Toate despre diode
O diodă este un dispozitiv electric care permite curentului să se deplaseze prin el într-o direcție cu mult mai multă ușurință decât în cealaltă. Cel mai comun tip de diodă în proiectarea modernă a circuitelor este dioda semiconductoare, deși există și alte tehnologii de diode. Diodele semiconductoare sunt simbolizate în diagrame schematice, cum ar fi figura de mai jos. Termenul „diodă” este în mod obișnuit rezervat dispozitivelor de semnal mic, I ≤ 1 A. Termenul de redresor este utilizat pentru dispozitivele de putere, I > 1 A.
Simbolul schematic al diodei semiconductoare: Săgețile indică direcția fluxului de curent.
Când este plasată într-un circuit simplu baterie-lămpă, dioda va permite sau va împiedica trecerea curentului prin lampă, în funcție de polaritatea tensiunii aplicate. (figura de mai jos)
Funcționarea diodei: (a) Fluxul de curent este permis; dioda este polarizată în sens direct. (b) Fluxul de curent este interzis; dioda este polarizată invers.
Atunci când polaritatea bateriei este astfel încât curentul este permis să treacă prin diodă, se spune că dioda este polarizată în față. Invers, atunci când bateria este „inversă” și dioda blochează curentul, se spune că dioda este polarizată invers. O diodă poate fi privită ca un întrerupător: „închisă” atunci când este polarizată în sens direct și „deschisă” atunci când este polarizată în sens invers.
Direcția „vârfului de săgeată” al simbolului diodei indică direcția curentului în flux convențional. Această convenție este valabilă pentru toate semiconductoarele care posedă „vârfuri de săgeată” în schemele lor. Opusul este valabil atunci când se utilizează fluxul de electroni, unde direcția curentului este împotriva „vârfului de săgeată”.
Anexe la o supapă de reținere hidraulică
Comportamentul diodelor este analog cu comportamentul unui dispozitiv hidraulic numit supapă de reținere. O supapă de reținere permite curgerea fluidului prin ea într-o singură direcție, ca în figura de mai jos.
A analogie cu supapa de reținere hidraulică: (a) Flux de curent permis. (b) Flux de curent interzis.
Supapelor de reținere sunt, în esență, dispozitive acționate prin presiune: acestea se deschid și permit fluxul dacă presiunea care trece prin ele este de „polaritatea” corectă pentru a deschide poarta (în analogia prezentată, presiune mai mare a fluidului în dreapta decât în stânga). În cazul în care presiunea este de „polaritate” opusă, diferența de presiune pe supapa de reținere se va închide și va menține poarta astfel încât să nu se producă niciun debit.
Ca și supapele de reținere, diodele sunt în esență dispozitive acționate prin „presiune” (acționate prin tensiune). Diferența esențială între polaritatea directă și cea inversă este polaritatea tensiunii căzute pe diodă. Să analizăm mai îndeaproape circuitul simplu baterie-diodă-lampă prezentat mai devreme, de data aceasta investigând căderile de tensiune pe diferitele componente din figura de mai jos.
Măsurători de tensiune în circuitul de diodă: (a) Polarizare directă. (b) Polarizare inversă.
Configurație diodă polarizată în față
O diodă polarizată în față conduce curentul și scade o tensiune mică prin ea, lăsând cea mai mare parte a tensiunii bateriei să cadă prin lampă. Dacă polaritatea bateriei este inversată, dioda devine polarizată în sens invers și scade toată tensiunea bateriei, nu lasă niciuna pentru lampă. Dacă considerăm dioda ca fiind un întrerupător cu acționare automată (închisă în modul de polarizare directă și deschisă în modul de polarizare inversă), acest comportament are sens. Cea mai substanțială diferență este că dioda pierde mult mai multă tensiune atunci când conduce decât un întrerupător mecanic mediu (0,7 volți față de câteva zeci de milivolți).
Această cădere de tensiune în polarizare directă pe care o prezintă dioda se datorează acțiunii regiunii de epuizare formată de joncțiunea P-N sub influența unei tensiuni aplicate. Dacă pe o diodă semiconductoare nu este aplicată nicio tensiune, în jurul regiunii joncțiunii P-N există o regiune depleție subțire, care împiedică circulația curentului. (Figura de mai jos (a)) Regiunea de depleție este aproape lipsită de purtători de sarcină disponibili și acționează ca un izolator:
Reprezentări de diode: Model de joncțiune PN, simbol schematic, piesă fizică.
Simbolul schematic al diodei este prezentat în figura de mai sus (b), astfel încât anodul (capătul care indică) corespunde semiconductorului de tip P de la (a). Bara catodică, capătul care nu arată spre vârf, de la (b) corespunde materialului de tip N de la (a). De asemenea, rețineți că banda catodică de pe partea fizică (c) corespunde catodului de pe simbol.
Configurația diodelor cu polarizare inversă
Dacă se aplică o tensiune de polarizare inversă pe joncțiunea P-N, această regiune de epuizare se extinde, opunându-se și mai mult oricărui curent prin ea. (Figura de mai jos)
Regiunea depleție se extinde odată cu polarizarea inversă.
Tensiune de polarizare directă
În mod invers, dacă se aplică o tensiune de polarizare directă pe joncțiunea P-N, regiunea depleție se prăbușește, devenind mai subțire. Dioda devine mai puțin rezistivă la curentul care o traversează. Pentru ca un curent susținut să treacă prin diodă; totuși, regiunea de epuizare trebuie să fie complet prăbușită de tensiunea aplicată. Pentru a realiza acest lucru este nevoie de o anumită tensiune minimă, numită tensiune directă, așa cum este ilustrat în figura de mai jos.
Creșterea polarizării directe de la (a) la (b) scade grosimea regiunii de sărătură.
Pentru diodele de siliciu, tensiunea directă tipică este de 0,7 volți, nominală. Pentru diodele de germaniu, tensiunea directă este de numai 0,3 volți. Constituția chimică a joncțiunii P-N care compune dioda explică cifra tensiunii directe nominale a acesteia, motiv pentru care diodele de siliciu și cele de germaniu au tensiuni directe atât de diferite. Căderea de tensiune directă rămâne aproximativ constantă pentru o gamă largă de curenți de diodă, ceea ce înseamnă că căderea de tensiune a diodei nu este ca cea a unui rezistor sau chiar a unui întrerupător normal (închis). Pentru majoritatea analizelor simplificate ale circuitelor, căderea de tensiune pe o diodă conductoare poate fi considerată constantă la cifra nominală și nu este legată de valoarea curentului.
Ecuația diodei
De fapt, căderea de tensiune directă este mai complexă. O ecuație descrie curentul exact printr-o diodă, având în vedere tensiunea căzută pe joncțiune, temperatura joncțiunii și mai multe constante fizice. Aceasta este cunoscută în mod obișnuit sub numele de ecuația diodei:
Termenul kT/q descrie tensiunea produsă în interiorul joncțiunii P-N datorită acțiunii temperaturii și se numește tensiune termică sau Vt a joncțiunii. La temperatura camerei, aceasta este de aproximativ 26 de milivolți. Știind acest lucru și presupunând un coeficient de „neidealitate” de 1, putem simplifica ecuația diodei și o putem rescrie astfel:
Nu trebuie să fiți familiarizați cu „ecuația diodei” pentru a analiza circuitele simple cu diode. Înțelegeți doar că tensiunea căzută pe o diodă conductoare de curent se modifică în funcție de cantitatea de curent care trece prin ea, dar că această modificare este destul de mică pe o gamă largă de curenți. Acesta este motivul pentru care multe manuale spun pur și simplu că căderea de tensiune pe o diodă semiconductoare conductoare rămâne constantă la 0,7 volți pentru siliciu și la 0,3 volți pentru germaniu.
Cu toate acestea, unele circuite utilizează în mod intenționat relația exponențială curent/tensiune inerentă joncțiunii P-N și, prin urmare, pot fi înțelese doar în contextul acestei ecuații. De asemenea, din moment ce temperatura este un factor în ecuația diodei, o joncțiune P-N polarizată în sens direct poate fi folosită și ca dispozitiv de detectare a temperaturii și, prin urmare, poate fi înțeleasă doar dacă se are o înțelegere conceptuală a acestei relații matematice.
Funcționare cu polarizare inversă
O diodă polarizată în sens invers împiedică trecerea curentului prin ea, datorită regiunii de depleție extinse. În realitate, o cantitate foarte mică de curent poate trece și trece printr-o diodă polarizată invers, numită curent de scurgere, dar poate fi ignorată în majoritatea scopurilor.
Capacitatea unei diode de a rezista la tensiuni de polarizare inversă este limitată, ca și în cazul oricărui izolator. Dacă tensiunea de polarizare inversă aplicată devine prea mare, dioda va suferi o stare cunoscută sub numele de clacare (figura de mai jos), care este de obicei distructivă.
Tensiunea maximă de polarizare inversă a unei diode este cunoscută sub numele de tensiune inversă de vârf, sau PIV, și poate fi obținută de la producător. La fel ca și tensiunea directă, valoarea nominală PIV a unei diode variază în funcție de temperatură, cu excepția faptului că PIV crește odată cu creșterea temperaturii și scade pe măsură ce dioda se răcește – exact opusul tensiunii directe.
Curba diodelor: arătând genunchiul la 0,7 V de polarizare directă pentru Si, și ruperea inversă.
În mod obișnuit, valoarea nominală PIV a unei diode generice de „redresor” este de cel puțin 50 de volți la temperatura camerei. Diode cu valori nominale PIV de multe mii de volți sunt disponibile la prețuri modice.
REVIZUALIZARE:
- O diodă este o componentă electrică care acționează ca o supapă unidirecțională pentru curent.
- Când tensiunea este aplicată peste o diodă în așa fel încât dioda permite curentul, se spune că dioda este polarizată în sens direct.
- Când tensiunea este aplicată pe o diodă în așa fel încât dioda interzice curentul, se spune că dioda este polarizată în sens invers.
- Tensiunea căzută pe o diodă conductoare, polarizată în sens direct se numește tensiune directă. 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