммутирующего транзистора был взят первый из доступных в продаже мощных P-канальных MOSFET-ов FDD6685. После нескольких экспериментов была выведена такая практическая схема коммутатора:

В ней абстрактный источник стабильного напряжения заменен на вполне реальный параметрический стабилизатор из резистора R2 и стабилитрона D1, а делитель выполнен на основе подстроечного резистора R1, позволяющего подогнать коэффициент деления под нужное значение. Так как входы компаратора имеют весьма значительный импеданс, величина гасящего сопротивления в стабилизаторе может составлять более сотни кОм, что позволяет минимизировать ток утечки, а значит и общее потребление устройства. Номинал подстроечного резистора вообще не критичен и без каких-либо последствий для работоспособности схемы может быть выбран в диапазоне от десяти до нескольких сотен кОм. Из-за того, что выходная цепь компаратора LM393 построена по схеме с открытым коллектором, для ее функционального завершения необходим также нагрузочный резистор R3, сопротивлением несколько сотен кОм.

Регулировка устройства сводится к установке положения движка подстроечного резистора в положение, при котором напряжение на ножке 2 микросхемы превышает таковое на ножке 3 примерно на 0.1..0.2 вольта. Для настройки лучше не лезть мультиметром в высокоимпедансные цепи, а просто установив движок резистора в нижнее (по схеме) положение, подключить БП (аккумулятор пока не присоединяем), и, измеряя напряжение на выводе 1 микросхемы, двигать контакт резистора вверх. Как только напряжение резким скачком упадет до нуля, предварительную настройку можно считать завершенной.

Не стоит стремиться к отключению при минимальной разнице напряжений, потому что это неизбежно приведет к неправильной работе схемы. В реальных условиях напротив приходится специально занижать чувствительность. Дело в том, что при включении нагрузки, напряжение на входе схемы неизбежно просаживается из-за не идеальной стабилизации в БП и конечного сопротивления соединительных проводов. Это может привести к тому, что излишне чувствительно настроенный прибор сочтет такую просадку отключением БП и разорвет цепь. В результате БП будет подключаться только при отсутствии нагрузки, а все остальное время работать придется аккумулятору. Правда, когда аккумулятор немного разрядится, откроется внутренний диод полевого транзистора и ток от БП начнет поступать в цепь через него. Но это приведет к перегреву транзистора и к тому, что аккумулятор будет работать в режиме долгого недозаряда. В общем, окончательную калибровку нужно проводить под реальной нагрузкой, контролируя напряжение на выводе 1 микросхемы и оставив в итоге небольшой запас для надежности.

В результате практического испытания были получены такие результаты. Сопротивление в открытом состоянии соответствует проходному сопротивлению из даташита на транзистор. В закрытом состоянии паразитный ток во вторичной цепи БП измерить не удалось ввиду его незначительности. Потребляемый ток в режиме работы от аккумулятора составил 1.1 мА, причем он практически на 100% состоит из тока, потребляемого микросхемой. После калибровки под максимальную нагрузку, время срабатывания без нагрузки вышло почти 15 минут. Столько времени понадобилось моему аккумулятору, чтобы разрядиться до того напряжения, которое поступает от БП на устройство под полной нагрузкой. Правда, отключение при полной нагрузке происходит почти сразу (менее 10 секунд), но это время зависит от емкости, заряда, и общего «здоровья» аккумулятора.

Существенными недостатками этой схемы являются относительная сложность калибровки и необходимость мириться с потенциальными потерями энергии аккумулятора ради корректной работы.

Последний недостаток не давал покоя и после некоторых обдумываний привел меня к мысли измерять не напряжение аккумулятора, а непосредственно направление тока в цепи.

Второе решение (полевой транзистор + измеритель направления тока)


Для измерения направления тока можно было бы применить какой-нибудь хитрый датчик. Например, датчик Холла, регистрирующий вектор магнитного поля вокруг проводника и позволяющий без разрыва цепи определить не только направление, но и силу тока. Однако в связи с отсутствием такого датчика (да и опыта работы с подобными девайсами), было решено попробовать измерять знак падения напряжения на канале полевого транзистора. Конечно, в открытом состоянии сопротивление канала измеряется сотыми долями ома (ради этого и вся затея), но, тем не менее, оно вполне конечно и можно попробовать на этом сыграть. Дополнительным доводом в пользу такого решения является отсутствие необходимости в тонкой регулировке. Мы ведь будем измерять лишь полярность падения напряжения, а не его абсолютную величину.

По самым пессимистичным расчетам, при сопротивлении открытого канала транзистора FDD6685 около 14 мОм и дифференциальной чувствительности компаратора LM393 из колонки “min” 50 V/mV, мы будем иметь на выходе компаратора полный размах напряжения величиной 12 вольт при токе через транзистор чуть более 17 mA. Как видим, величина вполне реальная. На практике же она должна быть еще примерно на порядок меньше, потому что типичная чувствительность нашего компаратора равна 200 V/mV, сопротивление канала транзистора в реальных условиях с учетом монтажа вряд ли будет меньше 25 мОм, а размах управляющего напряжения на затворе может не превышать трех вольт.

Абстрактная реализация будет иметь примерно такой вид:

Тут входы компаратора подключены непосредственно к плюсовой шине по разные стороны от полевого транзистора. При прохождении тока через него в разных направлениях, напряжения на входах компаратора неизбежно будут отличаться, причем знак разницы будет соответствовать направлению тока, а величина – его силе.

На первый взгляд схема оказывается предельно простой, однако тут возникает проблема с питанием компаратора. Заключается она в том, что мы не можем запитать микросхему непосредственно от тех же цепей, которые она должна измерять. Согласно даташиту, максимальное напряжение на входах LM393 не должно быть выше напряжения питания минус два вольта. Если превысить этот порог, компаратор прекращает замечать разницу напряжений на прямом и инверсном входах.

Потенциальных решений возникшей проблемы два. Первое, очевидное, заключается в повышении напряжения питания компаратора. Второе, которое приходит в голову, если немного подумать, заключается в равном понижении управляющих напряжений при помощи двух делителей. Вот как это может выглядеть:

Эта схема подкупает своей простотой и лаконичностью, однако в реальном мире она, к сожалению, не реализуема. Дело в том, что мы имеем дело с разницей напряжений между входами компаратора всего в единицы милливольт. В то же время разброс сопротивлений резисторов даже самого высокого класса точности составляет 0.1%. При минимально приемлемом коэффициенте деления 2 к 8 и разумном полном сопротивлении делителя 10 кОм, погрешность измерения будет достигать 3 mV, что в несколько раз превышает падение напряжения на транзисторе при токе 17 mA. Применение «подстроечника» в одном из делителей отпадает по той же причине, ведь подобрать его сопротивление с точностью более 0.01% не представляется возможным даже при использовании прецизионного многооборотного резистора (плюс не забываем про временной и температурный дрейф). Кроме того, как уже писалось выше, теоретически эта схема вообще не должна нуждаться в калибровке из-за своей почти «цифровой» сущности.

Исходя из всего сказанного, на практике остается только вариант с повышением напряжения питания. В принципе, это не такая уж и проблема, если учесть, что существует огромное количество специализированных микросхем, позволяющих при помощи всего нескольких деталей соорудить stepup-преобразователь на нужное напряжение. Но тогда сложность устройства и его потребление возрастет почти вдвое, чего хотелось бы избежать.

Существует несколько способов соорудить маломощный повышающий преобразователь. Например, большинство интегральных преобразователей предполагают использование напряжения самоиндукции небольшого дросселя, включенного последовательно с «силовым» ключом, расположенным прямо на кристалле. Такой подход оправдан при сравнительно мощном преобразовании, например для питания светодиода током в десятки миллиампер. В нашем случае это явно избыточно, ведь нужно обеспечить ток всего около одного миллиампера. Нам гораздо более подойдет схема удвоения постоянного напряжения при помощи управляющего ключа, двух конденсаторов, и двух диодов. Принцип ее действия можно понять по схеме:

В первый момент времени, когда транзистор закрыт, не происходит ничего интересного. Ток из шины питания через диоды D1 и D2 попадает на выход, в результате чего на конденсаторе C2 устанавливается даже несколько более низкое напряжение, чем поступает на вход. Однако если транзистор откроется, конденсатор C1 через диод D1 и транзистор зарядится почти до напряжения питания (минус прямое падение на D1 и транзисторе). Теперь, если мы снова закроем транзистор, то окажется, что заряженный конденсатор C1 включен последовательно с резистором R1 и источником питания. В результате его напряжение сложится с напряжением источника питания и, понеся некоторые потери в резисторе R1 и диоде D2, зарядит C2 почти до удвоенного Uin. После этого весь цикл можно начинать сначала. В итоге, если транзистор регулярно переключается, а отбор энергии из C2 не слишком велик, из 12 вольт получается около 20 ценой всего пяти деталей (не считая ключа), среди которых нет ни одного намоточного или габаритного элемента.

Для реализации такого удвоителя, кроме уже перечисленных элементов, нам нужен генератор колебаний и сам ключ. Может показаться, что это уйма деталей, но на самом деле это не так, ведь почти все, что нужно, у нас уже есть. Надеюсь, вы не забыли, что LM393 содержит в своем составе два компаратора? А то, что использовали мы пока только один из них? Ведь компаратор – это тоже усилитель, а значит, если охватить его положительной обратной связью по переменному току, он превратится в генератор. При этом его выходной транзистор будет регулярно открываться и закрываться, отлично исполняя роль ключа удвоителя. Вот что у нас получится при попытке реализовать задуманное:

Поначалу идея питать генератор напряжением, которое тот сам фактически и вырабатывает при работе, может показаться довольно дикой. Однако если присмотреться внимательнее, то можно увидеть, что изначально генератор получает питание через диоды D1 и D2, чего ему вполне достаточно для старта. После возникновения генерации начинает работать удвоитель, и напряжение питания плавно возрастает примерно до 20 вольт. На этот процесс уходит не более секунды, после чего генератор, а вместе с ним и первый компаратор, получают питание, значительно превышающее рабочее напряжение схемы. Это дает нам возможность непосредственно измерять разность напряжений на истоке и стоке полевого транзистора и достичь-таки своей цели.

Вот окончательная схема нашего коммутатора:

Пояснять по ней уже нечего, все описано выше. Как видим, устройство не содержит ни одного настроечного элемента и при правильной сборке начинает работать сразу. Кроме уже знакомых активных элементов добавились только два диода, в качестве которых можно использовать любые маломощные диоды с максимальным обратным напряжением не менее 25 вольт и предельным прямым током от 10 mA (например, широко распространенный 1N4148, который можно выпаять из старой материнской платы).

Эта схема была проверена на макетной плате, где доказала свою полную работоспособность. Полученные параметры полностью соответствуют ожиданиям: мгновенная коммутация в оба направления, отсутствие неадекватной реакции при подключении нагрузки, потребление тока от аккумулятора всего 2.1 mA.

Один из вариантов разводки печатной платы тоже прилагается. 300 dpi, вид со стороны деталей (поэтому печатать нужно в зеркальном отражении). Полевой транзистор монтируется со стороны проводников.

Собранное устройство, полностью готовое к монтажу:

Разводил старым дедовским способом, поэтому вышло немного криво, однако тем не менее девайс уже несколько дней исправно выполняет свои функции в цепи с током до 15 ампер без всяких признаков перегрева.

Архив с файлами схемы и разводки для EAGLE.

Спасибо за внимание.

Выпрямительные диоды: обозначение, принцип работы, ВАХ

Выпрямительные диоды — это полупроводниковые приборы, которые имеют один p-n переход и два металлических вывода. Вся система заключена в пластмассовом, металлическом, стеклянном или металлокерамическом корпусе. Предназначены для преобразования переменного тока в постоянный.

Обозначение и расшифровка диодов

Обозначение выпрямительного диода на схеме согласно “ГОСТ 2.730-73 ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые”. В приложении данного ГОСТа указаны размеры в модульной сетке. Выглядит это следующим образом:

Существуют различные варианты обозначения диодов.

Согласно ОСТ 11366.919-81 следующее буквенно-цифровое обозначение:

  • 1) первая буква или цифра указывает на материал:
    • 1 (Г) — германий Ge
    • 2 (К) — кремний Si
    • 3 (А) — галлий Ga
    • 4 (И) — индий In
  • 2) Вторая буква — это подкласс полупроводникового прибора. Для нашего случая — это буква Д.
  • 3) Третья цифра — функционал элемента в зависимости от класса (диоды, варикапы, стабилитроны и др.).
  • Например, для выпрямительных диодов (Д):

    101…199 — диоды малой мощности с постоянным или средним значением прямого тока менее 0,3А.

    201…299 — диоды средней мощности с постоянным или средним значением прямого тока от 0,3 до 10А.

Также существуют диоды большой мощности с током более 10А. Отвод тепла у диодов малой мощности осуществляется через корпус, у диодов средней и большой мощности через теплоотводящие радиаторы.

До 1982 года была другая классификация:

  • первая Д — характеризовала весь класс диодов
  • далее шел цифровой код:
    • от 1 до 100 — для точечных германиевых диодов
    • от 101 до 200 — для точечных кремниевых диодов
    • от 201 до 300 — для плоскостных кремниевых диодов
    • от 301 до 400 — для плоскостных германиевых диодов
    • от 401 до 500 — для смесительных СВЧ детекторов
    • от 501 до 600 — для умножительных диодов
    • от 601 до 700 — для видеодетекторов
    • от 701 до 749 — для параметрических германиевых диодов
    • от 750 до 800 — для параметрических кремниевых диодов
    • от 801 до 900 — для стабилитронов
    • от 901 до 950 — для варикапов
    • от 951 до 1000 — для туннельных диодов
    • от 1001 до 1100 — для выпрямительных столбов
  • третья цифра — разновидность групп однотипных приборов

Система JEDEC (США)

  • первая цифра — число p-n переходов (1 — диод; 2 — транзистор; 3 — тиристор)
  • далее N (типа номер) и серийный номер
  • после может идти пару цифр про номиналы и отдельные характеристики диода

Система Pro Electron (Европа)

По данной системе приборы делятся на промышленные и бытовые. Бытовые кодируются двумя буквами и тремя цифрами от 100 до 999. У промышленных приборов будет идти три буквы и две цифры от 10 до 99. Для диодов:

  • 1) первая буква:
    • A — германий Ge
    • B — кремний Si
    • C — галлий Ga
    • R — другие полупроводники
  • 2) Вторая буква — это буква A, указывающая на маломощные импульсные и универсальные диоды.
  • 3) Третья буква отвечает за принадлежность элемента к сфере специального применения (промышленность, военная). “Z”, “Y”, “X” или “W”.
  • 4) Четвертая — это 2х, 3х или 4х-значный серийный номер прибора.
  • 5) Дополнительный код — в нем для выпрямительных диодов указывается максимальная амплитуда обратного напряжения.

Система JIS (Япония)

Применяется в странах Азии и тихоокеанского региона.

Существуют и специальные обозначения от фирм-изготовителей, которые отличаются от приведенных выше.

Принцип действия выпрямительного диода

Полупроводники по своим электрическим свойствам являются чем-то средним между проводниками и диэлектриками.

разница проводников, диэлектриков и полупроводников

Как ведет себя диод при прямом и обратном включении

Прямое направление — направление постоянного тока, в котором диод имеет наименьшее сопротивление.

Обратное направление — направление постоянного тока, в котором диод имеет наибольшее сопротивление.

Рассмотрим поведение тока в цепи при прямом и обратном включении на переменное и постоянное напряжение. Изначально мы будем иметь синусоиду, которая получается от источника переменного тока.

При таких способах подключения отсекается половина синусоиды положительная или отрицательная. На выходе — пульсирующий переменный ток одного знака (считай, постоянный, только загвоздка в том, что им никто не пользуется).

  • анод (для прямого включения подключаем к плюсу), основание треугольника
  • катод (подключаем к минусу для прямого включения) палочка

Ток течет от анода к катоду, некоторые прибегают к сравнению с воронкой. В широкое горлышко жидкость проходит быстрее, чем в узкое. Принцип работы заключается в пропускании тока при прямом включении и запирании диода при обратном включении (отсутствии тока). Всё дело в запирающем слое, который испаряется или расширяется в зависимости от способа подключения диода.

Рассмотрим поведение диода в схеме постоянного тока. На левом изображении ток, напряжение проходит — лампочка горит (черная) — это прямое включение. На правом изображении диод не пропускает достаточно тока и напряжения для загорания лампочки — обратное включение.

ВАХ выпрямительных диодов (Ge, Si)

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

При подаче обратного напряжения, превышающего пороговое значение, величина обратного тока возрастает и происходит пробой p-n слоя. Стоит обратить внимание и на порядки чисел по осям. Величины обратного тока на порядок меньше прямого. Значения прямого напряжения на порядок меньше обратного. По достижении порогового значения прямого напряжения прямой ток начинает увеличиваться лавинообразно.

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

Сохраните в закладки или поделитесь с друзьями



Последние статьи


Самое популярное

как выбрать трансформатор тока
устройство и принцип действия разных видов, работа в схемах

Понятие диода и его особенности Диод — это элемент, имеющий различную проводимость. Такое его свойство имеет применение в различных электротехнических и радиоэлектронных схемах. На его основе создаются устройства, имеющие применение в различных областях.

Типы диодов: электровакуумные и полупроводниковые. Последний тип в настоящее время применяется в подавляющем большинстве случаев. Никогда не будет лишним знать о том, как работает диод, для чего он нужен, как обозначается на схеме, какие существуют типы диодов, применение диодов разных видов.

Электровакуумные диоды

Приборы этого типа выполнены в виде электронных ламп. Лампа выглядит как стеклянный баллон, внутрь которого помещены два электрода. Один из них анод, другой катод. Они находятся в вакууме. Конструктивно анод выполнен в виде тонкостенного цилиндра. Внутри расположен катод. Он имеет обычно цилиндрическую форму. Изолированная нить накала проложена внутри катода. Все элементы имеют выводы, которые соединены со штырьками (ножками) лампы. Ножки лампы выведены наружу.

Принцип работы

При прохождении электрического тока по спирали она нагревается и разогревает катод, внутри которого находится. С поверхности разогретого катода электроны, покинувшие его, без дополнительного ускоряющего поля накапливаются в непосредственной близости от него. Часть из них затем обратно возвращается на катод.

При подаче на анод положительного напряжения электроны, испускаемые катодом, устремляются к нему, создавая анодный ток электронов.

Катод обладает пределом эмиссии электронов. При достижении этого предела анодный ток стабилизируется. Если на анод подать небольшое отрицательное напряжение по отношению к катоду, то электроны прекратят своё движение.

Материал катода, из которого он изготовлен, обладает высокой степенью эмиссии.

Вольт- амперная характеристика (ВАХ)

ВАХ диодов этого типа графически показывает зависимость тока анода от прямого напряжения, приложенного к выводам катода и анода. Она состоит из трёх участков:

  • Медленное нелинейное нарастание тока;
  • Рабочая часть характеристики;
  • Область насыщения тока анода.

Нелинейный участок начинается после области отсечки анодного тока. Его нелинейность связана с небольшим положительным потенциалом катода, который покинули электроны при его разогреве нитью накала.

Активный участок определяет из себя почти вертикальную линию. Он характеризует зависимость анодного тока от возрастающего напряжения.

Участок насыщения представляет собой линию постоянного значения тока анода при увеличивающемся напряжении между электродами лампы. Электронную лампу на этом участке можно сравнить с проводником электрического тока. Эмиссия катода достигла своего наивысшего значения.

Полупроводниковые диоды

Однофазный выпрямительСвойство p — n перехода пропускать электрический ток одного направления нашло применение при создании приборов этого типа. Прямое включение — это подача на n -область перехода отрицательного потенциала, по отношению к p -области, потенциал которой положительный. При таком включении прибор находится в открытом состоянии. При изменении полярности приложенного напряжения он окажется в запертом состоянии, и ток сквозь него не проходит.

Классификацию диодов можно вести по их назначению, по особенностям изготовления, по типу материала, используемого при его изготовлении.

В основном для изготовления полупроводниковых приборов используются пластины кремния или германия, которые имеют электропроводность n -типа. В них присутствует избыток отрицательно заряженных электронов.

Применяя разные технологии изготовления, можно на выходе получить точечные или пластинчатые диоды.

При изготовлении точечных приборов к пластинке n -типа приваривают заострённый проводник (иглу). На его поверхность нанесена определённая примесь. Для германиевых пластин игла содержит индий, для кремниевых пластин игла покрыта алюминием. В обоих случаях создаётся область p — n перехода. Её форма напоминает полусферу (точку).

Для плоскостных приборов применяют метод диффузии или сплавления. Площадь переходов, получаемых таким методом, варьируется в широких пределах. От её величины зависит в дальнейшем назначение изделия. К областям p — n перехода припаивают проволочки, которые в виде выводов из корпуса готового изделия используют при монтаже различных электрических схем.

На схемах полупроводниковые диоды обозначаются в виде равностороннего треугольника, к верхнему углу которого присоединена вертикальная черта, параллельная его основанию. Вывод черты называется катодом, а вывод основания треугольника анодом.

Прямым называется такое включение, при котором положительный полюс источника питания соединён с анодом. При обратном включении «плюс» источника подключается к катоду.

Вольт- амперная характеристика

ВАХ определяет зависимость тока, протекающего через полупроводниковый элемент, от величины и полярности напряжения, которое приложено к его выводам.

В области прямых напряжений выделяют три области: небольшого прямого тока и прямого рабочего тока через диод. Переход из одной области в другую происходит при достижении прямым напряжением порога проводимости. Эта величина составляет порядка 0,3 вольт для германиевых диодов и 0,7 вольт для диодов на основе кремния.

При приложении к выводам диода обратного напряжения ток через него имеет очень незначительную величину и называется обратным током или током утечки. Такая зависимость наблюдается до определённого значения величины обратного напряжения. Оно называется напряжением пробоя. При его превышении обратный ток нарастает лавинообразно.

Предельные значения параметров

Для полупроводниковых диодов существуют величины их параметров, которые нельзя превышать. К ним относятся:

  • Максимальный прямой ток;
  • Максимальное обратное напряжение пробоя;
  • Максимальная мощность рассеивания.

Полупроводниковый элемент может выдержать прямой ток через него ограниченной величины. При его превышении происходит перегревание p-n перехода и выход его из строя. Наибольший запас по этому параметру имеют плоскостные силовые приборы. Величина прямого тока через них может достигать десятков ампер.

Превышение максимального значения напряжения пробоя может превратить диод, имеющий однонаправленные свойства, в обычный проводник электрического тока. Пробой может иметь необратимый характер и варьируется в широких пределах, в зависимости от конкретного используемого прибора.

Мощность — это величина, напрямую зависящая от тока и напряжения, которое приложено при этом к выводам диода. Как и превышение максимального прямого тока, превышение предельной мощности рассеивания приводит к необратимым последствиям. Диод просто выгорает и перестаёт выполнять своё предназначение. Для предотвращения такой ситуации силовые приборы устанавливают приборы на радиаторы, которые отводят (рассеивают) избыток тепла в окружающую среду.

Виды полупроводниковых диодов

Свойство диода пропускать ток в прямом направлении и не пропускать его в обратном нашло применение в электротехнике и радиотехнике. Разработаны и специальные виды диодов для выполнения узкого круга задач.

Выпрямители и их свойства

Что такое диод Их применение основано на выпрямительных свойствах этих приборов. Их используют для получения постоянного напряжения путём выпрямления входного переменного сигнала.

Одиночный выпрямительный диод позволяет получить на его выходе пульсирующее напряжение положительной полярности. Используя их комбинацию, можно получить форму выходного напряжения, напоминающую волну. При использовании в схемах выпрямителей дополнительных элементов, таких как электролитические конденсаторы большой емкости и катушки индуктивности с электромагнитными сердечниками (дроссели), на выходе устройства можно получить постоянное напряжение, напоминающее напряжение гальванической батареи, столь необходимое для работы большинства аппаратуры потребителя.

Полупроводниковые стабилитроны

Эти диоды имеют ВАХ с обратной ветвью большой крутизны. То есть, приложив к выводам стабилитрона напряжение, полярность которого обратная, можно с помощью ограничительных резисторов ввести его в режим управляемого лавин пробоя. Напряжение в точке лавинного пробоя имеет постоянное значение при значительном изменении тока через стабилитрон, величину которого ограничивают в зависимости от применённого в схеме прибора. Так получают эффект стабилизации выходного напряжения на нужном уровне.

Технологическими операциями при изготовлении стабилитронов добиваются различных величин напряжения пробоя (напряжения стабилизации). Диапазон этих напряжений (3−15) вольт. Конкретное значение зависит от выбранного прибора из большого семейства стабилитронов.

Принцип работы детекторов

Для детектирования высокочастотных сигналов применяют диоды, изготовленные по точечной технологии. Задача детектора состоит в том, чтобы ограничить одну половину модулированного сигнала. Это позволяет в последующем с помощью высокочастотного фильтра оставить на выходе устройства только модулирующий сигнал. Он содержит звуковую информацию низкой частоты. Этот метод используется в радиоприёмных устройствах, принимающих сигнал, модулированный по амплитуде.

Особенности светодиодов

Эти диоды характеризуются тем, что при протекании через них тока прямого направления кристалл испускает поток фотонов, которые являются источником света. В зависимости от типа кристалла, применённого в светодиоде, спектр света может находиться как в видимом человеческим глазом диапазоне, так и в невидимом. Невидимый свет — это инфракрасное или ультрафиолетовое излучение.

При выборе этих элементов необходимо представлять цель, которую необходимо достигнуть. К основным характеристикам светодиодов относятся:

  • Потребляемая мощность;
  • Номинальное напряжение;
  • Ток потребления.

Ток потребления светодиода, применяемого для индикации в устройствах широкого применения, не более 20 мА. При таком токе свечение светодиода является оптимальным. Начало свечения начинается при токе, превышающем 3 мА.

Номинальное напряжение определяется внутренним сопротивлением перехода, которое является величиной непостоянной. При увеличении тока через светодиод сопротивление постепенно уменьшается. Напряжение источника питания, используемое для питания светодиода, необходимо применять не меньше напряжения, указанного в паспорте на него.

Потребляемая мощность — это величина, зависящая от тока потребления и номинального напряжения. Она увеличивается при увеличении величин, её определяющих. Следует учесть, что мощные световые диоды могут иметь в своём составе 2 и даже 4 кристалла.

Перед другими осветительными приборами светодиоды имеют неоспоримые преимущества. Их можно перечислять долго. Основными из них являются:

  • Высокая экономичность;
  • Большая долговечность;
  • Высокий уровень безопасности из-за низких питающих напряжений.

К недостатку их эксплуатации относится необходимость наличия дополнительного стабилизированного источника питания постоянного тока, а это увеличивает стоимость.

Урок-7. ДИОДЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

ДИОДЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

Продолжаем изучать полупроводниковые приборы, им хочется уделить более пристальное внимание, потому как их значимость в радиоэлектронике трудно переоценить. В этом уроке будет предложена несложная практическая работа для закрепления материала. Во всем остальном этот урок по значимости ни чем не отличается от предыдущих. Если вы заметили во всех уроках, я стараюсь выкладывать основные мысли по теме, чтобы не перегружать юных радиолюбителей непонятными математическими выкладками и т.д., за исключением подробных пояснений, если это необходимо. И так; как и в предыдущих уроках, что выделено красным курсивом, зазубриваем, — черным, — принимаем к сведению. Приступайте!

Сегодня в «семейство» диодов входит не один десяток полупроводниковых приборов, носящих название «диод». Здесь речь пойдет лишь о некоторых приборах, с которыми вам в первую очередь придется иметь дело. Схематично диод можно представить, как две пластинки полупроводника, одна из которых обладает электропроводностью типа р, а другая — n типа. На (рис. 1, а) дырки, преобладающие в пластинке типа р, условно изображены кружками, а электроны, преобладающие в пластинке типа n — черными шариками таких же размеров. Эти две области — два электрода диода: анод и катод. Анодом, т.е. положительным электродом, является область типа р, а катодом, т.е. отрицательным электродом,- область типа n. На внешние поверхности пластин нанесены контактные металлические слои, к которым припаяны проволочные выводы электродов диода. Такой полупроводниковый прибор может находиться в одном из двух состояний: открытом, когда он хорошо проводит ток, и закрытом, когда он плохо проводит ток. Если к его электродам подключить источник постоянного тока, например, гальванический элемент, но так, чтобы его положительный полюс был соединен с анодом диода, т.е. с областью типа р, а отрицательный — с катодом, т.е. с областью типа, n (рис. 1, б), то диод окажется в открытом состоянии и в образовавшейся цепи потечет ток, значение которого зависит от приложенного к нему напряжения и свойств диода. При такой полярности подключения батареи электроны в области типа n перемещаются от минуса к плюсу, т. е. в сторону области типа р, а дырки в области типа р движутся навстречу электронам — от плюса к минусу. Встречаясь на границе областей, называемой электронно — дырочным переходом или, короче, р — n переходом, электроны как бы «впрыгивают» в дырки, в результате и те, и другие при встрече прекращают свое существование. Металлический контакт, соединенный с отрицательным полюсом элемента, может отдать области типа n практически неограниченное количество электронов, пополняя недостаток электронов в этой области, а контакт, соединенный с положительным полюсом элемента, может принять из области типа р такое же количество электронов, что равнозначно введению в него соответствующего количества дырок.

Рис. 1 Схематическое устройство и работа полупроводникового диода.

В этом случае сопротивление р — n перехода мало, вследствие чего через диод течет ток, называемый прямым током. Чем больше площадь р — n перехода и напряжение источника питания, тем больше этот прямой ток. Если полюсы элемента поменять местами, как это показано на (рис. 1, в), диод окажется в закрытом состоянии. В этом случае электрические заряды на диоде поведут себя иначе. Теперь, удаляясь от р — n перехода, электроны в области типа n будут перемещаться к положительному, а дырки в области типа р — к отрицательному контактам диода. В результате граница областей с различными типами электропроводности как бы расширится, образуя зону, обедненную электронами и дырками (на рис. 1, (в) она заштрихована и, следовательно, оказывающую току очень большое сопротивление. Однако в этой зоне небольшой обмен носителями тока между областями диода все же будет происходить. Поэтому через диод пойдет ток, но во много раз меньший, чем прямой. Этот ток называют обратным током диода. На графиках, характеризующих работу диода, прямой ток обозначают Iпр., а обратный Iобр. А если диод включить в цепь с переменным током? Он будет открываться при положительных полупериодах на аноде, свободно пропуская ток одного направления — прямой ток Iпр., и закрываться при отрицательных полупериодах на аноде, почти не пропуская ток противоположного направления — обратный ток Iобр. — Эти свойства диодов и используют в выпрямителях для преобразования переменного тока в постоянный. Напряжение, при котором диод открывается и через него идет прямой ток, называют прямым (пишут Uпp.) или пропускным, а напряжение обратной полярности, при котором диод закрывается и через него идет обратный ток, называют обратным (пишут Uобр.) или непропускным. При прямом напряжении сопротивление диода хорошего качества не превышает нескольких десятков ом, при обратном же напряжении его сопротивление достигнет десятков, сотен килоом и даже мегаом. В этом нетрудно убедиться, если обратное сопротивление диода измерить омметром. Внутреннее сопротивление открытого диода — величина непостоянная и зависит от прямого напряжения, приложенного к диоду: чем больше это напряжение, тем больше прямой ток через диод, тем меньше его пропускное сопротивление. Судить о сопротивлении диода можно по падению напряжения на нем и току через него. Так, например, если через диод идет прямой ток Iпр. = 100 мА (0,1 А) и при этом на нем падает напряжение 1В, то (по закону Ома) прямое сопротивление диода будет: R = 1 / 0,1 = 10 Ом. В закрытом состоянии на диоде падает почти все прикладываемое к нему напряжение, обратный ток через него чрезвычайно мал, а сопротивление, следовательно, велико. Зависимость тока через диод от значения и полярности приложенного к нему напряжения изображают в виде кривой, называемой вольт — амперной характеристикой диода (ВАХ). Такую характеристику вы видите на (рис. 2). Здесь по вертикальной оси вверх отложены значения прямого тока Iпр., а внизу — обратного тока Iобр. По горизонтальной оси вправо обозначены значения прямого напряжения Uпp., влево — обратного напряжения. На такой вольт — амперной характеристике различают прямую ветвь (в правой верхней части), соответствующую прямому току через диод, и обратную ветвь вольт — амперной характеристики, соответствующую обратному току. Из нее видно, что ток Iпр. диода в сотни раз больше тока Iобр. Так, например, уже при прямом напряжении Uпp. = 0,5 В ток Iпр. равен 50 мА (точка (а) на характеристике), при Uпp. = 1 В он возрастает до 150 мА (точка (б) на характеристике), а при обратном напряжении Uобр. = 100 В обратный ток Iобр. не превышает 0,5 мА (500 мкА). Подсчитайте, во сколько раз при одном и том же прямом и обратном напряжении прямой ток больше обратного.

Рис. 2 Вольт — амперная характеристика полупроводникового диода.
Рис. 3 Схематическое устройство (а) и внешний вид некоторых плоскостных диодов (б).

Прямая ветвь идет круто вверх, как бы прижимаясь к вертикальной оси. Она характеризует быстрый рост прямого тока через диод с увеличением прямого напряжения. Обратная же ветвь, как видите, идет почти параллельно горизонтальной оси, характеризуя медленный рост обратного тока. Наличие заметного обратного тока — недостаток диодов. Примерно такие вольт — амперные характеристики имеют все германиевые диоды. Вольт — амперные характеристики кремниевых диодов чуть сдвинуты вправо. Объясняется это тем, что германиевый диод открывается и начинает проводить ток при прямом напряжении 0,1-0,2 В, а кремниевый при 0,5-0,6 В. Прибор, на примере которого я рассказал вам о свойствах диода, состоял из двух пластин полупроводников разной электропроводности, соединенных между собой плоскостями. Подобные диоды называют плоскостными. В действительности же плоскостной диод представляет собой одну пластину полупроводника, в объеме которой созданы две области разной электропроводности. Технология изготовления таких диодов заключается в следующем. На поверхности квадратной пластины площадью 2 — 4 мм квадратных и толщиной в несколько долей миллиметра, вырезанной из кристалла полупроводника с электронной электропроводностью, расплавляют маленький кусочек индия. Индий крепко сплавляется с пластинкой. При этом атомы индия проникают (диффундируют) в толщу пластинки, образуя в ней область с преобладанием дырочной электропроводности (рис. 3, а). Получается полупроводниковый прибор с двумя областями различного типа электропроводности, а между ними р — n переход. Контактами электродов диода служат капелька индия и металлический диск или стержень с выводными проводниками. Так устроены наиболее распространенные плоскостные германиевые и кремниевые диоды. Внешний вид некоторых из них показан на (рис. 3, б). Приборы заключены в цельнометаллические или стеклянные корпуса со стеклянными изоляторами, что позволяет использовать их для работы в условиях повышенной влажности. Диоды, рассчитанные на значительные прямые токи, имеют винты с гайками для крепления их на монтажных панелях или шасси радиотехнических устройств. Плоскостные диоды маркируются буквами и цифрами, например: Д226А, Д242. Буква Д в маркировке прибора означает «диод», цифры, следующие за нею, заводской порядковый номер конструкции. Буквы, стоящие в конце обозначения диодов, указывают на разновидности групп приборов. Плоскостные диоды предназначены в основном для работы в выпрямителях переменного тока блоков питания радиоаппаратуры, поэтому их называют еще выпрямительными Диодами. Теперь познакомимся с принципом преобразования переменного тока в ток постоянный. Схему простейшего выпрямителя переменного тока вы видите на (рис. 4, а). На вход выпрямителя подается переменное напряжение электроосветительной сети. К выходу выпрямителя подключен резистор Rн, символизирующий нагрузку, питающуюся от выпрямителя. Функцию выпрямительного элемента выполняет диод V. Сущность работы такого выпрямителя иллюстрируют графики, помещенные на том же рисунке. При положительных полупериодах напряжения на аноде диод открывается. В эти моменты времени через диод, а значит, и через нагрузку, подключенную к выпрямителю, течет прямой ток диода Iпр. При отрицательных полупериодах напряжения на аноде диода закрывается и во всей цепи, в которую он включен, течет незначительный обратный ток диода Iобр. Диод как бы отсекает большую часть отрицательных полуволн переменного тока (на рис. 4, а показано штриховыми линиями). И вот результат: через нагрузку Rн, подключенную к сети через диод V, течет уже не переменный, а пульсирующий ток — ток одного направления, но изменяющийся по значению с частотой 50 Гц. Это и есть форма выпрямленного переменного тока. Таким образом, диод является прибором, обладающим резко выраженной односторонней проводимостью электрического тока. И если пренебречь малым обратным током (что и делают на практике), который у исправных диодов не превышает малые доли миллиампера, можно считать, что диод является односторонним проводником тока. Можно ли таким током питать нагрузку? Можно, он ведь выпрямленный. Но не каждую. Лампу накаливания, например, можно, если, конечно, выходное напряжение не будет превышать то напряжение, на которое лампа рассчитана. Ее нить будет накаливаться не постоянно, а импульсами, следующими с частотой 50 Гц. Из-за тепловой инертности нить не будет успевать остывать в промежутках между импульсами, поэтому мерцания света будут едва заметными. А вот приемник питать таким током нельзя. Потому что в цепях его усилителей ток тоже будет пульсировать с такой же частотой. В результате в телефонах или головке громкоговорителя на выходе приемника будет прослушиваться гул низкого тона с частотой 50 Гц, называемый фоном переменного тока. Этот недостаток можно частично устранить, если на выходе выпрямителя параллельно нагрузке подключить фильтрующий электролитический конденсатор (Сф) большой емкости, это показано на (рис. 4, б). Заряжаясь: от импульсов тока, конденсатор (Сф) в момент спадания тока или его исчезновения (между импульсами) разряжается через нагрузку Rн. Если конденсатор достаточно большой емкости, то за время между импульсами тока он не будет успевать полностью разряжаться и в нагрузке будет непрерывно поддерживаться ток. Ток, поддерживаемый за счет зарядки конденсатора, показан на (рис. 4, б) сплошной волнистой линией. Но и таким, несколько сглаженным током тоже нельзя питать приемник или усилитель: он будет «фонить», так как пульсации пока еще очень ощутимы. В выпрямителе, с работой которого мы сейчас разбираемся, полезно используется энергия только половины волн переменного тока. Такое выпрямление переменного тока называют однополупериодными, а выпрямители — однополупериодными выпрямителями. Однако выпрямителям, построенным по таким схемам, присущи два существенных недостатка. Первый из них заключается в том, что напряжение выпрямленного тока равно примерно напряжению сети, в то время как для питания транзисторных конструкций необходимо более низкое напряжение, а для ламповых часто более высокое напряжение. Второй недостаток — недопустимость присоединения заземления к приемнику, питаемому от такого выпрямителя. Если приемник заземлить, ток из электросети пойдет через приемник в землю — могут перегореть предохранители. Кроме того, приемник или усилитель, питаемые от такого выпрямителя и, таким образом, имеющие прямой контакт с электросетью, опасны — можно получить электрический удар.

Рис. 4 Схемы однополупериодного выпрямителя.
Рис. 5 Двухполупериодный выпрямитель с трансформатором.

Оба эти недостатка устранены в выпрямителе с трансформатором (рис. 5). Здесь выпрямляется не напряжение электросети, а напряжение вторичной (II) обмотки сетевого трансформатора Т. Поскольку эта обмотка изолирована от первичной сетевой обмотки I, радиоконструкция не имеет контакта с сетью и к ней можно подключать заземление. В выпрямителе на (рис. 5) четыре диода, включенные по так называемой мостовой схеме. Диоды являются плечами выпрямительного моста. Нагрузка Rн включена в диагональ 1 — 2 моста. В таком выпрямителе в течение каждого полупериода работают поочередно два диода противоположных плеч моста, включенных между собой последовательно, но встречно по отношению ко второй паре диодов. Постарайтесь вникнуть и запомнить классическую схему диодного моста! Когда на верхнем (по схеме) выводе вторичной обмотки положительный полупериод напряжения, ток идет через диод V2, нагрузку Rн, диод V3 к нижнему выводу обмотки II (график а). Диоды V1 и V4 в это время закрыты. В течение другого полупериода переменного напряжения, когда плюс на нижнем выводе обмотки II, ток идет через диод V4, нагрузку Rн, диод V1 к верхнему выводу обмотки (график б). В это время диоды V2 и V3 закрыты и, естественно, ток через себя не пропускают. И вот результаты: меняются знаки напряжения на выводах вторичной обмотки трансформатора, а через нагрузку выпрямителя идет ток одного направления (график в). В таком выпрямителе полезно используются оба полупериода переменного тока, поэтому подобные выпрямители называют двухполупериодными. Эффективность работы двухполупериодного выпрямителя по сравнению с однополупериодным налицо: частота пульсаций выпрямленного тока удвоилась, «провалы» между импульсами уменьшились. Среднее значение напряжения постоянного тока на выходе такого выпрямителя равно примерно переменному напряжению, действующему во всей вторичной обмотке трансформатора. А если выпрямитель дополнить фильтром, сглаживающим пульсации выпрямленного тока, выходное напряжение увеличится в 1,4 раза, т. е. примерно на 40%. Именно такой выпрямитель я позже буду рекомендовать вам для питания транзисторных конструкций. Теперь о точечном диоде. Внешний вид одного из таких приборов и его устройство (в значительно увеличенном виде) показаны на (рис. 6). Это диод серии Д9. Буква «Д» в его маркировке означает диод, а цифра 9 — порядковый заводской номер конструкции. Выпрямительным элементом диода служат тонкая и очень маленькая (площадью около 1 мм квадратных) пластина полупроводника германия или кремния типа n и вольфрамовая проволочка, упирающаяся острым концом в пластину. Они припаяны к отрезкам посеребренной проволоки длиной примерно по 50 мм, являющимися выводами диода. Вся конструкция находится внутри стеклянной трубочки диаметром около 3 и длиной меньше 10 мм, запаянной с концов. После сборки диод формуют — пропускают через контакт между пластиной полупроводника и острием вольфрамовой проволочки ток определенного значения. При этом под острием проволочки в кристалле полупроводника образуется небольшая область с дырочной электропроводностью. Получается электронно — дырочный переход, обладающий односторонней проводимостью тока. Пластина полупроводника является катодом, а вольфрамовая проволочка — анодом точечного диода.

Рис. 6 Схематическое устройство и внешний вид точечного диода серии Д9.

Вывод анода диодов серии Д9 обозначают цветными метками на их корпусах. Электроды точечного диода серии Д2 обозначают символом диода на одном из его ленточных выводов. У точечного диода площадь соприкосновения острия проволочки с поверхностью пластины полупроводника чрезвычайно мала — не более 50мкм. Поэтому токи, которые точечные диоды могут выпрямлять в течение продолжительного времени, малы. Точечные диоды радиолюбители используют в основном для детектирования модулированных колебаний высокой частоты, поэтому их часто называют высокочастотными диодами. Как для плоскостных, так и для точечных диодов существуют максимально допустимые значения прямого и обратного токов, зависящие от прямого и обратного напряжений и определяющие их выпрямительные свойства и электрическую прочность. Это их основные параметры. Плоскостной диод Д226В, например, может продолжительное время выпрямлять ток до 300 мА. Но если его включить в цепь, потребляющую ток более 300 мА, он будет нагреваться, что неизбежно приведет к тепловому пробою р — n перехода и выходу диода из строя. Диод будет пробит и в том случае, если он окажется в цепи, в которой на него будет подаваться обратное напряжение более чем 400 В. Допустимый выпрямленный ток для точечного диода Д9А 65 мА, а допустимое обратное напряжение 10 В. Основные параметры полупроводниковых диодов указывают в их паспортах и справочных таблицах. Превышение предельных значений приводит к выходу приборов из строя. Основные параметры наиболее распространенных точечных и плоскостных полупроводниковых диодов можно найти здесь.

Стабилитрон и его применение

Стабилитрон это тоже диод, но предназначен он не для выпрямления переменного тока, хотя и может выполнять такую функцию, а для стабилизации, т.е. поддержания постоянства напряжения в цепях питания радиоэлектронной аппаратуры. Внешний вид одной из конструкций наиболее распространенных среди радиолюбителей стабилитронов и его графическое обозначение показаны на (рис. 8). По устройству и принципу работы кремниевые стабилитроны широкого применения аналогичны плоскостным выпрямительным диодам. Но работает стабилитрон не на прямом участке вольт — амперной характеристики, как выпрямительные или высокочастотные диоды, а на обратной ветви вольт — амперной характеристики, где незначительное обратное напряжение вызывает значительное увеличение обратного тока через прибор. Разобраться в сущности действия стабилитрона вам поможет его вольт — амперная характеристика, показанная на (рис. 8, а). Здесь (как и на рис. 2) по горизонтальной оси отложены в некотором масштабе обратное напряжение Uобр., а по вертикальной оси вниз — обратный ток Iобр. Напряжение на стабилитрон подают в обратной полярности, т. е. включают так, чтобы его анод был соединен с отрицательным полюсом источника питания. При таком включении через стабилитрон течет обратный ток Iобр. По мере увеличения обратного напряжения обратный ток растет очень медленно — характеристика идет почти параллельно оси Uобр. Но при некотором напряжении Uобр. (на рис. 8, а — около 8 В) р — n переход стабилитрона пробивается и через него начинает течь значительный обратный ток. Теперь вольт — амперная характеристика резко поворачивает и идет вниз почти параллельно оси Iобр. Этот участок и является для стабилитрона рабочим. Пробой же р — n перехода не ведет к порче прибора, если ток через него не превышает некоторого допустимого значения.

Рис. 8 Стабилитрон и его графическое обозначение на схемах.
Рис. 9 Вольт — амперная характеристика стабилитрона (а) и схема параметрического стабилизатора напряжения (б).

На (рис. 8 ,б) приведена схема возможного практического применения стабилитрона. Это так называемый параметрический стабилизатор напряжения. При таком включении через стабилизатор V течет обратный ток Iобр., создающийся источником питания, напряжение которого может изменяться в значительных пределах. Под действием этого напряжения ток Iобр., текущий через стабилитрон, тоже изменяется, а напряжение на нем, а значит, и на подключенной к нему нагрузке Rн остается практически неизменным — стабильным. Резистор R ограничивает максимально допустимый ток, текущий через стабилитрон. Со стабилизаторами напряжения вам неоднократно придется иметь дело на практике. Вот наиболее важные параметры стабилитрона: напряжение стабилизации Uст., ток стабилизации Iст., минимальный ток стабилизации Icт.min и максимальный ток стабилизации Icт.max. Параметр Uст. — это то напряжение, которое создается между выводами стабилизатора в рабочем режиме. Наша промышленность выпускает кремниевые стабилитроны на напряжение стабилизации от нескольких вольт до 180 В. Минимальный ток стабилизации Iст. min — это наименьший ток через прибор, при котором начинается устойчивая работа в режиме пробоя (на рис. 8, а — штриховая линия Iст.min), с уменьшением этого тока прибор перестает стабилизировать напряжение. Максимально допустимый ток стабилизации Iст.max — это наибольший ток через прибор (не путайте с током, текущим в цепи, питающейся от стабилизатора напряжения), при котором температура его р — n перехода не превышает допустимой (на рис. 8, а — штриховая линия Icт.max) — Превышение тока Iст.max ведёт к тепловому пробою р — n перехода и, естественно, к выходу прибора из строя.

Для лучшего понимания материала данного урока и чтобы лучше закрепить в памяти ваше представление о свойствах диодов, предлагаю провести такой опыт. В электрическую цепь, составленную из батареи 3336Л (в народе называю квадратной батареей) или кроны, лампочки накаливания, рассчитанной на напряжение 3,5 В или 6.3 В если это крона и ток накала 0,28 А, включите любой Диод из серии Д7, Д226, КД226, КД220, и др. так, чтобы анод диода был соединен непосредственно или через лампочку с положительным выводом батареи, а катод — с отрицательным выводом (рис. а). Лампочка должна гореть почти так же, как если бы диода небыло в цепи. Измените порядок включения электродов диода в цепь на обратный (рис. б). Теперь лампочка гореть не должна. А если горит, значит, диод оказался с пробитым р — n переходом. Такой диод можно разломать, чтобы посмотреть, как он устроен, — для работы как выпрямитель он все равно непригоден. Но, надеюсь, диод был хорошим и опыт удался. Почему при первом включении диода в цепь лампочка горела, а при втором не горела? В первом случае диод был открыт, так как на него подавалось прямое напряжение Uпp., сопротивление диода было мало и через него протекал прямой ток Iпр., значение которого определялось нагрузкой цепи — лампочкой. Во втором случае диод был закрыт, так как к нему прикладывалось обратное напряжение Uобр., равное напряжению батареи. Сопротивление диода было очень большое, и в цепи тек лишь незначительный обратный ток Iобр., который не мог накалить нить лампочки. В этом опыте лампочка выполняла двоякую функцию. Она, во — первых, была индикатором наличия тока в цепи, а во — вторых, ограничивала ток в цепи до 0,28 А и таким образом защищала диод от перегрузки.

 

Опыт с диодом.

 

Переходим к следующему уроку !

90000 Introduction to Rectifier Diode Circuit Wokring and Its Applications 90001 90002 Diodes are widely used semiconductor device. A rectifier diode is a two-lead semiconductor that allows current to pass in only one direction. Generally, P-N junction Diode is formed by joining together n-type and p-type semiconductor materials. The P-type side is called the anode and the n-type side is called the cathode. Many types of diodes are used for a wide range of applications. Rectifier diodes are a vital component in power supplies where they are used to convert AC voltage to DC voltage.The Zener diodes are used for voltage regulation, preventing unwanted variations in DC supplies within a circuit. 90003 90002 90005 Symbol of a Diode 90006 90003 90002 The symbol of a rectifier diode symbol is shown below, the arrowhead points in the direction of conventional current flow. 90003 90010 90010 Rectifier Diode Symbol 90012 Rectifier Diode Circuit Working 90013 90002 Both the n-type & p-type materials are chemically combined with a special fabrication technique which results in the formation of a p-n junction.This P-N junction has two terminals which can be called as electrodes and due to this reason, it is called to be a «DIODE» (Di-ode). 90003 90002 If an external DC supply voltage is applied to any electronic device through its terminals, it is called as Biasing. 90003 90018 Unbiased Rectifier Diode 90019 90020 90021 When no voltage supplied to a rectifier diode then it is called as an Unbiased Diode, N-side will have a majority number of electrons, and very few numbers of holes (due to thermal excitation) whereas the P- side will have a majority charge carriers holes and very few numbers of electrons.90022 90021 In this process, free electrons from N-side will diffuse (spread) into the P side and recombine takes place in holes present there, leaving + ve immobile (not moveable) ions in N- side and creating -ve immobile ions in the P side of the diode. 90022 90021 The immobile in the n-type side near the junction edge. Similarly, the immobile ions in the p-type side near the junction edge. Due to this, numbers of positive ions and negative ions will accumulate at the junction. This region so formed is called as depletion region.90022 90021 At this region, a static electric field called as Barrier Potential is created across the PN junction of the diode. 90022 90021 It opposes the further migration of holes and electrons across the junction. 90022 90031 90032 90032 Unbiased Diode (No Voltage Applied) 90018 Forward Biased Diode 90019 90020 90021 Forward Biasing: In a PN junction diode, the positive terminal of a voltage source is connected to the p-type side, and the negative terminal is connected to the n-type side, the diode is said to be in forwarding bias condition.90022 90021 The electrons get repelled by the negative terminal of DC voltage supply and drift towards the positive terminal. 90022 90021 So, under the influence of applied voltage, this electron drift causes current to flow in a semiconductor. This current is termed as «Drift current». As majority carriers are electrons, current in n-type is the electron current. 90022 90021 As holes are majority carriers in p-type, these get repelled by positive terminal of DC supply and move across the junction towards the negative terminal.So, the current in p-type is the hole current. 90022 90021 So, the overall current due to majority carriers creates a Forward current. 90022 90021 The direction of conventional current flows from positive to negative of battery in the direction of conventional current is opposite to the electrons flow. 90022 90031 90050 90050 Forward Biased Rectifier Diode 90018 Reverse Biased Diode 90019 90020 90021 Reverse Biased condition: if the diode is the positive terminal of the source voltage is connected to the n-type end, and the negative terminal of the source is connected to the p-type end of the diode, there will be no current through the diode except reverse saturation current.90022 90021 This is because at the reverse biased condition the depletion layer of the junction becomes broader with increasing reverse biased voltage. 90022 90021 Although there is a small current flowing from the n-type to p-type end in the diode due to minority carriers. This current is called Reverse Saturation Current. 90022 90021 Minority carriers are mainly thermally generated electrons / holes in p-type semiconductor and n-type semiconductor respectively. 90022 90021 Now if reverse applied voltage across the diode is continually increased, then after certain voltage the depletion layer will destroy which will cause a huge reverse current to flow through the diode.90022 90021 If this current is not externally limited and it reaches beyond the safe value, the diode may be permanently destroyed. 90022 90021 These fast moving electrons collide with the other atoms in the device to knock off some more electrons from them. The electrons, so released further release much more electrons from the atoms by breaking the covalent bonds. 90022 90021 This process is called as carrier multiplication and leads to a considerable increase in the flow of current through the p-n junction.The associated phenomenon is called Avalanche Breakdown. 90022 90031 90072 90072 Reverse Biased Diode 90018 Some Applications of Rectifier Diode 90019 90002 Diodes have many applications. Here are a few of the typical applications of diodes include: 90003 90078 90078 90080 90020 90021 Rectifying a voltage, such as turning the AC into DC voltages 90022 90021 Isolating signals from a supply 90022 90021 Voltage Reference 90022 90021 Controlling the size of a signal 90022 90021 Mixing signals 90022 90021 Detection signals 90022 90021 Lighting systems 90022 90021 LASER diodes 90022 90031 90099 Half-Wave Rectifier 90100 90002 One of the most common uses for the diode is to rectify the AC voltage into a DC power supply.Since, a diode can only conduct current one way, when the input signal goes negative, there will be no current. This is called a half-wave rectifier. The below figure shows the half wave rectifier diode circuit. 90003 90103 90103 Half-Wave Rectifier 90099 Full-Wave Rectifier 90100 90020 90021 A full wave rectifier diode circuit builds with four diodes, by this structure we can make both halves of the waves positive. For both positive and negative cycles of the input, there is a forward path through the diode bridge.90022 90021 While two of the diodes are forward biased, the other two are reverse biased and effectively eliminated from the circuit. Both conduction paths cause current to flow in the same direction through the load resistor, accomplishing full-wave rectification. 90022 90021 The Full-wave rectifiers are used in power supplies to convert AC voltages to DC voltages. A large capacitor in parallel with the output load resistor reduces the ripple from the rectification process. The below figure shows the full wave rectifier diode circuit.90022 90031 90115 90115 Full-Wave Rectifier 90002 Thus, this is all about Rectifier Diode and its uses. Do you know any other diodes that are regularly used in real-time electrical and electronics projects? Then, please give your feedback by commenting in the comments section below. Here is a question for you, 90005 How the depletion region is formed in a D 90006 90005 iode? 90006 90003 90002 90003.90000 Diode Rectifier Circuits »Electronics Notes 90001 90002 Diode rectifier circuits come in many forms ranging from simple diodes to half wave, full wave rectifiers, those using bridge rectifiers, voltage doublers and many more. 90003 90004 90005 90006 Diode Rectifier Circuits Include: 90007 90008 Diode rectifier circuits Half wave rectifier Full wave rectifier Two diode full wave rectifier Full wave bridge rectifier Synchronous rectifier 90009 90004 90005 Diode rectifier circuits are one of the key circuits used in electronic equipment.They can be used in switch mode power supplies and linear power supplies, RF signal demodulation, RF power sensing and very much more. 90009 90005 There are several different types of diode rectifier circuit, each with its own advantages and disadvantages. Decisions about which type of diode circuit to use depend upon the given situation. 90009 90015 Diode rectifier circuit basics 90016 90005 The key component in any rectifier circuit is naturally the diode or diodes used. These devices are unique in only allowing current through in one direction.Interestingly Ambrose Fleming who invented the first form of diode called his version a valve because of its one way action. Semiconductor diodes now perform the same function, but occupy a fraction of the space and are normally only a small fraction of the cost. 90009 90005 The semiconductor diode has a characteristic something like that shown below. In the forward direction, a small voltage is required across the diode before it conducts — this is known as the turn on voltage. The actual voltage depends on the type of diode rectifier and the material used.For a standard silicon diode rectifier this turn on voltage is around 0.6 volts. Germanium diodes have a turn on voltage of around 0.2 — 0.3V, and silicon Schottky diodes have a similar turn on voltage in the region of 0.2 — 0.3V 90009 90021 PN diode VI characteristic 90005 In the reverse direction, the diode rectifier will ultimately break down. The breakdown voltage is normally well in excess of the turn on voltage — the scales on the diagram have been altered (compressed) in the reverse direction to illustrate that reverse breakdown occurs.90009 90024 Note on the Diode Types: 90025 90005 Although the basic function of a diode remains the same, the there are many different types with slightly different characteristics. Some many be optimised for power rectification, others for signal rectification, others use the diode junction to emit light, or have a variable capacitance, etc. 90009 90005 Read more about the 90006 90030 Types of Semiconductor Diode. 90031 90007 90009 90005 For power rectification applications, power diodes or Schottky diodes are normally used.For signal rectification small point contact diodes, signal diodes, or Schottky diodes may be used. The Schottky diode has the advantage that it only requires a forward voltage of around 0.2 — 0.3volts for forward conduction. This is particularly useful when detecting small radio signals, and when used as a power rectifier the power losses are reduced. However the reverse leakage characteristics are not as good as normal silicon diodes. 90009 90015 Diode symbol and packages 90016 90005 The diode circuit symbol is widely known.Diodes also come in a variety of packages, although some of the more usual formats are shown in the diagram below. 90009 90040 Diode circuit symbol 90015 Diode rectifier action 90016 90005 The action of the diode is to allow current to flow in only one direction. Therefor is an alternating waveform is applied to a diode, then it will only allow conduction over half the waveform. The remaining half is blocked. 90009 90045 The rectifying action of a diode 90015 Diode rectifier circuit configurations 90016 90005 There are a number of different configurations of diode rectifier circuit that can be used.These different configurations each have their own advantages and disadvantages, and are therefore applicable to different applications. 90009 90050 90051 90005 90006 90030 Half wave rectifier circuit: 90031 90007 This is the simplest form of rectifier. Often using only a single diode is blocks half the cycle and allows through the other. As such only half of the waveform is used. 90009 90005 While the advantage of this circuit is its simplicity, the drawback is the fact that there is longer between successive peaks of the rectified signal.This makes smoothing less effective and more difficult to achieve high levels ripple rejection. 90009 90005 This circuit is not used for any power supply applications — it is more commonly used for signal detection and level detection applications. 90009 90008 90063 90051 90005 90006 90030 Full wave rectifier circuit: 90031 90007 This form of rectifier circuit uses both halves of the waveform. This makes this form of rectifier more effective, and as there is conduction over both halves of the cycle, smoothing becomes much easier and more effective.There are two types of full ave rectifier. 90009 90050 90051 90005 90074 90030 Two diode centre taped transformer full wave rectifier: 90031 90077 The two diode version of the full wave rectifier circuit requires a centre tap in the transformer. When vacuum tubes / thermionic valves were used, this option was widely used in view of the cost of the valves. However with semiconductors, a four diode bridge circuit saves on the cost of the centre tapped transformer and is equally effective.90009 90008 90063 90051 90005 90074 90030 Bridge full rectifier circuit: 90031 90077 This is a specific form of full wave rectifier that utilises four diodes in a bridge topology. Bridge rectifiers are widely used, especially for power rectification, and they can be obtained as a single component contain the four diodes connected in the bridge format. 90009 90005 This format uses four diodes, two conducting in each half of the cycle. This does mean that there are two diode voltage drops which can dissipate some power, but is saves on the requirement for a centre tapped transformer, which makes a significant cost saving.Also the diodes do not need to have such a high reverse voltage rating as those used in the two diode configuration. 90009 90005 In view of the fact that there are two diode voltage drops, this circuit is seldom used for signal detection applications. However it is very suitable for use in linear power supplies and also in many cases in switch mode power supplies. 90009 90008 90063 90094 90063 90051 90005 90006 90030 Synchronous rectifier circuit: 90031 90007 Synchronous or active rectifiers use active elements instead of diodes to provide the switching.This overcomes the diode losses and significantly improves the efficiency levels. 90009 90005 In view of the greater levels of efficiency that synchronous rectifiers can provide, they are being used very widely in high efficiency switch mode power supplies. Their complexity is more than outweighed by the much higher efficiency levels attainable. 90009 90008 90063 90094 90005 In view of the variety of different types of rectifier circuit, there is a good choice of which type to use.In many cases this is dictated by the level of performance required, and in most cases a form of full wave rectifier is needed. With the availability and low cost of bridge rectifiers, this is normally the cheapest option, rather than saving on the diodes and then requiring a centre taped transformer./p> 90009 90005 With modern power supplies requiring ever higher levels of efficiency, many designers are looking to the use of synchronous rectifiers. Although they are more complicated and therefore cost more, this cost is often worth the returns they give in increasing the efficiency level.90009 90005 90006 More Circuits & Circuit Design: 90007 90008 Op Amp basics Op Amp circuits Power supply circuits Transistor design Transistor Darlington Transistor circuits FET circuits Circuit symbols 90008 90006 90030 Return to Circuit Design menu. . . 90031 90007 90009.90000 Zener Diode Circuits & Design »Electronics Notes 90001 90002 There are many Zener diode circuits from voltage reference circuits to those providing voltage transient protection. 90003 90004 90005 90006 Zener / Reference Diode Tutorial Includes: 90007 90008 Zener diode Zener diode theory of operation Zener diode datasheet specs Zener diode circuits 90009 90005 90006 Other diodes: 90007 Diode types 90009 90004 90005 Zener diodes or voltage reference diodes are used in a variety of circuits to enable them to provide a voltage reference.They can also be used in other circuits apart from just providing a voltage reference. 90009 90005 There are many circuits that use Zener diodes, ranging from very simple Zener diode circuits, up to far more complicated ones. 90009 90005 A few examples of Zener diode circuits are given below along with some circuit design hints and tips. 90009 90021 Simple Zener diode circuit providing reference voltage 90022 90005 The most basic Zener diode circuit consist of a single Zener diode and a resistor.The Zener diode provides the reference voltage, but a series resistor must be in place to limit the current into the diode otherwise a large amount of current would flow through it and it could be destroyed. 90009 90005 The value of the resistor in the Zener diode circuit should be calculated to give the required value of current for the supply voltage used. Typically most low power leaded Zener diodes have a maximum power dissipation of 400 mW. Ideally the circuit should be designed to dissipate less than about half this value, but to operate correctly the current into the Zener diode should not fall below about 5 mA or they do not regulate correctly.90009 90027 Basic voltage reference Zener diode circuit 90002 Circuit design example 90003 90005 Take the case where a Zener diode circuit is used to supply a regulated 5.1 Volt rail consuming 2 mA, from an input voltage supply of 12 volts. The following easy steps can be used to calculate the resistor required: 90009 90032 90033 Calculate the difference in voltage across the series resistor 90006 12 — 5.1 = 6.9 volts 90007 90036 90033 Determine the resistor current. Choose this to be 15 mA.This will allow sufficient margin above the minimum Zener diode current for some variation in the load current. 90036 90033 Check the Zener diode power dissipation. At a current of 15 mA and a voltage across the power dissipation is: 90006 15 mA x 5.1 volts = 76.5 mW 90007 90008 This is nicely within the maximum limit for the diode 90036 90033 Determine the current through the series resistor. This is 15 mA for the Zener diode plus 2 mA for the load, i.e. 17 mA. 90036 90033 Determine the value of the series resistor.Using Ohms law this can be calculated from the voltage drop across it and the total current through it: 90006 6.9 / 17 mA = 0.405 kohm 90007 90008 The nearest value is 390 ohms 90036 90033 Determine the wattage of the series resistor. This can be determined using the value for the current through the resistor and the voltage across it calculated earlier: 90006 V x I = 6.9V x 17mA = 117mW 90007 90008 The resistor needs to be able to dissipate this level of heat. A quarter watt resistor should be adequate for this.90036 90056 90005 This simple Zener diode circuit is widely used as an easy method of providing a voltage reference. 90009 90021 Zener diode circuit for PSU with series transistor 90022 90005 The very simple Zener diode circuit providing the shunt regulator function as shown above is not particularly efficient and is not practicable for many higher current applications. One solution is to utilise a Zener diode circuit that uses a transistor buffer that acts as a series pass transistor.A simple circuit is shown below and here the transistor is used as an emitter follower. 90009 90063 90008 Simple Zener diode voltage regulator circuit 90005 When utilising this Zener diode circuit, the current required from the Zener resistor potential diver should be calculated. This is the emitter current from the transistor divided by the gain. 90009 90005 When choosing the Zener diode voltage, it should be remembered that the emitter voltage will be lower than the Zener voltage by the amount of the base-emitter voltage — about 0.6 volts for a silicon transistor. 90009 90021 Zener diode circuit for overvoltage protection 90022 90005 Another form of Zener diode circuit is an overvoltage protection circuit. This Zener diode circuit uses the Zener diode in a slightly different way, detecting the breakdown current through the diode once a certain voltage has been reached. 90009 90005 While power supplies are normally reliable, the effects of the series pass transistor or FET failure can be catastrophic. If the series pass device fails as a short circuit, the full unregulated voltage would be placed onto the circuits using the regulated power.This could destroy all the chips being powered. 90009 90005 One solution is to use a crowbar circuit. When this form of circuit detects an overvoltage situation it fires an SCR. This quickly holds down the output voltage and in the instance shown, it blows a fuse that disconnects the input source power. 90009 90077 Zener diode / SCR overvoltage protection circuit 90005 The circuit operates by firing the SCR when the overvoltage is detected. The Zener diode is chosen to have a voltage above the normal operating voltage — sufficient margin not to fire under normal operating conditions, but small enough to allow current to flow quickly when the fault condition is detected.90009 90005 Under normal operating conditions the output voltage is below the reverse voltage of the Zener diode and no current flows though it and the gate of the SCR is not fired. 90009 90005 However, if the voltage rises above the allowed voltage, i.e. the Zener diode breakdown voltage, the Zener diode will start to conduct, the SCR will fire and the fuse will be blow. 90009 90021 Zener diode circuit tips 90022 90005 The Zener diode is a very flexible and useful circuit component. However, like any other electronics component, there are a few hints and tips which enable the best to be made of the Zener diode.A number are listed below. 90009 90088 90033 90006 90091 Buffer the Zener diode circuit with an emitter or source follower circuit: 90092 90007 To keep the voltage from the Zener diode as stable as possible, the current flowing through the Zener diode must be kept constant. Any variations in current drawn by the load must be minimised as these will change the current through the Zener diode and cause slight voltage variations. The changes caused by the load can be minimised by using an emitter follower circuit stage to reduce the current taken from the Zener diode circuit and hence the variations it sees.This also has the advantage that smaller Zener diodes may be used. 90036 90033 90006 90091 Drive with constant current source for best stability: 90092 90007 Another way of improving the Zener stability is to use a good constant current source. A simple circuit using just a resistor is adequate for many applications, but a more effective current source can provide some improvements in the circuit performance as the current can be maintained almost regardless of any variations in supply rail.90036 90033 90006 90091 Choose correct voltage for best stability: 90092 90007 In applications where stability with temperature changes is required, the Zener voltage reference diode should be chosen to have a voltage of around 5.5 volts. The nearest preferred value is 5.6 volts although 5.1 volts is another popular value in view of its proximity to 5 volts required for some logic families. Where different levels of voltage are required, the 5.6 volt Zener can be used and the surrounding electronics can be used to transfer this to the required output value.90036 90033 90006 90091 Ensure sufficient current for reverse breakdown: 90092 90007 It is necessary to ensure that sufficient current is passed through the diode to ensure that it remains in reverse breakdown. For a typical 400 mW device a current of around 5 mA must be maintained. For exact values ​​of minimum current, the datasheet for the particular device and voltage should be consulted. If this minimum current is not supplied then the diode will not conduct properly and the whole circuit will not operate.90036 90033 90006 90091 Ensure maximum limits of current are not exceeded for the Zener diode: 90092 90007 While it is necessary to ensure sufficient current is passed through the Zener diode, the maximum limits must not be exceeded. This can be a bit of a balancing act in some circuits as variations in load current will cause the Zener diode current to vary. Care should be taken not to exceed the maximum current or the maximum power dissipation (Zener voltage x Zener diode current). If this appears to be a problem, an emitter follower circuit can be used to buffer the Zener diode and increase the current capability.90036 90119 90005 Zener diodes are very easy to use and as a result there is a wide variety of different Zener diode circuits. When used with a few precautions, they operate well, but occasionally they can cause a few issues, but following the hints and tips mentioned above should help avoid most issues .. 90009 90005 90006 More Electronic Components: 90007 90008 Resistors Capacitors Inductors Quartz crystals Diodes Transistor Phototransistor FET Memory types Thyristor Connectors RF connectors Valves / Tubes Batteries Switches Relays 90008 90006 90091 Return to Components menu.. . 90092 90007 90009.90000 What is PIN Diode? — Definition, Structure, Working & Applications 90001 90002 90003 Definition: 90004 The diode in which the intrinsic layer of high resistivity is sandwiched between the P and N-region of semiconductor material such type of diode is known as the PIN diode. The high resistive layer of the intrinsic region provides the large electric field between the P and N-region. The electric field induces because of the movement of the holes and the electrons. The direction of the electric field is from n-region to p-region.90005 90002 The high electric field generates the large electron holes pairs due to which the diode process even for the small signals. The PIN diode is a type of photodetector used for converting the light energy into the electrical energy. 90005 90002 The intrinsic layer between the P and N-type regions increases the distance between them. The width of the region is inversely proportional to their capacitance. If the separation between the P and N region increases their capacitance decreases.This characteristic of diode increases their response time and makes the diode suitable for works like a microwaves applications. 90005 90010 Symbol of PIN Diode 90011 90002 The symbolic representation of the PIN diode is shown in the figure below. The anode and cathode are the two terminal of the PIN diode. The anode is the positive terminal and cathode represent their negative terminals. 90005 90002 90015 90005 90017 PIN Diode Structure 90018 90002 The diode consists the P-region and N-region which is separated by the intrinsic semiconductor material.In P-region the hole is the majority charge carrier while in n-region the electron is the majority charge carrier. The intrinsic region has no free charge carrier. It acts as an insulator between n and the p-type region. The i-region has the high resistance which obstructs the flow of electrons to pass through it. 90005 90002 90022 90005 90017 Working of PIN Diode 90018 90002 The working of the PIN diode is similar to the ordinary diode. When the diode is unbiased, their charge carrier will diffuse.The word diffusion means the charge carriers of the depletion region try to move to their region. The process of diffusion occurs continue until the charges become equilibrium in the depletion region. 90005 90002 90029 90005 90002 Let the N and I-layer make the depletion region. The diffusion of the hole and electron across the region generates the depletion layer across the NI-region. The thin depletion layer induces across n-region, and thick depletion region of opposite polarity induces across the I-region.90005 90010 Forward Biased PIN Diode 90011 90002 When the diode is kept forward biased, the charges are continuously injected into the I-region from the P and N-region. This reduces the forward resistance of the diode, and it behaves like a variable resistance. 90005 90002 The charge carrier which enters from P and N-region into the i-region are not immediately combined into the intrinsic region. The finite quantity of charge stored in the intrinsic region decreases their resistivity. 90005 90002 Consider the Q be the quantity of charge stored in the depletion region.The τ be the time used for the recombination of the charges. The quantity of the charges stored in the intrinsic region depends on their recombination time. The forward current starts flowing into the I region. 90040 90005 90002 Where, I 90043 F 90044 — forward current 90045 τ- recombination time 90005 90002 The resistance (R 90043 s 90044) of the current under forwarding biased is inversely proportional to the charge Q stored in the intrinsic region. 90050 90005 90002 Where, w — width region 90045 μ — electron mobility 90045 μ 90043 0 90044 — hole mobility 90005 90002 From equation (1) and (2), we get 90059 90005 90002 The above equation shows that the resistance of the intrinsic region depends on the width of the region.90005 90010 Reversed Biased PIN Diode 90011 90002 When the reverse voltage is applied across the diode, the width of the depletion region increases. The thickness of the region increases until the entire mobile charge carrier of the I-region swept away from it. 90003 The reverse voltage requires for removing the complete charge carrier from the I-region is known as the swept voltage. 90004 90005 90002 In reverse bias, the diode behaves like a capacitor. The P and N region acts as the positive and negative plates of the capacitor, and the intrinsic region is the insulator between the plates.90070 90005 90002 Where, A — junction diode 90045 w — intrinsic region thickness 90005 90002 The lowest frequency at which the effect starts to begins is expressed as 90005 90002 90078 90005 90002 Where, ε — silicon dielectric constant 90005 90017 Applications of PIN Diode 90018 90084 90085 90003 High Voltage Rectifier 90004 — It is used as a high voltage rectifier. The diode has a large intrinsic region between the N and P-region which can tolerate the high reverse voltage. 90088 90085 90003 Photo-detector 90004 — The PIN diode is used for converting the light energy into the electrical energy.The diode has large depletion region which improves their performance by increasing the volume of light conversion. 90088 90093 90002 The PIN diode is most suitable for low voltage applications. 90005 .

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о