Vše o diodách
Dioda je elektrické zařízení, které umožňuje, aby jím proud procházel jedním směrem mnohem snadněji než druhým. Nejběžnějším druhem diody v moderních obvodech je polovodičová dioda, i když existují i jiné diodové technologie. Polovodičové diody jsou symbolizovány ve schématech, jako je obrázek níže. Termín „dioda“ je obvykle vyhrazen pro malá signální zařízení, I ≤ 1 A. Termín usměrňovač se používá pro výkonová zařízení, I > 1 A.
Symbol schématu polovodičové diody: Šipky označují směr toku proudu.
Symbol schématu polovodičové diody:
Při umístění do jednoduchého obvodu baterie a lampy dioda v závislosti na polaritě přiloženého napětí buď propustí, nebo zabrání průchodu proudu lampou. (obrázek níže)
Provoz diody: (a) Průtok proudu je povolen; dioda je předpjatá. (b) Průtok proudu je zakázán; dioda je přepólovaná.
Je-li polarita baterie taková, že diodou může protékat proud, říká se, že dioda je přepólovaná. Naopak, když je baterie „obráceně“ a dioda blokuje proud, říká se, že je dioda reverzně předpjatá. Diodu si lze představit jako spínač: „
Směr „šipky“ symbolu diody ukazuje na směr proudu při běžném průtoku. Tato konvence platí pro všechny polovodiče, které mají ve svých schématech „hlavičky šipek“. Opačná situace nastává při elektronovém toku, kdy směr proudu směřuje proti „hrotu šipky“.
Analogie hydraulického zpětného ventilu
Chování diody je analogické chování hydraulického zařízení zvaného zpětný ventil. Zpětný ventil umožňuje průtok kapaliny pouze jedním směrem jako na obrázku níže.
Hydraulická analogie zpětného ventilu: (a) Proudový tok povolen. (b) Průtok proudu zakázán.
Zpětné ventily jsou v podstatě tlakově ovládaná zařízení: otevírají se a umožňují průtok, pokud má tlak přes ně správnou „polaritu“ pro otevření šoupátka (v uvedené analogii větší tlak kapaliny vpravo než vlevo). Pokud je tlak opačné „polarity“, rozdíl tlaků na zpětném ventilu uzavře a zadrží šoupátko, takže k průtoku nedojde.
Stejně jako zpětné ventily jsou i diody v podstatě „tlakově“ ovládaná (napěťově řízená) zařízení. Zásadní rozdíl mezi předpětími v přímém směru a v opačném směru spočívá v polaritě napětí, které na diodě klesá. Podívejme se blíže na dříve uvedený jednoduchý obvod baterie-dioda-lampa a tentokrát prozkoumejme úbytky napětí na různých součástkách na obrázku níže.
Měření napětí v obvodu diody: (a) dopředu vychýlený. (b) S opačným předpětím.
Konfigurace diody s předpětím
Dioda s předpětím vede proud a klesá na ní malé napětí, přičemž většina napětí baterie klesá na lampě. Pokud se polarita baterie obrátí, dioda se stane opačně vychýlenou a odvede celé napětí baterie a na lampě nezůstane žádné. Považujeme-li diodu za samočinný spínač (sepnutý v režimu přímého předpětí a rozepnutý v režimu zpětného předpětí), dává toto chování smysl. Nejpodstatnějším rozdílem je to, že dioda při vodivém chodu ztrácí mnohem více napětí než průměrný mechanický spínač (0,7 V oproti desítkám milivoltů).
Tento pokles napětí v přímém směru, který dioda vykazuje, je způsoben působením depleční oblasti tvořené přechodem P-N pod vlivem přiloženého napětí. Pokud na polovodičovou diodu není přiloženo žádné napětí, existuje kolem oblasti přechodu P-N tenká depleční oblast, která brání průtoku proudu. (Obrázek níže (a)) Depleční oblast je téměř bez dostupných nosičů náboje a funguje jako izolant:
Zobrazení diody: model přechodu PN, schematický symbol, fyzická část:
Schematický symbol diody je znázorněn na obrázku výše (b) tak, že anoda (ukazující konec) odpovídá polovodiči typu P na (a). Katodová tyč, neukazující konec, na (b) odpovídá materiálu typu N na (a). Všimněte si také, že katodový proužek na fyzické části (c) odpovídá katodě na symbolu.
Konfigurace diody se zpětným předpětím
Přiloží-li se na přechod P-N napětí se zpětným předpětím, tato depleční oblast se rozšíří, což dále brání průchodu jakéhokoli proudu. (Obrázek níže)
Depleční oblast se s reverzním předpětím rozšiřuje.
Přímé napětí
Přiloží-li se naopak na přechod P-N předpínací napětí, depleční oblast se zmenší a ztenčí. Dioda se stává méně odolnou vůči procházejícímu proudu. Aby však diodou procházel trvalý proud, musí být depleční oblast zcela zhroucena přiloženým napětím. K tomu je zapotřebí určitého minimálního napětí, které se nazývá dopředné napětí, jak je znázorněno na obrázku níže.
Zvýšením dopředného předpětí z (a) na (b) se tloušťka depleční oblasti zmenšuje.
Pro křemíkové diody je typické dopředné napětí 0,7 V, nominální. U germaniových diod je dopředné napětí pouze 0,3 voltu. Chemická složka přechodu P-N tvořícího diodu odpovídá za její nominální hodnotu dopředného napětí, což je důvod, proč mají křemíkové a germaniové diody tak rozdílná dopředná napětí. Úbytek dopředného napětí zůstává přibližně konstantní pro široký rozsah diodových proudů, což znamená, že úbytek napětí diody není jako u rezistoru nebo dokonce normálního (uzavřeného) spínače. Pro většinu zjednodušených analýz obvodů lze úbytek napětí na vodivé diodě považovat za konstantní při jmenovité hodnotě a nesouvisí s velikostí proudu.
Rovnice diody
Ve skutečnosti je úbytek napětí v přímém směru složitější. Rovnice popisuje přesný proud procházející diodou, je-li dán úbytek napětí na přechodu, teplota přechodu a několik fyzikálních konstant. Běžně je známá jako diodová rovnice:
Výraz kT/q popisuje napětí vzniklé v přechodu P-N působením teploty a nazývá se tepelné napětí nebo Vt přechodu. Při pokojové teplotě je to přibližně 26 milivoltů. S touto znalostí a za předpokladu koeficientu „neideality“ 1 můžeme diodovou rovnici zjednodušit a přepsat takto:
K analýze jednoduchých diodových obvodů nemusíte znát „diodovou rovnici“. Stačí pochopit, že napětí klesající na proudově vodivé diodě se sice mění s velikostí procházejícího proudu, ale že tato změna je v širokém rozsahu proudů poměrně malá. Proto se v mnoha učebnicích jednoduše uvádí, že úbytek napětí na vodivé polovodičové diodě zůstává konstantní na hodnotě 0,7 V pro křemík a 0,3 V pro germanium.
Některé obvody však záměrně využívají přirozeného exponenciálního vztahu proudu a napětí přechodu P-N, a proto je lze pochopit pouze v kontextu této rovnice. Vzhledem k tomu, že v rovnici pro diody hraje roli také teplota, lze přechod P-N v přímém směru použít také jako zařízení pro snímání teploty, a proto mu lze porozumět pouze tehdy, pokud tento matematický vztah pojmově chápeme.
Provoz v obráceném směru
Dioda v obráceném směru zabraňuje průchodu proudu díky rozšířené depleční oblasti. Ve skutečnosti reverzně zkreslenou diodou může procházet a prochází velmi malé množství proudu, kterému se říká svodový proud, ale pro většinu účelů ho lze ignorovat.
Schopnost diody odolávat reverzně zkresleným napětím je omezená, stejně jako u každého izolantu. Pokud je přiložené reverzní napětí příliš velké, nastane u diody stav známý jako průraz (obrázek níže), který je obvykle destruktivní.
Maximální hodnota reverzního napětí diody je známá jako špičkové inverzní napětí neboli PIV a lze ji získat od výrobce. Stejně jako u přímého napětí se jmenovitá hodnota PIV diody mění v závislosti na teplotě, s tím rozdílem, že PIV se zvyšuje se zvyšující se teplotou a klesá, když se dioda ochlazuje – přesně opačně než u přímého napětí.
Křivka diody: ukazuje koleno při dopředném předpětí 0,7 V pro Si a zpětný průraz.
Typicky je hodnota PIV obecné „usměrňovací“ diody nejméně 50 V při pokojové teplotě. Diody se jmenovitými hodnotami PIV v řádech tisíců voltů jsou k dispozici za mírné ceny.
PŘEHLED:
- Dioda je elektrická součástka, která funguje jako jednosměrný ventil pro proud.
- Pokud je na diodu přivedeno napětí takovým způsobem, že dioda propouští proud, říká se, že je dioda předpjatá.
- Když je na diodu přivedeno napětí takovým způsobem, že dioda proudu brání, říká se, že je dioda reverzně předpjatá.
- Napětí klesající na vodivé, dopředně předpjaté diodě se nazývá dopředné napětí. Forward voltage for a diode varies only slightly for changes in forward current and temperature, and is fixed by the chemical composition of the P-N junction.
- Silicon diodes have a forward voltage of approximately 0.7 volts.
- Germanium diodes have a forward voltage of approximately 0.3 volts.
- The maximum reverse-bias voltage that a diode can withstand without „breaking down“ is called the Peak Inverse Voltage, or PIV rating.
RELATED WORKSHEETS:
- Rectigying Diodes Worksheet
- PN Junctions Worksheet