Wszystko o diodach
Dioda jest urządzeniem elektrycznym pozwalającym na przepływ prądu w jednym kierunku z dużo większą łatwością niż w drugim. Najbardziej powszechnym rodzajem diody w nowoczesnych obwodach jest dioda półprzewodnikowa, chociaż istnieją również inne technologie diodowe. Diody półprzewodnikowe są symbolizowane na schematach ideowych, takich jak poniższy rysunek. Termin „dioda” jest zwyczajowo zarezerwowany dla urządzeń małosygnałowych, I ≤ 1 A. Termin prostownik jest używany dla urządzeń mocy, I > 1 A.
Symbol schematyczny diody półprzewodnikowej: Strzałki wskazują kierunek przepływu prądu.
Po umieszczeniu w prostym obwodzie bateria-lampa, dioda będzie przepuszczać lub uniemożliwiać przepływ prądu przez lampę, w zależności od biegunowości przyłożonego napięcia. (rysunek poniżej)
Diode operation: (a) Przepływ prądu jest dozwolony; dioda jest forward biased. (b) Przepływ prądu jest zabroniony; dioda jest odwrócona.
Gdy polaryzacja baterii jest taka, że prąd może przepływać przez diodę, mówi się, że dioda jest spolaryzowana do przodu. I odwrotnie, gdy bateria jest „do tyłu”, a dioda blokuje prąd, mówi się, że dioda jest wstecznie spolaryzowana. Dioda może być traktowana jak przełącznik: „
Kierunek strzałki w symbolu diody wskazuje na kierunek przepływu prądu w konwencjonalnym przepływie. Ta konwencja jest prawdziwa dla wszystkich półprzewodników posiadających „groty strzałek” w swoich schematach. Odwrotna sytuacja ma miejsce w przypadku przepływu elektronów, gdzie kierunek prądu jest przeciwny do „grotu strzałki”.
Analogia hydraulicznego zaworu zwrotnego
Zachowanie diody jest analogiczne do zachowania urządzenia hydraulicznego zwanego zaworem zwrotnym. Zawór zwrotny pozwala na przepływ płynu przez niego tylko w jednym kierunku, jak na rysunku poniżej.
Analogia zaworu zwrotnego hydraulicznego: (a) Przepływ prądu dozwolony. (b) Przepływ prądu zabroniony.
Zawory zwrotne są zasadniczo urządzeniami sterowanymi ciśnieniowo: otwierają się i umożliwiają przepływ, jeśli ciśnienie przez nie przepływające ma odpowiednią „polaryzację” do otwarcia bramki (w przedstawionej analogii większe ciśnienie płynu po prawej stronie niż po lewej). Jeśli ciśnienie ma przeciwną „polaryzację”, różnica ciśnień na zaworze zwrotnym zamknie i zatrzyma bramkę, aby nie nastąpił przepływ.
Podobnie jak zawory zwrotne, diody są zasadniczo urządzeniami sterowanymi „ciśnieniem” (napięciem). Zasadnicza różnica pomiędzy forward-bias a reverse-bias polega na polaryzacji napięcia padającego na diodę. Przyjrzyjmy się bliżej prostemu układowi bateria-dioda-lampa pokazanemu wcześniej, tym razem badając spadki napięć na poszczególnych elementach na rysunku poniżej.
Pomiary napięcia obwodu diodowego: (a) Forward biased. (b) Reverse biased.
Konfiguracja diody forward bias
Dioda forward biased przewodzi prąd i upuszcza małe napięcie przez nią, pozostawiając większość napięcia baterii upuszczonego przez lampę. Jeśli polaryzacja baterii jest odwrócona, dioda staje się wstecznie spolaryzowana i upuszcza całe napięcie baterii, nie pozostawiając żadnego dla lampy. Jeśli potraktujemy diodę jako samoczynny przełącznik (zamknięty w trybie forward-bias i otwarty w trybie reverse-bias), to takie zachowanie ma sens. Najbardziej znaczącą różnicą jest to, że dioda spada dużo więcej napięcia podczas przewodzenia niż przeciętny przełącznik mechaniczny (0,7 V w porównaniu z dziesiątkami miliwoltów).
Ten spadek napięcia w trybie forward-bias wykazywany przez diodę jest spowodowany działaniem obszaru zubożenia utworzonego przez złącze P-N pod wpływem przyłożonego napięcia. Jeśli przez diodę półprzewodnikową nie jest przyłożone napięcie, wokół obszaru złącza P-N istnieje cienki region zubożenia, uniemożliwiający przepływ prądu. (Rysunek poniżej (a)) Region zubożenia jest prawie pozbawiony dostępnych nośników ładunku i działa jak izolator:
Przedstawienia diod: Model złącza PN, symbol schematyczny, część fizyczna.
Schematyczny symbol diody jest przedstawiony na rysunku powyżej (b) w taki sposób, że anoda (koniec wskazujący) odpowiada półprzewodnikowi typu P przy (a). Pręt katody, niewskazujący koniec, w (b) odpowiada materiałowi typu N w (a). Zauważ również, że pasek katody na fizycznej części (c) odpowiada katodzie na symbolu.
Konfiguracja diody z odwrotnym biasem
Jeśli napięcie odwrotnego biasu jest przyłożone do złącza P-N, region zubożenia rozszerza się, stawiając dalszy opór prądowi przez niego płynącemu. (Rysunek poniżej)
Region zubożania rozszerza się przy odwrotnym biasie.
Napięcie wsteczne
Odwrotnie, jeśli napięcie biasujące jest przyłożone do złącza P-N, region zubożania zapada się i staje się cieńszy. Dioda staje się mniej rezystywna dla prądu przez nią płynącego. Aby jednak przez diodę mógł płynąć trwały prąd, obszar zubożenia musi zostać całkowicie zawalony przez przyłożone napięcie. Wymaga to pewnego minimalnego napięcia, zwanego napięciem przednim, jak pokazano na rysunku poniżej.
Zwiększanie napięcia przedniego z (a) do (b) zmniejsza grubość regionu deplecji.
Dla diod krzemowych typowe napięcie przednie wynosi 0,7 V, nominalnie. Dla diod germanowych napięcie przewodzenia wynosi tylko 0,3 V. Skład chemiczny złącza P-N, z którego zbudowana jest dioda, decyduje o wartości nominalnego napięcia zapłonu, dlatego diody krzemowe i germanowe mają tak różne napięcia zapłonu. Spadek napięcia przewodzenia pozostaje w przybliżeniu stały dla szerokiego zakresu prądów diody, co oznacza, że spadek napięcia diody nie jest taki jak rezystora lub nawet normalnego (zamkniętego) przełącznika. Dla większości uproszczonych analiz obwodów, spadek napięcia przez przewodzącą diodę może być uważany za stały przy wartości nominalnej i nie jest związany z wielkością prądu.
Równanie diody
W rzeczywistości spadek napięcia przewodzenia jest bardziej złożony. Równanie opisuje dokładny prąd płynący przez diodę, biorąc pod uwagę napięcie spadające przez złącze, temperaturę złącza i kilka stałych fizycznych. Jest ono powszechnie znane jako równanie diody:
Termin kT/q opisuje napięcie wytwarzane w złączu P-N w wyniku działania temperatury i jest nazywany napięciem termicznym lub Vt złącza. W temperaturze pokojowej wynosi ono około 26 miliwoltów. Wiedząc o tym i przyjmując współczynnik nieidealności równy 1, możemy uprościć równanie diody i zapisać je w następujący sposób:
Nie musisz znać „równania diody”, aby analizować proste obwody diodowe. Wystarczy zrozumieć, że napięcie spadające na diodzie przewodzącej prąd zmienia się wraz z wielkością prądu przez nią płynącego, ale zmiana ta jest dość mała w szerokim zakresie prądów. Dlatego wiele podręczników mówi, że spadek napięcia na przewodzącej diodzie półprzewodnikowej pozostaje stały i wynosi 0,7 V dla krzemu i 0,3 V dla germanu.
Jednakże niektóre obwody celowo wykorzystują wykładniczą zależność prądu od napięcia w złączu P-N i dlatego można je zrozumieć tylko w kontekście tego równania. Ponadto, ponieważ temperatura jest czynnikiem w równaniu diody, złącze P-N o odwróconym podziale może być również używane jako czujnik temperatury, a zatem może być zrozumiane tylko wtedy, gdy ktoś ma pojęcie o tym matematycznym związku.
Odwrotnie diagonalne działanie
Dioda o odwróconym podziale zapobiega przepływowi prądu przez nią, z powodu rozszerzonego regionu zubożenia. W rzeczywistości, bardzo mała ilość prądu może i przechodzi przez diodę odwróconą, zwana prądem upływu, ale może być ignorowana dla większości celów.
Zdolność diody do wytrzymania napięcia wstecznego jest ograniczona, jak dla każdego izolatora. Jeśli zastosowane napięcie wsteczne stanie się zbyt duże, dioda doświadczy stanu znanego jako awaria (rysunek poniżej), która jest zazwyczaj destrukcyjna.
Maksymalne napięcie wsteczne diody jest znane jako Peak Inverse Voltage, lub PIV, i może być uzyskane od producenta. Podobnie jak napięcie przewodzenia, wartość znamionowa PIV diody zmienia się w zależności od temperatury, z tym że PIV wzrasta wraz ze wzrostem temperatury i maleje, gdy dioda staje się chłodniejsza – dokładnie odwrotnie niż w przypadku napięcia przewodzenia.
Krzywa diodowa: pokazująca kolano przy napięciu 0,7 V dla Si i przebicie wsteczne.
Typowo, wartość znamionowa PIV dla zwykłej diody „prostowniczej” wynosi co najmniej 50 V w temperaturze pokojowej. Diody o znamionach PIV sięgających wielu tysięcy woltów są dostępne w umiarkowanych cenach.
PRZEGLĄD:
- Dioda jest elementem elektrycznym działającym jak zawór jednokierunkowy dla prądu.
- Gdy napięcie jest przyłożone do diody w taki sposób, że dioda przepuszcza prąd, mówi się, że dioda jest spolaryzowana do przodu.
- Gdy napięcie jest przyłożone do diody w taki sposób, że dioda nie przepuszcza prądu, mówi się, że dioda jest spolaryzowana wstecznie.
- Napięcie spadające na przewodzącą, spolaryzowaną diodę nazywane jest napięciem forward. 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