Выпрямительный диод | Volt-info

Рисунок 1. Вольтамперная характеристика выпрямительного диода.

Вольтамперная характеристика выпрямительного диода

   На рисунке в первом квадранте расположена прямая, в третьем – обратная ветвь характеристики диода. Прямая ветвь характеристики снимается при действии прямого напряжения, обратная соответственно – обратного напряжения на диод. Прямым напряжением на диоде называется такое напряжение, при котором на катоде образуется более высокий электрический потенциал по отношению к аноду, а если говорить языком знаков —  на катоде минус (-), на аноде плюс (+), как показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема для изучения ВАХ диода при прямом включении.

 

   На рисунке 1 приведены следующие условные обозначения:

Iр – рабочий ток диода;

Uд

– падение напряжения на диоде;

Uо – обратное напряжение диода;

Uпр – напряжение пробоя;

Iу – ток утечки, или обратный ток диода.

Понятия и обозначения характеристик

   Рабочий ток диода (Iр), это прямой электрический ток, длительное время проходящий через диод, при котором прибор не подвергается необратимому температурному разрушению, и его характеристики не претерпевают значительных качественных изменений. В справочниках может указываться как прямой максимальный ток.    Падение напряжения на диоде (Uд) – напряжение на выводах диода, возникающее при прохождении через него прямого рабочего тока. В справочниках может быть обозначено как прямое напряжение на диоде.

   Прямой ток течёт при прямом включении диода.

   Обратное напряжение диода (Uо) – допустимое обратное напряжение на диоде, приложенное к нему длительное время, при котором не происходит необратимое разрушение его p-n перехода. В справочной литературе может называться максимальным обратным напряжением.

   Напряжение пробоя (Uпр) – обратное напряжение на диоде, при котором происходит необратимый электрический пробой p-n перехода, и, как следствие, выход прибора из строя.

   Обратный ток диода, или ток утечки (Iу)

– обратный ток, длительное время не вызывающий необратимого разрушения (пробоя) p-n перехода диода.

   При выборе выпрямительных диодов обычно руководствуются указанными выше его характеристиками.

Работа диода

   Тонкости работы p-n перехода, тема отдельной статьи. Упростим задачу, и рассмотрим работу диода с позиции односторонней проводимости. И так, диод работает как проводник при прямом, и как диэлектрик (изолятор) при обратном включении. Рассмотрим две схемы на рисунке 3.

Рисунок 3. Обратное (а) и прямое (б) включение диода.

 

   На рисунке изображены два варианта одной схемы. На рисунке 3 (а) положение переключателей S1 и S2 обеспечивают электрический контакт анода диода с минусом источника питания, а катода через лампочку HL1 с плюсом. Как мы уже определились, это обратное включение диода. В этом режиме диод будет вести себя как электрически изолирующий элемент, электрическая цепь будет практически разомкнута, лампа гореть не будет.

   При изменении положения контактов S1 и S2, рисунок 3 (б), обеспечивается электрический контакт анода диода VD1 с плюсом источника питания, а катода через лампочку – с минусом. При этом

выполняется условие прямого включения диода, он «открывается» и через него, как через проводник, течёт ток нагрузки (лампы).

   Если Вы только начали изучать электронику, Вас может немного смутить сложность с переключателями на рисунке 3. Проведите аналогию по приведённому описанию, опираясь на упрощённые схемы рисунка 4. Это упражнение позволит Вам немного понять и сориентироваться относительно принципа построения и чтения электрических схем.

Рисунок 4. Схема обратного и прямого включения диода (упрощённая).

 

   На рисунке 4 изменение полярности на выводах диода обеспечивается изменением положения диода (переворачиванием).

Однонаправленная проводимость диода

Рисунок 5. Диаграммы напряжений до и после выпрямительного диода.

 

   Примем условно, что электрический потенциал переключателя S2 всегда равен 0. Тогда на анод диода будет подаваться разность напряжений –US1-S2 и +US1-S2 в зависимости от положения переключателей S1 и S2. Диаграмма такого переменного напряжения прямоугольной формы изображена на рисунке 5 (верхняя диаграмма). При отрицательной разности напряжений на аноде диода он заперт (работает как изолирующий элемент), при этом

через лампу HL1 ток не течёт и она не горит, а напряжение на лампе практически равно нулю. При положительной разности напряжений диод отпирается (действует как электрический проводник) и по последовательной цепочке диод-лампа течёт ток. Напряжение на лампе возрастает до UHL1. Это напряжение немного меньше напряжения источника питания, поскольку часть напряжения падает на диоде. По этой причине, разность напряжений в электронике и электротехнике иногда называют «падением напряжения». Т.е. в данном случае, если лампу рассматривать как нагрузку, то на ней будет напряжение нагрузки, а на диоде — падение напряжения.

   Таким образом, периоды отрицательной разности напряжения как бы игнорируются диодом, обрезаются, и через нагрузку течёт ток только в периоды положительной разности напряжений. Такое преобразование переменного напряжения в однополярное (пульсирующее или постоянное) назвали выпрямлением.

volt-info.ru

Диоды. For dummies / Habr

Введение

Диод — двухэлектродный электронный прибор, обладает различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока. Электрод диода, подключённый к положительному полюсу источника тока, когда диод открыт (то есть имеет маленькое сопротивление), называют анодом, подключённый к отрицательному полюсу — катодом. (wikipedia)

Все диоды можно разделить на две большие группы: полупроводниковые и неполупроводниковые. Здесь я буду рассматривать только первую из них.

В основе полупроводникового диода лежит такая известная штука, как p-n переход. Думаю, что большинству читателей о нем рассказывали на уроках физики в школе, а кому-то более подробно еще и в институте. Однако, на всякий случай приведу общий принцип его работы.

Два слова о зонной теории проводимости твердых тел

Прежде, чем начать разговор о p-n переходе, стоит обговорить некоторые теоретические моменты.

Считается, что электроны в атоме расположены на различном расстоянии от ядра. Соответственно, чем ближе электрон к ядру, тем сильнее связь между ними и тем большую энергию надо приложить, чтобы отправить его «в свободное плаванье». Говорят, что электроны расположены на различных энергетических уровнях. Заполнение этих уровней электронами происходит снизу вверх и на каждом из них может находиться не больше строго определенного числа электронов (атом Бора). Таким образом, если уровень заполнен, то новый электрон не может на него попасть, пока для него не освободится место. Чтобы электрон мог перейти на уровень выше, ему нужно сообщить дополнительную энергию. А если электрон «падает» вниз, то излишек энергии освобождается в виде излучения. Электроны могут занимать в атоме только сторого определенные орбиты с определенными энергиями. Орбиты эти называются разрешенными. Соответственно, запрещенными называют те орбиты (зоны), в которых электрон находиться не может. Подробнее об этом можно почитать по ссылке на атом Бора выше, здесь же примем это как аксиому.

Самый верхний энергетический уровень называется валентным. У большинства веществ он заполнен только частично, поэтому электроны внешних подуровней других атомов всегда могут найти на нем себе место. И они действительно хаотично мигрируют от атома к атому, осуществляя таким образом связь между ними. Нижний слой, в котором могут перемещаться свободные электроны, называют

зоной проводимости. Если валентная зона частично заполнена и электроны в ней могут перемещаться от атома к атому, то она совпадает с зоной проводимости. Такая картина наблюдается у проводников. У полупроводников валентная зона заполнена целиком, но разница энергий между валентным и проводящим уровнями у них мала. Поэтому электроны могут преодолевать ее просто за счет теплового движения. А у изоляторов эта разница велика, и чтобы получить пробой, нужно приложить значительную энергию.

Такова общая картина энергетического строения атома. Можно переходить непосредственно к p-n переходу.

p-n переход

Начнем с того, что полупроводники бывают n-типа и p-типа. Первые получают легированием четырехвалентного полупроводника (чаще всего кремния) пятивалентным полупроводником (например, мышьяком). Эту пятивалентную примесь называют донором. Ее атомы образуют четыре химических связи с атомами кремния, а пятый валентный электрон остается свободным и может выйти из валентной зоны в зону проводимости, если, например, незначительно повысить температуру вещества. Таким образом, в проводнике n-типа возникает избыток электронов.

Полупроводники p-типа тоже получаются путем легирования кремния, но уже трехвалентной примесью (например, бором). Эта примесь носит название акцептора. Он может образовывать только три из четырех возможных химических связей. А оставшуюся незаполненной валентную связь принято называть дыркой. Т.е. дырка — это не реальная частица, а абстракция, принятая для более удобного описания процессов, происходящих в полупроводнике. Ее заряд полагают положительным и равным заряду электрона. Итак, в полупроводнике p-типа у нас получается избыток положительных зарядов.

В полупроводниках обоих типов кроме основных носителей заряда (электроны для n-типа, дырки для p-типа) в набольшом количестве присутствуют неосновные носители заряда: дырки для n-области и электроны для p-области.

Если расположить рядом p- и n-полупроводники, то на границе между ними возникнет диффузный ток. Произойдет это потому, что с одной стороны у нас чересчур много отрицательных зарядов (электронов), а с другой — положительных (дырок). Соответственно, электроны будут перетекать в приграничную область p-полупроводника. А поскольку дырка — место отсутствия электрона, то возникнет ощущение, будто дырки перемещаются в противоположную сторону — к границе n-полупроводника. Попадая в p- и n-области, электроны и дырки рекомбинируют, что приводит к снижению количества подвижных носителей заряда. На этом фоне становятся ясно видны неподвижные положительно и отрицательно заряженные ионы на границах полупроводников (от которых «ушли» рекомбинировавшие дырки и электроны). В итоге получим две узкие заряженные области на границе веществ. Это и есть p-n переход, который также называют обедненным слоем из-за малой концентрации в нем подвижных носителей заряда. Естественно, что здесь возникнет электрическое поле, направление которого препятствует дальнейшей диффузии электронов и дырок. Возникает потенциальный барьер, преодолеть который основные носители заряда смогут только обладая достаточной для этого энергией. А вот неосновным носителям возникшее электрическое поле наоборот помогает. Соответственно, через переход потечет ток, в противоположном диффузному направлении. Этот ток называют дрейфовым. При отсутствии внешнего воздействия диффузный и дрейфовый ток уравновешивают друг друга и перетекание зарядов прекращается.

Ширина обедненной области и контактная разность потенциалов границ перехода (потенциальный барьер) являются важными характеристиками p-n перехода.

Если приложить внешнее напряжение так, чтобы его электрическое поле «поддерживало» диффузный ток, то произойдет снижение потенциального барьера и сужение обедненной области. Соответственно, ток будет легче течь через переход. Такое подключение внешнего напряжения называют прямым смещением.

Но можно подключиться и наоборот, чтобы внешнее электрическое поле поддерживало дрейфовый ток. Однако, в этом случае ширина обедненной зоны увеличится, а потенциальный барьер возрастет. Переход «закроется». Такое подключение называют обратным смещением. Если величина приложенного напряжения превысит некоторое предельное значение, то произойдет пробой перехода, и через него потечет ток (электроны разгонятся до такой степени, что смогут проскочить через потенциальный барьер). Эта граничная величина называется напряжением пробоя.

Все, конец теории, пора перейти к ее практическому применению.

Диоды, наконец-то

Диод, по сути, одиночный p-n переход. Если он подключен с прямым смещением, то ток через него течет, а если с обратным — не течет (на самом деле, небольшой дрейфовый ток все равно остается, но этим можно пренебречь). Этот принцип показан в условном обозначении диода: если ток направлен по стрелке треугольника, то ему ничего не мешает, а если наоборот — то он «натыкается» на вертикальную линию. Эта вертикальная линия на диодах-радиоэлементах обозначается широкой полосой у края.

Помню, когда я была глупой студенткой и впервые пришла работать в цех набивки печатных плат, то сначала ставила диоды как бог на душу положит. Только потом я узнала, что правильное расположение этого элемента играет весьма и весьма значительную роль. Но это так, лирическое отступление.

Диоды имеют нелинейную вольт-амперную характеристику.

Области применения диодов

1. Выпрямление пременного тока. Основано оно именно на свойстве диода «запираться» при обратном смещении. Диод как бы «срезает» отрицательные полуволны.
2. В качестве переменной емкости. Эти диоды называются варикапами.
   
   Здесь используется зависимость барьерной емкости перехода от обратного смещения. Чем больше его значение, тем шире обедненная область p-n перехода. Ее можно представить себе как плоский конденсатор, обкладками которого явялются границы области, а сама она выступает в качестве диэлектрика. Соответственно, чем толще «слой диэлеткрика», тем ниже барьерная емкость. Следовательно, изменяя приложенное напряжение можно электрически менять емкость варикапа.
3. Для стабилизации напряжения. Принцип работы таких диодов заключается в том, что даже при значительном увеличении внешнего падения напряжения, падение напряжения на диоде увеличится незначительно. Это справедливо и для прямого, и для обратного смещений. Однако напряжение пробоя при обратном смещении намного выше, чем прямое напряжение диода. Таким образом, если нужно поддерживать стабильным большое напряжение, то диод лучше включать обратно. А чтобы он сохранял работоспособность, несмотря на пробой, нужно использовать диод особого типа — стабилитрон.
   
   В прямосмещенном режиме он будет работать подобно обычному выпрямляющему диоду. А вот в обратносмещенном не будет проводить ток до тех пор, пока приложенное напряжение не достигнет так называемого напряжения стабилитрона, при котором диод сможет проводить значительный ток, а напряжение будет ограничено уровнем напряжения стабилитрона.
4. В качестве «ключа» (коммутирующего устройства). Такие диоды должны уметь очень быстро открываться и закрываться в зависимости от приложенного напряжения.
5. В качестве детекторов излучения (фотодиоды).
   
   Кванты света передают атомам в n-области дополнительную энергию, что приводит к появлению большого числа новых пар электрон-дырка. Когда они доходят до p-n перехода, то дырки уходят в p-область, а электроны скапливаются у края перехода. Таким образом, происходит возрастание дрейфового тока, а между p- и n-областями возникает разность потенциалов, называемая фотоЭДС. Величина ее тем больше, чем больше световой поток.
6. Для создания оптического излучения (светодиоды).
   
   При рекомбинации дырок и электронов (прямое смещение) происходит переход последних на более низкий энергетический уровень. «Излишек» энергии выделяется в виде кванта энергии. И в зависимости от химического состава и свойств того или иного полупроводника, он излучает волны того или иного диапазона. От состава же зависит и эффективность излучения.

Немного экзотики

Не стоит забывать о том, что p-n переход — одно из явлений микромира, где правит балом квантовая физика и становятся возможными странные вещи. Например, туннельный эффект — когда частица может пройти через потенциальный барьер, обладая меньшей энергией. Это становится возможным благодаря неопределенности соотношения между импульсом и координатами частицы (привет, Гейзенберг!). Этот эффект лежит в основе туннельных диодов.

Чтобы обеспечить возможность «просачивания» зарядов, их делают из вырожденных полупроводников (содержащих высокую концентрацию примесей). В результате получают резкий p-n переход с тонким запирающим слоем. Такие диоды маломощные и низкоинерционные, поэтому их можно применять в СВЧ-диапазоне.

Есть еще одна необычная разновидность полупроводниковых диодов — диоды Шоттки.

В них используется не традиционный p-n переход, а переход металл-полупроводник в качестве барьера Шоттки. Барьер этот возникает в том случае, когда разнятся величины работы выхода электронов из металла и полупроводника. Если n-полупроводник имеет работу выхода меньше, чем контактирующий с ним металл, то приграничный слой металла будет заряжен отрицательно, а полупроводника — положительно (электронам проще перейти из полупроводника в металл, чем наоборот). Если же у нас контакт металл/p-полупроводник, причем работа выхода для второго выше, чем для первого, то получим положительно заряженный приграничный слой металла и отрицательно заряженный слой полупроводника. В любом случае, у нас возникнет разность потенциалов, с помощью которой работы выхода из обоих контактирующих веществ сравняются. Это приведет к возникновению равновесного состояния и формированию потенциального барьера между металлом и полупроводником. И так же, как и в случае p-n перехода, к переходу металл/полупроводник можно прикладывать прямое и обратное смещение с аналогичным результатом.

Диоды Шоттки отличаются от p-n собратьев низким падением напряжения при прямом включении и меньшей электрической емкостью перехода. Таким образом, повышается их рабочая частота и понижается уровень помех.

Заключение

Само собой, здесь рассмотрены далеко не все существующие виды диодов. Но надеюсь, что по написанному выше можно составить достаточно полное суждение об этих электронных компонетах.

Источники:
ru.wikipedia.org
mda21.ru
elementy.ru
femto.com.ua

habr.com

Прекращаем ставить диод / Habr

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 безтрансформаторной 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.

habr.com

Чем отличается прямой диод от обратного диода

Диоды часто именуются «прямыми» и «обратными». С чем это связано? Чем отличается «прямой» диод от «обратного» диода?

Что представляет собой «прямой» диод?

Диод — это полупроводник, имеющий 2 вывода, а именно — анод и катод. Используется он для обработки различными способами электрических сигналов. Например, в целях их выпрямления, стабилизации, преобразования.

Особенность диода в том, что он пропускает ток только в одну сторону. В обратном направлении — нет. Это возможно благодаря тому, что в структуре диода присутствует 2 типа полупроводниковых областей, различающихся по проводимости. Первая условно соответствует аноду, имеющему положительный заряд, носителями которого являются так называемые дырки. Вторая — это катод, имеющий отрицательный заряд, его носители — электроны.

Диод может функционировать в двух режимах:

• открытом;
• закрытом.

В первом случае через диод хорошо проходит ток. Во втором режиме — с трудом.

Открыть диод можно посредством прямого включения. Для этого нужно подключить к аноду положительный провод от источника тока, а к катоду — отрицательный.

Прямым также может именоваться напряжение диода. Неофициально — и сам полупроводниковый прибор. Таким образом, «прямым» является не он, а подключение к нему или же напряжение. Но для простоты понимания в электрике «прямым» часто именуется и сам диод.

к содержанию ↑

Что представляет собой «обратный» диод?

Закрывается полупроводник посредством, в свою очередь, обратной подачи напряжения. Для этого нужно поменять полярность проводов от источника тока. Как и в случае с прямым диодом, формируется обратное напряжение. «Обратным» же — по аналогии с предыдущим сценарием — именуется и сам диод.

к содержанию ↑

Сравнение

Главное отличие «прямого» диода от «обратного» диода — в способе подачи тока на полупроводник. Если он подается в целях открытия диода, то полупроводник становится «прямым». Если полярность проводов от источника тока меняется — то полупроводник закрывается и становится «обратным».

Рассмотрев, в чем разница между «прямым» диодом и «обратным» диодом, отразим основные выводы в таблице.

к содержанию ↑

Таблица

«Прямой» диод	«Обратный» диод
Что общего между ними?
Фактически являются не отдельными диодами, а разными состояниями одного и того же полупроводника
В чем разница между ними?
Соответствует открытому состоянию, которое активизируется при прямом подключении источника тока к диоду	Соответствует закрытому состоянию, которое активизируется при обратном подключении источника тока к диоду

thedifference.ru

Обратный ток — диод — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Обратный ток — диод

Cтраница 1

Обратный ток диода / 0, если утечки малы, почти не зависит от напряжения на р — / г-переходе, но в сильной степени зависит от температуры. При достижении напряжения пробоя обратный ток резко возрастает за счет лавинного, или Зенеровского, пробоя. Если прибор не рассчитан специально для работы в области пробоя ( как, например, стабилитрон и обращенный диод), то вслед за лавинным наступает и тепловой пробой, и диод гибнет. Заметим, что иногда тепловой пробой развивается раньше всех остальных.  [2]

Обратный ток диода растет с увеличением обратного напряжения. Главными причинами различия обратных ветвей характеристики реального и идеального диодов являются ток т е р м о — генерации в объеме и на поверхности перехода и ток утечки по поверхности перехода. В германиевых диодах при комнатной температуре ток термогенерации мал и обратный ток близок к току насыщения. В кремниевых диодах при комнатной температуре ток термогенерации является основной составляющей обратного тока.  [3]

Обратный ток диода зависит от температуры корпуса еще сильнее и имеет положительный коэффициент. Так, при увеличении температуры на каждые 10 С обратный ток германиевых диодов увеличивается в 2 раза, а кремниевых — 2 5 раза.  [4]

Обратный ток диода возрастает при освещении p — n — перехода. Этот эффект может использоваться для фотометрических измерений. С этой целью в корпусе фотодиода делается прозрачное окно. На рис. 10.5 показано схемное обозначение фотодиода, на рис. 10.6 приведена его схема замещения, а на рис. 10.7 представлено семейство характеристик. Для фотодиодов характерно наличие тока короткого замыкания, который пропорционален его освещенности, поэтому в отличие от фоторезисторов фотодиод может использоваться без дополнительного источника питания. Чувствительность фотодиодов обычно составляет около 0 1 мкА / лк. При подаче на фотодиод запирающего напряжения фототок практически не изменяется. Такой режим работы фотодиода предпочтителен, когда требуется получить большое быстродействие, так как с ростом запирающего напряжения уменьшается собственная емкость р-п-пе-рехода.  [6]

Обратный ток диода изме-ряется микроамперметром ИТ. Выходное сопротивление генератора постоянного напряжения должно быть достаточно малым, так как выходное напряжение ГН не должно меняться более чем на 1 % при изменении величины / обр от нуля до максимального ( для испытываемого диода) значения. Вольтметр включают до измерителя тока и его блока защиты БЗ. Поэтому падение напряжения на измерителе тока и токонесущих элементах схемы защиты не должно превышать 2 % от устанавливаемой величины обратного напряжения. Если генератор напряжения питается от сети, то пульсации на его выходе не должны превышать 1 % от выходного напряжения.  [7]

Обратный ток диода измеряют при фиксированной величине обратного напряжения. Подводимое напряжение может быть как постоянным, так и переменным.  [9]

Обратный ток диода — ток, протекающий через диод, к которому приложено постоянное напряжение, равное наибольшему обратному напряжению. При этом отрицательный полюс источника напряжения присоединен к положительному выводу диода.  [10]

Обратный ток диода измеряется с помощью осциллографа. Сигнал, пропорциональный току диода, снимается с небольшого сопротивления R и подается на вход вертикального усилителя осциллографа. Замыкание и размыкание ключа / Ci позволяет исследовать процессы в диоде соответственно при малом и большом внешнем сопротивлении в цепи диода.  [12]

Обратный ток диода 1обр при температуре 50 не превышает 0 3 ма.  [13]

Обратным током диода называется амплитудное значение тока, проходящего через диод в обратном направлении при приложении к диоду переменного напряжения, замеряемого пиковым прибором или осциллографом.  [14]

Рассчитать обратный ток диода при 350 К, если при 300 К он равен 10 мкА, а Вд7500 К.  [15]

Страницы:      1    2    3    4    5

www.ngpedia.ru

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 !

www.radio-schemy.ru

Напряжение led в обратном направлении не имеет практики

Для правильного подключения и понимания принципов работы различных контроллеров и драйверов светодиодов необходимо хотя бы поверхностно разобраться с понятием ток, напряжение , область допустимой мощности эксплуатации и овладеть минимальным набором терминов и приёмов электроники для начинающих. Мы постараемся объяснить это понятным языком как для «чайника». Напряжение светодиодов – это непосредственно напряжение на кристалле светодиода и оно мало зависит от протекающего по кристаллу тока. Обратите внимание на следующий график

 

Характеристики светодиодов напряжение и ток

По вертикальной оси отложен ток в миллиамперах, по горизонтальной оси отложено напряжение в вольтах. Рассмотрим участок отрицательных токов и напряжений – это ситуация когда напряжение прикладывается к кристаллу в нерабочем обратном направлении – диод запирается. Хорошо видно что напряжение светодиодов до примерно 25 вольт практически не вызывает протекание тока сквозь кристалл и лишь превышение порога в 25 вольт вызывает существенное увеличение протекающего тока . Обратное пробивное напряжение светодиодов не является стандартизированным выдерживаемым при производстве параметром и может существенно различаться у различных экземпляров и различного цвета свечения LED , но в данной ситуации нас интересует лишь принцип – поэтому конкретная величина пробивного напряжения нам сейчас не важна. Так вот при превышении порога в 25 вольт увеличение напряжения на несколько вольт сильно увеличивает протекающий сквозь кристалл ток, до определённого момента это не важно , но при превышении допустимой рассеиваемой на кристалле мощности происходит так называемый тепловой пробой кристалла. Немного формул : рассеиваемая мощность P=UxI , где – напряжение на кристалле , — ток протекающий сквозь кристалл , — мощность выделяющаяся на кристалле. При размере smd светодиода в простонародье именуемого 3528 допустимая неразрушающая мощность равняется примерно 0,25 ватт. При превышении этого порога будут происходить необратимые процессы – светодиод просто сгорит. При напряжении порядка 25 вольт достаточно будет тока в 100 миллиампер. По нашей ВАХ это будет примерно соответствовать 27 вольтам обратного напряжения. То есть если приложить к кристаллу в обратном направлении напряжение в 27 вольт – кристалл перегорит — напряжение светодиодов

в обратном направлении не должно быть больше 25 вольт. . Какие выводы следует сделать на основании этого графика?

Напряжение светодиодов в 25 вольт приложенное в обратном напряжении выведет кристалл из строя , при этом напряжение в 12 – 15 вольт в обратном направлении абсолютно безопасно для LED.

Рабочее напряжение светодиодов приложеное в обратном направлении не зажигает и не выводит из строя кристалл.

Для использования в наружной рекламе LED обратная ветвь ВАХ больше нам не нужна – посмотрим напряжение светодиодов в прямом направлении.

f-design.com.ua