Allt om dioder
En diod är en elektrisk anordning som gör det möjligt för strömmen att röra sig genom den i den ena riktningen med mycket större lätthet än i den andra. Den vanligaste typen av diod i modern kretsdesign är halvledardioden, även om det finns andra diodtekniker. Halvledardioder symboliseras i schematiska diagram som i figuren nedan. Termen ”diod” brukar reserveras för små signalanordningar, I ≤ 1 A. Termen likriktare används för effektanordningar, I > 1 A.
Halvledardiodsschematisk symbol: När den placeras i en enkel batteri-lampa-krets kommer dioden antingen att tillåta eller förhindra ström genom lampan, beroende på polariteten på den applicerade spänningen. (Figur nedan)
Diodfunktion: (a) Strömflödet är tillåtet; dioden är framåtriktad. (b) Strömflödet är förbjudet; dioden är omvänt polariserad.
När batteriets polaritet är sådan att strömmen tillåts flöda genom dioden, sägs dioden vara framåtpolad. Omvänt, när batteriet är ”bakåt” och dioden blockerar strömmen, sägs dioden vara omvänt polariserad. En diod kan ses som en omkopplare: ”Den är ”stängd” när den är framåtriktad och ”öppen” när den är bakåtriktad.
Riktningen på diodsymbolens pilspets pekar i riktning mot strömmen i det konventionella flödet. Denna konvention gäller för alla halvledare som har ”pilspetsar” i sina scheman. Motsatsen gäller när elektronflöde används, där strömriktningen är mot ”pilspetsen”.
Analogi med hydraulisk backventil
Diodens beteende är analogt med beteendet hos en hydraulisk anordning som kallas backventil. En backventil tillåter att vätskan flödar genom den i endast en riktning som i figuren nedan.
Hydraulisk backventil analogi: (a) Strömflöde tillåtet. (b) Strömflöde förbjudet.
Kontrollventiler är i huvudsak tryckstyrda anordningar: de öppnas och tillåter flöde om trycket över dem har rätt ”polaritet” för att öppna grinden (i den visade analogin är vätsketrycket större till höger än till vänster). Om trycket är av motsatt ”polaritet” kommer tryckskillnaden över backventilen att stänga och hålla kvar grinden så att inget flöde sker.
Likt backventiler är dioder i huvudsak ”tryck”-styrda (spänningsstyrda) anordningar. Den väsentliga skillnaden mellan forward-bias och reverse-bias är polariteten hos den spänning som faller över dioden. Låt oss ta en närmare titt på den enkla batteri-diode-lampa-kretsen som visades tidigare, den här gången genom att undersöka spänningsfallet över de olika komponenterna i figuren nedan.
Mätningar av diodkretsens spänning: (a) Framåtriktad. (b) Omvänt förspänd.
Konfiguration av diod med framåtriktad förspänning
En framåtriktad diod leder strömmen och släpper en liten spänning över den, vilket gör att det mesta av batterispänningen släpps över lampan. Om batteriets polaritet vänds om blir dioden omvänt polariserad och släpper all batterispänning och lämnar ingen för lampan. Om vi betraktar dioden som en självgående strömbrytare (stängd i framåtriktat läge och öppen i omvänt läge) är detta beteende logiskt. Den viktigaste skillnaden är att dioden tappar mycket mer spänning när den är ledande än den genomsnittliga mekaniska strömbrytaren (0,7 volt jämfört med tiotals millivolt).
Denna spänningsminskning i framåtriktat läge som uppvisas av dioden beror på verkan av den utarmningsregion som bildas av P-N-övergången under påverkan av en påförd spänning. Om ingen spänning läggs på en halvledardiod finns ett tunt utarmningsområde runt P-N-övergångens område, vilket förhindrar strömgenomströmning. (Figur nedan (a)) Förtunningsområdet är nästan tomt på tillgängliga laddningsbärare och fungerar som en isolator:
Diodrepresentationer: PN-förbindningsmodell, schematisk symbol, fysisk del.
Diodens schematiska symbol visas i figuren ovan (b) så att anoden (den pekande änden) motsvarar halvledaren av P-typ i (a). Katodstången, den icke pekande änden, vid (b) motsvarar N-typ materialet vid (a). Observera också att katodstråket på den fysiska delen (c) motsvarar katoden på symbolen.
Konfiguration av omvänd förspänningsdiod
Om en spänning med omvänd förspänning läggs på över P-N-övergången expanderar denna utarmningsregion och gör ytterligare motstånd mot all ström genom den. (Figur nedan)
Depletion-regionen expanderar med omvänd förspänning.
Förspänning i framåtriktad riktning
Omvänt, om en förspänning i framåtriktad riktning läggs på över P-N-övergången, faller depletion-regionen ihop och blir tunnare. Dioden blir mindre motståndskraftig mot strömmen genom den. För att en ihållande ström ska kunna passera genom dioden måste dock utarmningsområdet vara helt kollapsat av den applicerade spänningen. Det krävs en viss minimispänning för att åstadkomma detta, kallad forwardspänning, vilket illustreras i figuren nedan.
Om den ökande forwardspänningen från (a) till (b) minskar utarmningsregionens tjocklek.
För kiseldioder är den typiska forwardspänningen 0,7 volt, nominellt. För germaniumdioder är framspänningen endast 0,3 volt. Den kemiska sammansättningen av den P-N-övergång som dioden består av står för dess nominella framåtspänningssiffra, vilket är anledningen till att kisel- och germaniumdioder har så olika framåtspänningar. Framspänningsfallet förblir ungefär konstant för ett brett spektrum av diodströmmar, vilket innebär att diodspänningsfallet inte liknar det för ett motstånd eller till och med en normal (stängd) strömbrytare. För de flesta förenklade kretsanalyser kan spänningsfallet över en ledande diod anses vara konstant vid den nominella siffran och inte relaterat till strömstyrkan.
Diodekvation
Egentligen är spänningsfallet i framåtriktat mer komplext. En ekvation beskriver den exakta strömmen genom en diod, givet spänningsfallet över förbindelsen, temperaturen i förbindelsen och flera fysikaliska konstanter. Den är allmänt känd som diodekvationen:
Termen kT/q beskriver den spänning som produceras i P-N-övergången på grund av temperaturens inverkan och kallas för den termiska spänningen, eller Vt i övergången. Vid rumstemperatur är detta cirka 26 millivolt. När vi vet detta och antar en ”icke-idealitetskoefficient” på 1 kan vi förenkla diodekvationen och skriva om den på följande sätt:
Du behöver inte vara bekant med ”diodekvationen” för att analysera enkla diodkretsar. Det räcker med att förstå att den spänning som faller över en strömledande diod förändras med mängden ström som går genom den, men att denna förändring är ganska liten över ett brett spektrum av strömmar. Det är därför som många läroböcker helt enkelt säger att spänningsfallet över en ledande halvledardiod förblir konstant på 0,7 volt för kisel och 0,3 volt för germanium.
Däremot utnyttjar vissa kretsar avsiktligt P-N-övergångens inneboende exponentiella ström/spänningsförhållande och kan därför endast förstås i samband med denna ekvation. Eftersom temperaturen är en faktor i diodekvationen kan en framåtpolad P-N-övergång också användas som en temperatursensor, och kan därför endast förstås om man har ett begreppsmässigt grepp om detta matematiska förhållande.
Reversepolad drift
En omvändpolad diod förhindrar att strömmen passerar genom den, på grund av det utvidgade utarmningsområdet. I själva verket kan en mycket liten mängd ström gå genom en omvänt förspänd diod, den så kallade läckströmmen, men den kan ignoreras för de flesta ändamål.
En diods förmåga att motstå omvänt förspända spänningar är begränsad, precis som för alla isolatorer. Om den applicerade spänningen blir för stor, kommer dioden att uppleva ett tillstånd som kallas för genombrott (figuren nedan), vilket vanligtvis är destruktivt.
En diods högsta tillåtna spänning för omvänd spänning kallas Peak Inverse Voltage, eller PIV, och kan erhållas från tillverkaren. Precis som för framspänningen varierar PIV-värdet för en diod med temperaturen, förutom att PIV ökar med ökad temperatur och minskar när dioden blir kallare – precis tvärtom för framspänningen.
Diodkurva: visar knäet vid 0,7 V framåtspänning för Si och omvänd nedbrytning.
Typiskt sett är PIV-värdet för en generisk ”likriktardiod” minst 50 volt vid rumstemperatur. Dioder med PIV-värden på flera tusen volt finns tillgängliga för blygsamma priser.
ÖVERSIKT:
- En diod är en elektrisk komponent som fungerar som en enkelriktad ventil för ström.
- När spänning läggs över en diod på ett sådant sätt att dioden släpper igenom strömmen, sägs dioden vara framåtspolad.
- När spänningen läggs över en diod på ett sådant sätt att dioden förbjuder ström sägs dioden vara omvänt polariserad.
- Den spänning som faller över en ledande, framåtpolad diod kallas framåtspänning. 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