Диод
Полупроводниковый диод или просто диод представляет из себя радиоэлемент, который пропускает электрический ток только в одном направлении и блокирует его прохождение в другом направлении. По аналогии с гидравликой диод можно сравнить с обратным клапаном: устройством, которое пропускает жидкость только в одном направлении.
обратный клапан
Диод – это радиоэлемент с двумя выводами. Некоторые диоды выглядят почти также как и резисторы:
А некоторые выглядят чуточку по-другому:
Есть также и SMD исполнение диодов:
Выводы диода называются – анод и катод. Некоторые по ошибке называют их “плюс” и “минус”. Это неверно. Так говорить нельзя.
На схемах диод обозначается так
Он может пропускать электрический ток только от анода к катоду.
Из чего состоит диод
В нашем мире встречаются вещества, которые отлично проводят электрический ток. Сюда в основном можно отнести металлы, например, серебро, медь, алюминий, золото и так далее. Такие вещества называют проводниками. Есть вещества, которые ну очень плохо проводят электрический ток – фарфор, пластмассы, стекло и так далее. Их называют диэлектриками или изоляторами. Между проводниками и диэлектриками находятся полупроводники. Это в основном германий и кремний.
После того, как германий или кремний смешивают с мельчайшей долей мышьяка или индия, образуется полупроводник N-типа, если смешать с мышьяком; или полупроводник P-типа, если смешать с индием.
Теперь если эти два полупроводника P и N -типа приварить вместе, на их стыке образуется PN-переход. Это и есть строение диода. То есть диод состоит из PN-перехода.
строение диода
Полупроводник P-типа в диоде является анодом, а полупроводник N-типа – катодом.
Давайе вскроем советский диод Д226 и посмотрим, что у него внутри, сточив часть корпуса на наждачном круге.
диод Д226
Вот это и есть тот самый PN-переход
PN-переход диода
Как определить анод и катод диода
1) на некоторых диодах катод обозначают полоской, отличающейся от цвета корпуса
2) можно проверить диод с помощью мультиметра и узнать, где у него катод, а где анод. Заодно проверить его работоспособность. Этот способ железный ;-). Как проверить диод с помощью мультиметра можно узнать в этой статье.
Где находится анод, а где катод очень легко запомнить, если вспомнить воронку для наливания жидкостей в узкие горлышки бутылок. Воронка очень похожа на схему диода. Наливаем в воронку, и жидкость у нас очень хорошо бежит, а если ее перевернуть, то попробуй налей-ка через узкое горлышко воронки ;-).
Диод в цепи постоянного тока
Как мы уже говорили, диод пропускает электрический ток только в одном направлении. Для того, чтобы это показать, давайте соберем простую схему.
прямое включение диода
Так как наша лампа накаливания на 12 Вольт, следовательно, на блоке питания тоже выставляем значение в 12 В и собираем всю электрическую цепь по схеме выше. В результате, лампочка у нас прекрасно горит. Это говорит о том, что через диод проходит электрический ток. В этом случае говорят, что диод включен в прямом направлении.
диод в прямом включении
Давайте теперь поменяем выводы диода. В результате, схема примет такой вид.
обратное включение диода
Как вы видите, лампочка не горит, так как диод не пропускает электрический ток, то есть блокирует его прохождение, хотя источник питания и выдает свои честные 12 Вольт.
обратное включение диода
Какой вывод можно из этого сделать? Диод проводит постоянный ток только в одном направлении.
Диод в цепи переменного тока
Кто забыл, что такое переменный ток, читаем эту статью. Итак, для того, чтобы рассмотреть работу диода в цепи переменного тока, давайте составим схему. Здесь мы видим генератор частоты G, диод и два клеммника Х1 и Х2, с которых мы будем снимать сигнал с помощью осциллографа.
Мой генератор частоты выглядит вот так.
генератор частот
Осциллограмму будем снимать с помощью цифрового осциллографа
Генератор выдает переменное синусоидальное напряжение.
синусоидальный сигнал
Что же будет после диода? Цепляемся к клеммам X1 и X2 и видим вот такую осциллограмму.
переменное напряжение после диода
Диод вырезал нижнюю часть синусоиды, оставив только верхнюю часть.
А что будет, если мы поменяем выводы диода? Схема примет такой вид.
переменый ток после диода
Что же получим на клеммах Х1 и Х2 ? Смотрим на осциллограмму.
переменный ток после диода
Ничего себе! Диод срезал только положительную часть синусоиды!
Характеристики диода
Давайте рассмотрим характеристику диода КД411АМ. Ищем его характеристики в интернете, вбивая в поиск “даташит КД411АМ”
Для объяснения параметров диода, нам также потребуется его ВАХ
1) Обратное максимальное напряжение Uобр – это такое напряжение диода, которое он выдерживает при подключении в обратном направлении, при этом через него будет протекать ток Iобр – сила тока при обратном подключении диода.
При превышении обратного напряжения в диоде возникает так называемый лавинный пробой, в результате этого резко возрастает ток, что может привести к полному тепловому разрушению диода. В нашем исследуемом диоде это напряжение равняется 700 Вольт.
2) Максимальный прямой ток Iпр – это максимальный ток, который может течь через диод в прямом направлении. В нашем случае это 2 Ампера.
3) Максимальная частота Fd , которую нельзя превышать. В нашем случае максимальная частота диода будет 30 кГц. Если частота будет больше, то наш диод будет работать неправильно.
Стабилитроны
Стабилитроны представляют из себя те же самые диоды. Даже из названия понятно, чтоб стабилитроны что-то стабилизируют. А стабилизируют они напряжение. Но чтобы стабилитрон выполнял стабилизацию, требуется одно условие.
Они должны подключатся противоположно, чем диоды. Анод на минус, а катод на плюс. Странно не правда ли? Но почему так? Давайте разберемся.
В Вольт амперной характеристике (ВАХ) диода используется положительная ветвь – прямое направление, а вот в стабилитроне другая часть ветки ВАХ – обратное направление.
Снизу на графике мы видим стабилитрон на 5 Вольт. Сколько бы у нас не изменялась сила тока, мы все равно будем получать 5 Вольт ;-). Круто, не правда ли? Но есть и подводные камни. Сила тока не должны быть больше, чем в описании на диод, иначе он выйдет из строя от высокой температуры – Закон Джоуля-Ленца.
Главный параметр стабилитрона – это напряжение стабилизации (Uст). Измеряется в Вольтах. На графике вы видите стабилитрон с напряжением стабилизации 5 Вольт. Также есть диапазон силы тока, при котором будет работать стабилитрон – это минимальный и максимальный ток (Imin, Imax).
Измеряется в Амперах.
Выглядят стабилитроны точно также, как и обычные диоды:
На схемах обозначаются вот так:
Светодиоды
Светодиоды – особый класс диодов, которые излучают видимый и невидимый свет. Невидимый свет – это свет в инфракрасном или ультрафиолетовом диапазоне. Но для промышленности все таки большую роль играют светодиоды с видимым светом. Они используются для индикации, оформления вывесок, светящихся баннеров, зданий а также для освещения. Светодиоды имеют такие же параметры, как и любые другие диоды, но обычно их максимальный ток значительно ниже.
Предельное обратное напряжение (Uобр) может достигать 10 Вольт. Максимальный ток (Imax) будет ограничиваться для простых светодиодов порядка 50 мА. Для осветительных больше.
Поэтому при подключении обычного диода нужно вместе с ним последовательно подключать резистор.
Резистор можно рассчитать по нехитрой формуле, но в идеале лучше использовать переменный резистор, подобрать нужное свечение, замерять номинал переменного резистора и поставить туда постоянный резистор с таким же номиналом.
Лампы освещения из светодиодов потребляют копейки электроэнергии и стоят дешево.
Очень большим спросом пользуются светодиодные ленты, состоящие из множества SMD светодиодов. Смотрятся очень красиво.
На схемах светодиоды обозначаются так:
Не забываем, что светодиоды делятся на индикаторные и осветительные. Индикаторные светодиоды обладают слабым свечением и используются для индикации каких-либо процессов, происходящих в электронной цепи. Для них характерно слабое свечение и малый ток потребления
Ну и осветительные светодиоды – это те, которые используются в ваших китайских фонариках, а также в LED-лампах
Светодиод – это токовый прибор, то есть для его нормальной работы требуется номинальный ток, а не напряжение. При номинальном токе на светодиоде падает некоторое напряжение, которое зависит от типа светодиода (номинальной мощности, цвета, температуры). Ниже табличка, показывающая какое падение напряжения бывает на светодиодах разных цветов свечения при номинальном токе:
Как проверить светодиод можно узнать из этой статьи.
Тиристоры
Тиристоры представляют собой диоды, проводимость которых управляется с помощью третьего вывода – управляющего электрода (УЭ). Основное применение тиристоров – это управление мощной нагрузкой с помощью слабого сигнала, подаваемого на управляющий электрод. Выглядят тиристоры примерно как диоды или транзисторы.
У тиристоров параметров столько, что не хватит статьи для их описания. Главный параметр – Iос,ср. – среднее значение тока, которое должно протекать через тиристор в прямом направлении без вреда для его здоровья.
Немаловажным параметром является напряжение открытия тиристор – (Uу), которое подается на управляющий электрод и при котором тиристор полностью открывается.
а вот так примерно выглядят силовые тиристоры, то есть тиристоры, которые работают с большой силой тока:
На схемах триодные тиристоры выглядят вот таким образом:
Существуют также разновидности тиристоров – динисторы и симисторы. У динисторов нет управляющего электрода и он выглядит, как обычный диод. Динисторы начинают пропускать через себя электрический ток в прямом включении, когда напряжение на нем превысит какое-то значение. Симисторы – это те же самые триодные тиристоры, но при включении пропускают через себя электрический ток в двух направлениях, поэтому они используются в цепях с переменным током.
Диодный мост и диодные сборки
Производители также несколько диодов заталкивают в один корпус и соединяют их между собой в определенной последовательности. Таким образом получаются диодные сборки. Диодные мосты – одна из разновидностей диодных сборок.
На схемах диодный мост обозначается вот так:
Существуют также и другие виды диодов, такие как варикапы, диод Ганна, диод Шоттки и тд. Для того, чтобы их всех описать, нам не хватит и вечности.
Очень интересное видео про диод
Источник: https://www.ruselectronic.com/poluprovodnikovyj-diod-i-jego-vidy/
Как работает диодный мост для чайников
Несмотря на то что в бытовых розетках, как известно, присутствует переменное напряжение величиной 220 В, подавляющее большинство электронных приборов требует намного меньших значений. Более того, это питание должно осуществляться не переменным, а постоянным током. Именно поэтому практически каждый бытовой прибор имеет в составе своей схемы выпрямитель — диодный мост.
Постоянный и переменный ток
Из учебного курса физики все знают, что электрический ток подразумевает протекание электрического заряда из одного проводника в другой. В отличие от постоянного тока, который действительно идет в одном направлении (от минуса к плюсу), переменный течет сначала в одну сторону, а затем — в другую. Если подключить к розетке осциллограф, можно получить схематическое изображение такого движения тока.
На рисунке представлена осциллограмма переменного тока, где по оси абсцисс показано время, а по оси ординат — напряжение. Из графика хорошо видно, что напряжение плавно нарастает до величины 220 В, потом уменьшается до нуля и нарастает до той же величины, но с противоположным знаком. Иными словами, напряжение в розетке постоянно меняет знак со скоростью 50 раз в секунду.
Для сравнения можно подключить щупы осциллографа к источнику постоянного тока. В качестве него могут использоваться клеммы батарейки. В этом случае картина будет несколько иная.
Осциллограмма постоянного тока, показанная на изображении, наглядно демонстрирует, как на протяжении всего времени напряжение на клеммах имеет постоянную величину. При замыкании цепи ток будет течь в одну сторону.
Особенности видов напряжения
Возникает закономерный вопрос о том, зачем в розетках используется переменный ток, если подавляющее большинство электронной аппаратуры питается постоянным током. Дело в том, что для питания узлов той или иной аппаратуры требуются напряжения разной величины. Процессор компьютера, например, питается 3 В, а мобильный телефон требует для своей зарядки целых 5 В. Усилителю музыкального центра нужно уже около 25 В.
Постоянное напряжение достаточно сложно трансформировать из одной величины в другую, а вот переменное — запросто. Для этого служат, к примеру, трансформаторы. Некоторые важные силовые узлы, такие как двигатели, все же нуждаются в переменном напряжении. Поэтому промышленные генераторы, питающие бытовые розетки, вырабатывают его до общепринятой величины (например, 220 В), а каждый прибор уже на месте получает из него то, что ему требуется.
Выпрямление электроэнергии
До конца XIX века преобразование переменного напряжения в постоянное было проблемой. С изобретением диода — сначала вакуумного, а позже и полупроводникового — ситуация в корне изменилась. Благодаря своим уникальным свойствам, диод отлично различает полярность и позволяет легко сортировать токи с нужным направлением. Сначала для этих целей использовались отдельные диоды, позже появились диодные мосты, обеспечивающие высокое качество выпрямления.
Выпрямитель на одном диоде
Диод проводит ток только в одном направлении, именно поэтому его и называют полупроводниковым прибором. Если к катоду устройства подключить плюс источника напряжения, а к аноду — минус, диод будет вести себя как обычный проводник. Если полярность изменить, то прибор закроется и превратится в диэлектрик. Для ответа на вопрос о том, что это даёт, придется собрать простейшую схему и снова вооружиться осциллографом.
На схеме изображена работа полупроводникового диода в цепи переменного тока. Осциллограмма слева показывает картину на выходе трансформатора — обычный переменный ток. После диода всё существенно меняется — на графике исчезает отрицательная полуволна переменного напряжения.
Ток еще не стал постоянным, но он уже не переменный — движения электрического заряда в обратном направлении нет. Такой род тока принято называть пульсирующим. Им еще нельзя питать электронику, но изменения налицо. Остаётся сгладить пики импульсов.
Это делают с помощью конденсаторов.
На схеме представлен однополупериодный выпрямитель со сглаживающим конденсатором. Во время положительного импульса напряжение не только питает нагрузку, но и одновременно заряжает конденсатор. Когда импульс заканчивается, конденсатор отдает накопленную энергию, сглаживая скачки напряжения.
Чем выше емкость конденсатора, тем больше энергии он сможет запасти, и тем больше напряжение будет походить на постоянное.
Двухполупериодный прибор
Несмотря на значительные успехи, достигнутые в преобразовании переменного тока в постоянный предыдущим экспериментом, результат ещё далек от идеала. Дело в том, что частота переменного тока довольно низкая (50 Гц), а навешивание сглаживающих конденсаторов имеет свои ограничения. Для того чтобы существенно улучшить форму выходного сигнала, нужно увеличить частоту.
Однако в розетках она строго фиксирована и не зависит от внешних факторов. Отрицательная полуволна напряжения срезается диодом. Поменять её полярность совсем несложно — достаточно лишь добавить несколько диодов, собрав мостовую схему. На рисунке представлен двухполупериодный выпрямитель на четырёх диодах, объясняющий то, как работает диодный мост:
Источник: https://crast.ru/instrumenty/kak-rabotaet-diodnyj-most-dlja-chajnikov
Полупроводниковый диод
Радиоэлектроника для начинающих
В самом начале радиотехники первым активным элементом была электронная лампа. Но уже в двадцатые годы прошлого века появились первые приборы доступные для повторения радиолюбителями и ставшие очень популярными. Это детекторные приёмники. Более того они выпускались в промышленном масштабе, стоили недорого и обеспечивали приём двух-трёх отечественных радиостанций работавших в диапазонах средних и длинных волн.
Именно в детекторных приёмниках впервые стал использоваться простейший полупроводниковый прибор, называемый вначале детектором и лишь позже получивший современное название – диод.
Диод это прибор, состоящий всего из двух слоёв полупроводника. Это слой “p”- позитив и слой “n”- негатив. На границе двух слоёв полупроводника образуется “p-n” переход. Анодом является область “p”, а катодом зона “n”. Любой диод способен проводить ток только от анода к катоду. На принципиальных схемах он обозначается так.
Как работает полупроводниковый диод
В полупроводнике “n” типа имеются свободные электроны, частицы со знаком минус, а в полупроводнике типа “p” наличествуют ионы с положительным зарядом, их принято называть «дырки». Подключим диод к источнику питания в обратном включении, то есть на анод подадим минус, а на катод плюс.
Между зарядами разной полярности возникает притяжение и положительно заряженные ионы тянутся к минусу, а отрицательные электроны дрейфуют к плюсу источника питания. В “p-n” переходе нет носителей зарядов, и отсутствует движение электронов. Нет движения электронов – нет электрического тока.
Диод закрыт.
При прямом включении диода происходит обратный процесс. В результате отталкивания однополярных зарядов все носители группируются в зоне перехода между двумя полупроводниковыми структурами. Между частицами возникает электрическое поле перехода и рекомбинация электронов и дырок. Через “p-n” переход начинает протекать электрический ток. Сам процесс носит название «электронно-дырочная проводимость». При этом диод открыт.
Возникает вполне естественный вопрос, как из одного полупроводникового материала удаётся получить структуры, обладающие различными свойствами, то есть полупроводник “n” типа и полупроводник “p” типа.
Этого удаётся добиться с помощью электрохимического процесса называемого легированием, то есть внесением в полупроводник примесей других металлов, которые и обеспечивают нужный тип проводимости. В электронике используются в основном три полупроводника. Это германий (Ge), кремний (Si) и арсенид галлия (GaAs).
Наибольшее распространение получил, конечно, кремний, так как запасы его в земной коре поистине огромны, поэтому стоимость полупроводниковых приборов на основе кремния весьма невысока.
При добавлении в расплав кремния ничтожно малого количества мышьяка (As) мы получаем полупроводник “n” типа, а легируя кремний редкоземельным элементом индием (In), мы получаем полупроводник “p” типа.
Присадок для легирования полупроводниковых материалов достаточно много.
Например, внедрение атомов золота в структуру полупроводника увеличивает быстродействие диодов, транзисторов и интегральных схем, а добавление небольшого числа различных примесей в кристалл арсенида галлия определяет цвет свечения светодиода.
Типы диодов и область их применения.
Семейство полупроводниковых диодов очень большое. Внешне они очень похожи за исключением некоторых групп, которые отличаются конструктивно и по ряду параметров. Наиболее распространены следующие модификации полупроводниковых диодов:
- Выпрямительные диоды. Предназначены для выпрямления переменного тока.
- Стабилитроны. Обеспечивают стабилизацию выходного напряжения.
- Диоды Шоттки. Предназначены для работы в импульсных преобразователях и стабилизаторах напряжения. Например, в блоках питания персональных компьютеров.
- Импульсные диоды отличаются очень высоким быстродействием и малым временем восстановления. Они применяются в импульсных блоках питания и в другой импульсной технике. К этой группе можно отнести и туннельные диоды.
- СВЧ диоды имеют определённые конструктивные особенности и работают в устройствах на высоких и сверхвысоких частотах.
- Диоды Ганна. Они предназначены для генерирования частот до десятков гигагерц.
- Лавинно-пролётные диоды генерируют частоты до 180 ГГц.
- Фотодиоды имеют миниатюрную линзу и управляются световым излучением. В зависимости от типа могут работать как в инфракрасном, так и в ультрафиолетовом диапазоне спектра.
- Светодиоды. Излучают видимый свет практически любой длины волны. Спектр применения очень широк. Рассматриваются как альтернатива электрическим лампам накаливания и других осветительных приборов.
- Твёрдотельный лазер так же представляет собой полупроводниковый диод. Спектр применения очень широк. От приборов военного назначения до обычных лазерных указок, которые легко купить в магазине. Его можно обнаружить в лазерных считывателях CD/DVD-плееров, а также лазерных уровнях (нивелирах), используемых в строительстве. Чтобы не говорили сторонники лазерной техники, как ни крути, лазер опасен для зрения. Так что, будьте внимательны при обращении с ним.
Также стоит отметить, что у каждого типа диодов есть и подгруппы. Так, например, среди выпрямительных есть и ультрабыстрые диоды. Могут называться как Ultra-Fast Rectifier, HyperFast Rectifier и т.п. Пример – ультрабыстрый диод с малым падением напряжения STTH6003TV/CW (аналог VS-60CPH03).
Это узкоспециализированный диод, который применяется, например, в сварочных аппаратах инверторного типа. Диоды Шоттки являются быстродействующими, но не способны выдерживать больших обратных напряжений, поэтому вместо них применяются ультрабыстрые выпрямительные диоды, которые способны выдерживать большие обратные напряжения и огромные прямые токи.
При этом их быстродействие сравнимо с быстродействием диодов Шоттки.
Параметры полупроводниковых диодов
Параметров у полупроводниковых диодов достаточно много и они определяются функцией, которую те выполняют в конкретном устройстве. Например, в диодах, генерирующих СВЧ колебания, очень важным параметром является рабочая частота, а также та граничная частота, на которой происходит срыв генерации. А вот для выпрямительных диодов этот параметр совершенно не важен.
В импульсных и переключающих диодах важна скорость переключения и время восстановления, то есть скорость полного открытия и полного закрытия. В мощных силовых диодах важна рассеиваемая мощность. Для этого их монтируют на специальные радиаторы. А вот диоды, работающие в слаботочных устройствах, ни в каких радиаторах не нуждаются.
Но есть параметры, которые считаются важными для всех типов диодов, перечислим их:
- U пр. – допустимое напряжение на диоде при протекании через него тока в прямом направлении. Превышать это напряжение не стоит, так как это приведёт к его порче.
- U обр. – допустимое напряжение на диоде в закрытом состоянии. Его ещё называют напряжением пробоя. В закрытом состоянии, когда через p-n переход не протекает ток, на выводах образуется обратное напряжение. Если оно превысит допустимое значение, то это приведёт к физическому «пробою» p-n перехода. В результате диод превратиться в обычный проводник (сгорит).Очень чувствительны к превышению обратного напряжения диоды Шоттки, которые очень часто выходят из строя по этой причине. Обычные диоды, например, выпрямительные кремниевые более устойчивы к превышению обратного напряжения. При незначительном его превышении они переходят в режим обратимого пробоя. Если кристалл диода не успевает перегреться из-за чрезмерного выделения тепла, то изделие может работать ещё долгое время.
- I пр. – прямой ток диода. Это очень важный параметр, который стоит учитывать при замене диодов аналогами или при конструировании самодельных устройств. Величина прямого тока для разных модификаций может достигать величин десятков и сотен ампер. Особо мощные диоды устанавливают на радиатор для отвода тепла, который образуется из-за теплового действия тока. P-N переход в прямом включении также обладает небольшим сопротивлением. На небольших рабочих токах его действие не заметно, но вот при токах в единицы-десятки ампер кристалл диода ощутимо нагревается. Так, например, выпрямительный диодный мост в сварочном инверторном аппарате обязательно устанавливают на радиатор.
- I обр. – обратный ток диода. Обратный ток – это так называемый ток неосновных носителей. Он образуется, когда диод закрыт. Величина обратного тока очень мала и его в подавляющем числе случаев не учитывают.
- U стаб. – напряжение стабилизации (для стабилитронов). Подробнее об этом параметре читайте в статье про стабилитрон.
Кроме того следует иметь в виду, что все эти параметры в технической литературе печатаются и со значком “max”. Здесь указывается предельно допустимое значение данного параметра. Поэтому подбирая тип диода для вашей конструкции необходимо рассчитывать именно на максимально допустимые величины.
» Радиоэлектроника для начинающих » Текущая страница
Также Вам будет интересно узнать:
Источник: https://go-radio.ru/diod.html
Как устроен туннельный диод
Туннельный диод обладает особыми характеристиками, отличающими его от обычных диодов и стабилитронов. Если диоды и стабилитроны хорошо пропускают ток только в одну сторону (в обратную – только в области пробоя), то туннельный диод способен хорошо проводить ток в обе стороны. Это свойство обеспечивают особенности устройства туннельного диода: очень узкий p-n переход и значительное количество присадок.
статьи
Эта деталь была предложена в 1956 году японским ученым Л. Есаки. Для ее изготовления использовался германий или арсенид галлия с большим количеством присадок, обладающих низким удельным сопротивлением.
Арсенид галлия оказался более перспективным материалом. При производстве туннельных диодов используются: доноры – олово, сера, теллур, свинец, селен, а также акцепторы – кадмий и цинк. Применяются германиевые полупроводники, в которых: доноры – мышьяк и фосфор, а акцепторы – алюминий и галлий. Примеси вводят в состав диода путем вплавления или диффузии.
Особенности и принцип действия туннельного диода
Туннельные диоды с чрезвычайно малым сопротивлением относят к группе вырожденных. Для них характерны:
- электронно-дырочный переход – в десятки раз тоньше, по сравнению с обычными диодными устройствами;
- потенциальный барьер – в 2 раза выше относительно стандартных полупроводниковых деталей;
- наличие напряженности поля даже при отключении питающего напряжения – 106 В/см.
Уникальные свойства туннельного диода проявляются в его вольтамперной характеристике (ВАХ) при прямом смещении в полупроводнике.
На схеме видно, что на отрезке А ток растет с увеличением напряжения. На участке В полупроводник проявляет отрицательное сопротивление (туннельный эффект), приводящее к тому, что при росте вольтовой характеристики ток снижается. На отрезке С прибор снова обеспечивает прямую зависимость между током и напряжением.
Туннельные диоды предназначены для работы как раз на отрезке, для которого характерно отрицательное сопротивление. Небольшое повышение напряжения выключает его, а снижение – включает.
Основные параметры туннельных диодов
При выборе этого полупроводника учитывают:
- ток пика – максимальный ток прямого направления;
- пиковое напряжение, характерное для тока пика;
- минимальный ток (ток впадины) и характерное для него напряжение;
- напряжение скачка – максимальный перепад напряжений;
- емкость – емкость между выводами полупроводника при определенной вольтовой характеристике смещения.
Маркировка туннельных диодов и их обозначение на схеме
В обозначении диодов присутствует несколько позиций (обычно 5). Первой идет буква или цифра. Цифры 1, 2, 3 обозначают, что диод предназначен для военного применения (имеет более широкий температурный рабочий интервал, по сравнению со стандартными полупроводниками).
На первой позиции может стоять буква, указывающая на материал, используемый при изготовлении детали: Г – германий, А – арсенид галлия. Вторая позиция показывает класс полупроводника, Д – обозначает «диод». На третьей позиции отображают характеристики мощности или частоты. Четвертая – двух- или трехзначный серийный номер.
В конце обозначения производитель предоставляет дополнительную информацию.
Цветовая маркировка диодов Обозначение туннельного диода на схемах
Области применения
Параметры туннельного диода обеспечивают его использование в следующих областях:
- в качестве высокоскоростного выключателя;
- в роли усилителя, в котором повышение напряжения вызывает более значительный рост тока, по сравнению со стандартными диодными устройствами;
- для получения и усиления электромагнитных колебаний;
- в радиоэлектронных переключающих и импульсных устройствах различного назначения, для которых актуально высокое быстродействие.
Преимущества и недостатки
Плюсы туннельных диодов:
- особая вольтамперная характеристика в определенном интервале напряжений;
- уникальное быстродействие, малая инерционность;
- устойчивость к ионизирующему излучению;
- сниженное потребление электроэнергии от источника электропитания.
Все туннельные диоды имеют компактные размеры. Часто они представляют собой изделия в герметичных корпусах цилиндрической формы диаметром 3-4 мм, высотой 2 мм и массой менее 1 грамма.
Существенным недостатком полупроводников этого типа является значительное старение, которое приводит к изменению их свойств, а следовательно, к нарушению нормальной функциональности устройства. «Туннельники» могут утратить прежние параметры не только из-за превышенных рабочих режимов, но даже из-за длительного хранения, после чего они превращаются в «обращенные» полупроводники. Такое обстоятельство часто становится причиной некорректного функционирования промышленных осциллографов.
Существуют и «обращенные» полупроводники промышленного изготовления. От туннельных они отличаются меньшей концентрацией примесей, хотя общий принцип функционирования у них одинаковый.
Как проверить туннельный диод на работоспособность
Проверять работоспособность ТД авометром – комбинированным прибором для измерения тока, напряжения и частоты – запрещено, поскольку полупроводники некоторых групп могут выйти из строя. Если неизвестна принадлежность детали к определенной категории, то безопасней использовать генераторный пробник, позволяющий контролировать работоспособность туннельного диода в активном режиме.
Другие материалы по теме
Анатолий Мельник
Специалист в области радиоэлектроники и электронных компонентов. Консультант по подбору деталей в компании РадиоЭлемент.
Источник: https://www.radioelementy.ru/articles/kak-ustroen-tunnelnyi-diod/
Диод Ганна — принцип работы, применение
Как известно диод – это двухвыводной полупроводниковый радиоэлектронный компонент, обладающий нелинейной вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Это позволяет электрическому току течь только в одном направлении, при котором его сопротивление при прямом смещении очень мало (почти нулевое). И на оборот, в другом направлении нелинейная ВАХ не позволяет протекать току, так как она предполагает очень высокое сопротивление (бесконечно большое) при обратном смещении.
Диоды делятся на различные типы в зависимости от их характеристик и принципа работы. Они включают в себя обычный диод, диод Шоттки, диод Шокли, токоограничивающий диод, стабилитрон, светодиод, фотодиод, туннельный диод, варактор, лазерный диод, pin диод, элемент Пельтье, диод Ганна, и так далее.
В данной статье мы подробно рассмотрим принцип работы диода Ганна, характеристики и применение диода Ганна на практике.
Что такое диод Ганна?
Диод Ганна принято рассматривать как один из видов диода, не смотря на то, что он фактически не имеет типичного для диода pn-перехода. Его еще называют прибором с объемной неустойчивостью.
Диод Ганна имеет отрицательное дифференциальное сопротивление и поэтому его часто применяют в качестве генератора малой мощности для формирования микроволн. Он состоит из полупроводника N-типа, в котором электроны являются основным носителем заряда. Для генерации коротких радиоволн, таких как сверхвысокие частоты (СВЧ) используют эффект Ганна.
Центральная область, показанная на рисунке ниже — это активная область, которая представлена низколегированным слоем арсенида галлия (GaAs). С обеих сторон активной области наращиваются эпитаксиальные слои высоколегированного GaAs (N-типа) с толщиной примерно от 8 до 10 микрометров.
Активная часть зажата между двумя зонами имеющие омические контакты. Это позволяет обеспечить эффективный теплоотвод, помогающий избежать перегрева и преждевременного выхода диода из строя.
Эффект Ганна
Эффект Ганна был открыт Джоном Ганном в 1960-х годах. После его экспериментов на основе GaAs (Арсенид галлия), он обратил внимание на помехи, возникшие в результате этих опытов. Далее он использовал это для генерации электрических колебаний в диапазоне сверхвысоких частот в устойчивом электрическом поле, величиной больше чем пороговое значение.
Этот эффект Ганна можно определить как генерация СВЧ (частоты порядка нескольких ГГц) возникающая всякий раз, когда напряжение, прикладываемое к полупроводниковому прибору превышает его критическое пороговое значение.
Характеристики Диода Ганна
На графике ниже показана вольт-амперная характеристика диода Ганна в его отрицательной области сопротивления. Эта характеристика похожа на характеристику туннельного диода. Как видно из графика изначально по мере увеличения напряжения на диоде происходит увеличение тока, но после достижения определенного уровня напряжения (порогового значения), ток начинает уменьшаться. Та область, где ток падает, называется область отрицательного сопротивления.
СВЧ генератор на диоде Ганна
Диод Ганна используются для построения генераторов микроволн с частотами в диапазоне от 10 ГГц до ТГц. Это устройство, имеющее отрицательное дифференциальное сопротивление (NDR -Negative Differential Resistance) – также называемого как прибор переноса электронов — является колебательным контуром, состоящий из диода Ганна и подаваемого на него постоянного напряжения смещения (в области отрицательного сопротивления).
Благодаря этому, суммарное дифференциальное сопротивление цепи становится равным нулю, так как отрицательное сопротивление диода сокращается при положительном сопротивлении цепи, что приводит к возникновению колебаний.
Диод Ганна — принцип работы
Этот диод сделан из цельного куска полупроводника N-типа, такого как Арсенид Галлия (GaAs) или Фосфид Индия (InP). Диод Ганна состоит из трех энергетических областей, и эта дополнительная третья область на начальном этапе пуста.
Электроны из зоны проводимости, имеющие ничтожно малое удельное электрическое сопротивление, перемещаются в третью область, поскольку они рассеиваются от приложенного к диоду напряжения. Третья область из GaAs имеет подвижность, которая меньше, чем в зоне проводимости.
Из-за увеличения прямого напряжения увеличивается напряженность поля (приложенное напряжение превышает пороговое значение напряжения), вследствие чего электроны достигают состояния, при котором их эффективная масса увеличивается, а скорость уменьшается, что приводит в конечном итоге к снижению тока.
Следовательно, если напряженность поля увеличивается, то скорость дрейфа будет уменьшаться, при этом создается отрицательное добавочное сопротивление в VI зоне. Таким образом, увеличение напряжения увеличит сопротивление, путем возникновения на катоде так называемого домена сильного поля, который движется и достигает анода.
При достижении анода, домен разрушается, и ток вновь возрастает. При поддержании постоянного значения напряжения, на катоде вновь будет возникать новый домен и все повторится вновь. Частота повторения этого процесса связана с толщиной слоя полупроводника (GaAs), и чем больше его толщина, тем меньше частота повторений.
Применение диода Ганна
Диод Ганна используется в следующих областях:
- в генераторах Ганна для генерации частот в диапазоне от 5 ГГц до 35 ГГц на выходе. Генератор Ганн используются в радиосвязи, в военных и коммерческих радиолокационных установках.
- в железнодорожной сфере в качестве датчиков для выявления нарушителей, в целях предотвращения крушения поездов.
- в качестве эффективных генераторов СВЧ в диапазоне частот до сотен ГГц.
- в детекторах дистанционного измерения вибраций и измерении скорости вращения в тахометрах.
- в качестве СВЧ генератора тока (импульсный генератор на диоде Ганна).
- в передатчиках СВЧ для генерации СВЧ-радиоволн при очень малых мощностях.
А так же в датчиках открывания дверей, устройствах управления процессами, охрана периметра, системы безопасности пешеходов, датчиках уровня, в датчиках измерения влажности и в охранных системах.
Источник: http://www.joyta.ru/7501-diod-ganna-princip-raboty-primenenie/
Как работают диоды и что такое диодный мост?
Здравствуйте друзья! Каждый день мы встречаем огромное число людей, людей с которыми мы общаемся, живем, учимся или ходим не работу. Готов поспорить что как минимум половина людей с которыми вы общаетесь имеет смутное представление о диодах, и это не смотря на то что понятие диодов входит в школьную программу .
Возможно что такое понятие как диодный мост вызывает точно такие же ассоциации как и Бруклинский. Я все-таки думаю, что эта статья в какой-то степени уменьшит подобные ассоциации в головах людей и принесет чуточку понимания, по крайней мере я на это надеюсь.
Ну что? Заинтересовал? Тогда поехали.
О чем сегодня статья
Как вы наверное поняли из вступления сегодняшняя статья будет ориентирована на новичков. И сегодня я освещу сакральную тему, свет которой будет освещать полупроводниковые приборы под названием диоды.
Как работает диод
Как работает диод? Многих новичков интересует данный вопрос и многие учителя в школах и вузах начинают чертить на доске электрические схемы и временные диаграммы. Я считаю что это полная фигня, так как пока ты не получишь практический опыт ты не достигнешь полного понимания и весь наукоемкий фарш останется лишь непонятными каракулями на доске.
Так что же я этим хочу сказать? А сказать я хочу,что нужно просто брать в руки паяльник и идти вперед — превращать теорию в ценный практический опыт!
Хорошо, а теперь обсудим немного теорию.
На электрических схемах диоды изображаются как равнобедренный треугольник на одной из вершин которого размещается черточка. Это словесное описание условного графического обозначения диода (принятое сокращение УГО). Графически это обозначение выглядит вот так.
У диода всего два вывода и обозначаются они катод и анод. На условном обозначении диода вывод катода всегда обозначен «палочкой», а треугольник можно представить как стрелка указывающая на черточку катода.
Впрочем так диоды обозначаются на электрических схемах. В жизни диоды могут быть разными, к примеру могут быть как на этих картинках.
Как определить на каком выводе у диода анод, а на каком катод? В принципе это можно определить визуально, по маркировке.
Как правило катод на корпусе диода обозначается полоской, точкой или чертой. Если сомневаетесь то катод и анод можно определить с помощью мультиметра. О том как пользоваться мультиметром и в частности как проверить диод мультиметром я писал здесь, так что почитаете и разберетесь — ничего сложного.
Диоды примечательны тем, что обладают односторонней проводимостью. Это значит что электрический ток «потечет» через диод только в том случае если к аноду приложить плюс (более положительный потенциал ) а к катоду приложить минус (более отрицательный потенциал). В обратной ситуации у вас ничего не получится. Подобное поведение диода определяется таким понятием как ВАХ.
Что означает ВАХ диода?
ВАХ диода это просто напросто вольтамперная характеристика диода. Она описывает зависимость тока от напряжения прикладываемого к диоду. Давайте рассмотрим это обстоятельство чуток подробнее.
Слева у нас показан вольтамперной характеристики для резистора. Как видите, зависимость тока от напряжения линейная, чем больше напряжение приложенное к резистору тем больше ток.
Для диода кривая зависимости явно отличается. Если мы подключим к аноду положительный потенциал, а к катоду отрицательный и будем плавно повышать напряжение то будет происходить следующее. Ток в начальный момент времени будет очень мал поэтому диод еще не будет открыт по полной. Но если мы будем прибавлять напряжение то это приведет к полному открытию диода.
Хорошо, а что же случится если мы подключим диод иначе? Положительный потенциал приложим к катоду, а отрицательный к аноду. В этом случае график ВАХ диода у нас буквально перевернется и картина будет следующая. При плавном повышении напряжения ток будет повышаться, но величина тока будет настолько незначительной, что им зачастую пренебрегают. Этот ток при обратном подключении называют еще током утечки.
Только есть здесь один нюанс. Если мы будем и дальше повышать обратное напряжения на диоде, то можно добиться резкого повышения тока. На вольтамперной характеристике этот момент выглядит в виде небольшого «хвостика» причудливо оттопыренного в конце.
Это так называемый обратимый пробой диода. Такой пробой не страшен, если напряжение уменьшить то ток снова уменьшится и будет вновь очень незначительным.
Явление подобного обратимого пробоя является побочным и для диода его всегда стараются сводить к минимуму.
Как видите всю эту информацию мы получили лишь используя график ВАХ, но будет полезно все это проверить своими руками на практике. Действительно, соберите несложную схему и сделайте несколько замеров мультиметром, это пойдет на пользу. Вот только диод нужно уметь правильно подключать, ато ведь его легко можно пожечь, так что читайте дальше -поведаю обо всем.
Для чего используют диоды и как включать в цепь?
О том как функционирует диод мы поговорили, вот только пока непонятно как его можно применять и вообще для чего все это.
Для начала рассмотрим простейший пример включения диода в электрическую цеп, причем в переменке.
И для начала простой вопрос, зачем здесь резистор? Внимательный читатель посмотрит вольтамперную характеристику диода и все станет ясно. Ток в диоде без дополнительной нагрузке начнет очень быстро расти, возникнет подобие короткого замыкания от чего диоду может не поздоровиться. Дабы не произошло подобного конфуза применяют токоограничивающий резистор.
Свойство односторонней проводимости диода применяется не просто широко а повсеместно. В состав любого блока питания входят диоды как сами по себе так и в составе диодного моста.
Ведь в любом блоке питания происходит один очень важный момент, а именно происходит превращение переменного тока в постоянный. А вот эту ответственную миссию берут на себя именно диоды.
Полное превращение мы рассмотрим когда будем обсуждать диодные мосты, но как ведет себя диод в переменном токе мы сейчас увидим. Схема все та же что и была, диод и резистор включенные в цепь переменного тока.
Вот вам наглядный пример в виде временной диаграммы зависимости тока от напряжения до и после применения диода.
Как видите произошел очень интересный момент, нижние полупериоды диод просто срезал, оставив холмики положительной полярности. Это уже более похоже на постоянку, можно еще кстати использовать конденсатор для лучшего сглаживания.
Хотя диод и справляется с задачей выпрямления переменного тока, все-таки с этой задачей диодный мост справится лучше, кстати диодный мост мы сейчас и рассмотрим.
Как построить диодный мост?
При использовании одиночного диода в целях выпрямления переменки остаются ощутимые провалы в диаграмме. Этого нужно как-то избегать, а вот избежать этого явления нам поможет диодный мостик.
Диодный мост это не один диодик а целых четыре, включенных специальным образом. На электрических схемах додные мосты выглядят вот таким незамысловатым образом.
Кликните чтобы увеличить
И диодный мост отчасти позволяет решить проблему провалов, возникающую при использовании одиночного диода.
Как видите диодный мост работает на каждом полупериоде синусоиды, организуя такие холмики положительной полярности. Это уже более похоже на постоянку, хотя постоянный здесь только знак положительного потенциала. О постоянном напряжении здесь пока говорить рано.
Далее вид выходного напряжения еще можно будет скорректировать используя стабилитрон и конденсатор. Правда о конденсаторах мы сегодня разговаривать не будем, а как работает стабилитрон рассмотрим в следующих статьях так что не пропустите и обязательно подпишитесь.
Ну чтож, на этом у меня все, поэтому я буду закругляться и пойду готовить материалы для новых статей. Также очень советую подписаться через форму Email рассылок, тогда вы точно ничего не пропустите и более того каждый подписчик получит от меня подарок.
Желаю вам удачи , успехов и до новых встреч.
С н/п Владимир Васильев.
Источник: http://popayaem.ru/kak-rabotayut-diody-i-chto-takoe-diodnyj-most.html
Принцип работы диода для чайников — Все об электричестве
Самым простым по конструкции в семействе полупроводников являются диоды, имеющие в конструкции всего два электрода, между которыми существует проводимость электрического тока в одну сторону. Такой вид проводимости в полупроводниках создается благодаря их внутреннему устройству.
Особенности устройства
Не зная конструктивных особенностей диода, нельзя понять его принципа действия. Структура диода состоит из двух слоев с проводимостью различного вида.
Диод состоит из следующих основных элементов:
- Корпус. Выполняется в виде вакуумного баллона, материалом которого может быть керамика, металл, стекло и другие прочные материалы.
- Катод. Он расположен внутри баллона, служит для образования эмиссии электронов. Наиболее простым устройством катода является тонкая нить, раскаляющаяся в процессе действия. Современные диоды оснащены косвенно накаляющимися электродами, которые выполнены в виде металлических цилиндров со свойством активного слоя, имеющего возможность испускать электроны.
- Подогреватель. Это особый элемент в виде нити, раскаляющейся от электрического тока. Подогреватель расположен внутри косвенно накаляющегося катода.
- Анод. Это второй электрод диода, служащий для приема электронов, вылетевших от катода. Анод имеет положительный потенциал, по сравнению с катодом. Форма анода чаще всего так же, как и катода, цилиндрическая. Оба электрода аналогичны эмиттеру и базе полупроводников.
- Кристалл. Его материалом изготовления является германий или кремний. Одна часть кристалла имеет р-тип с недостатком электронов. Другая часть кристалла имеет n-тип проводимости с избытком электронов. Граница, расположенная между этими двумя частями кристалла, называется р-n переходом.
Эти особенности конструкции диода позволяют ему проводить ток в одном направлении.
Принцип действия
Работа диода характеризуется его различными состояниями, и свойствами полупроводника при нахождении в этих состояниях. Рассмотрим подробнее основные виды подключений диодов, и какие процессы происходят внутри полупроводника.
Диоды в состоянии покоя
Если диод не подключен к цепи, то внутри него все равно происходят своеобразные процессы. В районе «n» есть излишек электронов, что создает отрицательный потенциал. В области «р» сконцентрирован положительный заряд. Совместно такие заряды создают электрическое поле.
Так как заряды с разными знаками притягиваются, то электроны из «n» проходят в «р», при этом заполняют дырки. В итоге таких процессов в полупроводнике появляется очень слабый ток, увеличивается плотность вещества в области «р» до определенного значения. При этом частицы расходятся по объему пространства равномерно, то есть, происходит медленная диффузия. Вследствие этого электроны возвращаются в область «n».
Для многих электрических устройств направление тока не имеет особого значения, все работает нормально. Для диода же, большое значение имеет направление протекания тока. Основной задачей диода является пропускание тока в одном направлении, чему благоприятствует переход р-n.
Обратное включение
Если диоды подсоединять к питанию по изображенной схеме, то ток не будет проходить через р-n переход. К области «n» подсоединен положительный полюс питания, а к «р» — минусовой. В итоге электроны от области «n» переходят к плюсовому полюсу питания. Дырки притягиваются минусовым полюсом. На переходе возникает пустота, носители заряда отсутствуют.
При повышении напряжения дырки и электроны осуществляют притягивание сильнее, и на переходе нет носителей заряда. При обратной схеме включения диода ток не проходит.
Повышение плотности вещества возле полюсов создает диффузию, то есть, стремление к распределению вещества по объему. Это возникает при выключении питания.
Обратный ток
Вспомним о работе неосновных переносчиков заряда. При запертом диоде, через него проходит малая величина обратного тока. Он и образуется от неосновных носителей, двигающихся в обратном направлении. Такое движение возникает при обратной полярности питания. Обратный ток обычно незначительный, так как число неосновных носителей очень мало.
При возрастании температуры кристалла их число повышается и обуславливает повышение обратного тока, что обычно приводит к повреждению перехода. Для того, чтобы ограничить температуру работы полупроводников, их корпус монтируют на теплоотводящие радиаторы охлаждения.
Прямое включение
Поменяем местами полюса питания между катодом и анодом. На стороне «n» электроны будут отходить от отрицательного полюса, и проходить к переходу. На стороне «р» дырки, имеющие положительный заряд, оттолкнутся от положительного вывода питания. Поэтому электроны и дырки начнут стремительное движение друг к другу.
Частицы с разными зарядами скапливаются возле перехода, и между ними образуется электрическое поле. Электроны проходят через р-n переход и двигаются в область «р». Часть электронов рекомбинирует с дырками, а остальные проходят к положительному полюсу питания. Возникает прямой ток диода, который имеет ограничения его свойствами. При превышении этой величины диод может выйти из строя.
При прямой схеме диода, его сопротивление незначительное, в отличие от обратной схемы. Считается, что обратно ток по диоду не проходит. В результате мы выяснили, что диоды работают по принципу вентиля: повернул ручку влево – вода течет, вправо – нет воды. Поэтому их еще называют полупроводниковыми вентилями.
Прямое и обратное напряжение
Во время открытия диода, на нем имеется прямое напряжение. Обратным напряжением считается величина во время закрытия диода и прохождения через него обратного тока. Сопротивление диода при прямом напряжении очень мало, в отличие от обратного напряжения, возрастающего до тысяч кОм. В этом можно убедиться путем измерения мультиметром.
Сопротивление полупроводникового кристалла может изменяться в зависимости от напряжения. При увеличении этого значения сопротивление снижается, и наоборот.
Если диоды использовать в работе с переменным током, то при плюсовой полуволне синуса напряжения он будет открыт, а при минусовой – закрыт. Такое свойство диодов применяют для выпрямления напряжения. Поэтому такие устройства называются выпрямителями.
Характеристика диодов
Характеристика диода выражается графиком, на котором видна зависимость тока, напряжения и его полярности. Вертикальная ось координат в верхней части определяет прямой ток, в нижней части – обратный.
Горизонтальная ось справа обозначает прямое напряжение, слева – обратное. Прямая ветка графика выражает ток пропускания диода, проходит рядом с вертикальной осью, так как выражает повышение прямого тока.
Вторая ветка графика показывает ток при закрытом диоде, и проходит параллельно горизонтальной оси. Чем круче график, тем лучше диод выпрямляет ток. После возрастания прямого напряжения, медленно повышается ток. Достигнув области скачка, его величина резко нарастает.
На обратной ветви графика видно, что при повышении обратного напряжения, величина тока практически не возрастает. Но, при достижении границ допустимых норм происходит резкий скачок обратного тока. Вследствие этого диод перегреется и выйдет из строя.
Похожие темы:
Источник: https://contur-sb.com/printsip-raboty-dioda-dlya-chaynikov/
Светодиод: это, принцип работы, виды устройства, как работают сверхяркие, как устроен, из чего состоит, от чего зависит яркость свечения
Первые светодиоды (СД, СИД, LED) разработали в начале шестидесятых годов на смену миниатюрным лампам накаливания. Это были красные лампы с очень слабым свечением и применялись как индикаторы включения в различных приборах.
В начале девяностых, был создан синий светодиод, следом появились зеленые, желтые и белые. Сейчас светодиод один из наиболее широко востребованных осветительных элементов. Это световое устройство в пластиковом литом корпусе (разного цвета) с двумя выводами со впаянным кристаллом.
Корпус выполняет две функции – является линзой и защитным покрытием. Питание светодиода обеспечивается током, для чего в цоколь встроен преобразователь напряжения. Яркость свечения пропорциональна напряжению.
Устройство элемента
Светодиод состоит из следующих частей:
- основание;
- линза;
- катод (-);
- анод (+);
- кристалл (полупроводниковый чип);
- отражатель (рассеиватель).
В основании закреплены катод и анод, сверху все устройство герметично закрыто линзой (колбой). На катоде закреплен кристалл. На контактах установлены проводники, подсоединенные к кристаллу p-n-переходом (соединительная проволока, объединяющая два проводника с разными типами проводимости).
Теплоотвод необходим для поддержания стабильной работы светодиода. В индикаторных светодиодах тепло не накапливается за счет невысокой мощности. Для осветительных – основание напрямую припаивается к поверхности для обеспечения теплоотвода.
Принцип работы диодов для чайников
Чтобы понять, как работает светодиод, нужно знать, что такое p-n-переход. Это область, в которой соприкасаются полупроводники p и n типа, в результате чего один тип проводимости переходит к другому. N тип содержит электроны проводимости как носители заряда. Полупроводник p типа носитель положительного заряда (дырки).
Анод (p типа) является положительным электродом, катод (n типа) это отрицательный электрод. Внешняя поверхность катода и анода содержит контактные металлические площадки с припаянными выводами. Когда к аноду подается положительный заряд электричества, а к катоду отрицательный, то на р-n переходе между кристаллом катодом начинает течь ток.
Если включение прямое, то электроны из n и области и дырки из p-области устремятся навстречу друг другу. В процессе легирования (обмена электронами) на границе дырочно – электронного перехода произойдет их обмен. Если отрицательное напряжение подается со стороны материала n-типа, то происходит прямое смещение. При рекомбинации (обмене) выделяется энергия в виде фотонов.
Чтобы поток фотонов преобразовать в видимый свет, материал подбирают так, что длина волны фотонов находится в пределах видимой области цветового спектра длиной волны от 700 до 400 нм.
Чтобы упрастить работу с диодными осветительными приборами или, например, гирляндами, узнайте как проверить светодиод мультиметром.
Принцип работы светодиода
Виды
Существующие на сегодняшний день светодиоды бывают следующих видов:
- индикаторные – с маленькой мощностью, для подсветки в приборах;
- осветительные – с большой мощностью, уровень освещенности соответствует обычным (люминесцентным и вольфрамовым) источникам света.
По типу соединения индикаторные делятся на:
- тройные AIGaAs (алюминий – галлий – мышьяк) – оранжевый и желтый свет в областях видимого цветового спектра;
- тройные GaAsP (галлий – мышьяк – фосфор) – желто-зеленый и красный свет в областях видимого спектра;
- двойные GaP (галлий – фосфор) – оранжевый и зеленый свет в областях видимого спектра.
Светодиодные элементы различаются по типу корпуса:
- DIP – оснащены встроенной оптической системой из линзы, кристалла и парой контактов. Устаревшая модель самой низкой мощности, используются для подсветки игрушек, световых табло;
- Superflux или «пиранья» – аналогичные DIP, оснащены четырьмя контактами, лучше крепятся и меньше нагреваются за счет радиатора для светодиода. Используются для подсветки в автомобилях;
- SMD – наиболее распространенный тип для множества источников света. Представляют собой чип (кристалл), смонтированный непосредственно на поверхности платы;
- COB – усовершенствованные светодиоды SMD. Оснащены несколькими кристаллами (чипами), установленными на одну плату. Монтируются на керамические и алюминиевые основания.
Фото лампы с новыми типами светодиодов SMD
Более совершенные модели СОВ все же не всегда могут заменить SMD светодиоды.
Основные технические характеристики
Диодные лампы характеризуются следующими основными параметрами:
- яркость (интенсивность светового потока);
- напряжение (тип используемого напряжения);
- сила тока;
- длина волны и цветовая характеристика.
Сравнение конструктивных особенностей обычных и мощных диодов
Яркость
Яркость воспринимается зрительными ощущениями, поскольку освещённость предмета на сетчатке глаза пропорциональна его яркости. Складывается она из нескольких параметров. называется Световой поток это количество световой энергии. Единица измерения люмен.
Единицей силы света является один люмен на стерадиан, также измеряемый в канделах: 1 cd. Измеряется яркость в милликанделах. Различают яркие (20 – 50 мкд.) и сверх яркие (20000 мкд. и выше) светодиоды белого свечения. Светодиодная яркость пропорциональна величине протекающего через него тока, т. е. чем выше напряжение, тем больше яркость.
Рекомендуем Вам также более подробно прочитать про возможности и область применения диммеров.
Напряжение
Напряжение, необходимое для работы светодиода, это не напряжение питания, а величина падения напряжения на светодиоде. Колебания напряжения питания вызывает перегорание светодиода. Напряжение напрямую зависит от цвета.
Для нормальной работы при подключении светодиода необходимо правильно отследить ток, а не напряжение.
Сила тока
Работает светодиод на постоянном или пульсирующем токе. Поднимая или снижая интенсивность можно варьировать яркость свечения. Рабочий ток индикаторных светодиодов 20 – 40 мА. Сила тока осветительных элементов составляет от 20 мА. СОВ (на 4 чипа), например, рассчитаны на 80 мА. Одноваттные светодиоды потребляют приблизительно 300-400 мА.
Длина волны и цветовая характеристика
Излучаемый диодом цвет зависит от длины волны светового излучения. Измеряется она нанометрами (0.000000001 метра). Монохроматическое (одночастотное) излучение связано с длиной волны, перемещающейся внутри. Границы длины волны соотносятся с основными цветами определенным образом.
Цвет излучения светодиода меняется при внесении в полупроводниковый материал активных веществ. Для получения светодиодов красного цвета в качестве полупроводников используется алюминий индий – галлий (AllnGaP), для цветов сине – голубого и зеленого спектра – индий – нитрид галлия (InGaN).Чтобы получить, например, белый свет, кристалл синего светодиода покрывают тонким слоем люминофора, который излучает жёлтый и красный свет под действием синего спектра.
В результате смешивания цветов получается белый свет. Белые светодиоды определяются цветовой температурой, измеряемой в К.
Рекомендуем Вам также ознакомиться с тем, как работает датчик движения.
Лампы с диодами могут быть разных цветов
Светодиодная плата
Плата предназначена для крепления светодиодов в любом необходимом количестве и положении. Форма платы бывает:
- прямоугольная;
- линейка;
- круглая;
- квадратная;
- звездчатая
- произвольная.
Светодиодная плата изготавливается из диэлектрического материала. Основной функцией ее является теплоотвод.
Виды плат:
- металлические (односторонние, двухсторонние и многослойные);
- изолированные металлические подложки (односторонние, двухсторонние и многослойные, жестко – гибкие).
Платы, изготовленные из алюминия, не нуждаются в вентиляторах для принудительного охлаждения. Все элементы конструкции обретают более продолжительный срок службы за счет отсутствия перегрева.
Дополнительную информацию об история возникновения и принципах функционирования светодиодных элементов смотрите на видео:
Светодиоды это один из новейших источников освещения, имеет широкий спектр применения и большие перспективы. Благодаря соотношению всех параметров светодиодный тип освещения может стать ведущим среди множества осветительных приборов и разнообразных источников света.
Источник: https://finelighting.ru/svetilniki/lampy/svetodiodnye/vidy-principy-raboty.html
Полупроводниковый диод: применение, принцип работы, типы
Для контроля направления электрического тока необходимо применять разные радио и электро детали. В частности, современная электроника использует с такой целью полупроводниковый диод, его применение обеспечивает ровный ток.
Устройство
Полупроводниковый электрический диод или диодный вентиль – это устройство, которое выполнено из полупроводниковых материалов (как правило, из кремния) и работает только с односторонним потоком заряженных частиц. Основным компонентом является кристаллическая часть, с p-n переходом, которая подключена к двум электрическими контактами. Трубки вакуумного диода имеют два электрода: пластину (анод) и нагретый катод.
Фото — полупроводниковый диод
Для создания полупроводниковых диодов используются германий и селен, как и более 100 лет назад. Их структура позволяет использовать детали для улучшения электронных схем, преобразования переменного и постоянного тока в однонаправленный пульсирующий и для совершенствования разных устройств. На схеме он выглядит так:
Фото — обозначение диода
Существуют разные виды полупроводниковых диодов, их классификация зависит от материала, принципа работы и области использования: стабилитроны, импульсные, сплавные, точечные, варикапы, лазер и прочие типы. Довольно часто используются аналоги мостов – это плоскостной и поликристаллический выпрямители. Их сообщение также производится при помощи двух контактов.
Основные преимущества полупроводникового диода:
- Полная взаимозаменяемость;
- Отличные пропускные параметры;
- Доступность. Их можно купить в любом магазине электро-товаров или снять бесплатно со старых схем. Цена начинается от 50 рублей. В наших магазинах представлены как отечественные марки (КД102, КД103, и т. д.), так и зарубежные.
Маркировка
Маркировка полупроводникового диода представляет собой аббревиатуру от основных параметров устройства. Например, КД196В – кремниевый диод с напряжением пробоя до 0,3 В, напряжением 9,6, модель третьей разработки.
Исходя из этого:
- Первая буква определяет материал, из которого изготовлен прибор;
- Наименование устройства;
- Цифра, определяющая назначение;
- Напряжение прибора;
- Число, которое определяет прочие параметры (зависит от типа детали).
применение диодов
Принцип работы
Полупроводниковые или выпрямительные диоды имеют довольно простой принцип работы. Как мы уже говорили, диод изготовлен из кремния таким образом, что один его конец p-типа, а другой конец типа n. Это означает, что оба контакта имеют различные характеристики.
На одном наблюдается избыток электронов, в то время как другой имеет избыток отверстий. Естественно, в устройстве есть участок, в котором все электроны заполняют определенные пробелы. Это означает, что внешние заряды отсутствуют.
В связи с тем, что эта область обедняется носителями заряда и известна как объединяющий участок.
Фото — принцип работы
Несмотря на то, что объединяющий участок очень мал, (часто его размер составляет несколько тысячных долей миллиметра), ток не может протекать в нем в обычном режиме.
Если напряжение подается так, что площадь типа p становится положительной, а тип n, соответственно, отрицательной, отверстия переходят к отрицательному полюсу и помогают электронам перейти через объединяющий участок. Точно так же электроны движутся к положительному контакту и как бы обходят объединительный.
Несмотря на то, что все частицы движутся с разным зарядом в разном направлении, в итоге они образуют однонаправленный ток, что помогает выпрямить сигнал и предупредить скачки напряжения на контактах диода.
Если напряжение прикладывается к полупроводниковому диоду в противоположном направлении, ток не будет проходить по нему. Причина заключается в том, что отверстия привлекаются отрицательным потенциалом, который находится в области р-типа. Аналогично электроны притягиваются к положительному потенциалу, который применяется к области n-типа. Это заставляет объединяющий участок увеличиваться в размере, из-за чего поток направленных частиц становится невозможным.
Фото — характеристики полупроводников
ВАХ-характеристики
Вольт амперная характеристика полупроводникового диода зависит от материала, из которого он изготовлен и некоторых параметров. Например, идеальный полупроводниковый выпрямитель или диод имеет следующие параметры:
- Сопротивление при прямом подключении – 0 Ом;
- Тепловой потенциал – VG = +-0,1 В.;
- На прямом участке RD > rD, т. е. прямое сопротивление больше, чем дифференциальное.
Если все параметры соответствуют, то получается такой график:
Фото — ВАХ идеального диода
Такой диод использует цифровая электротехника, лазерная индустрия, также его применяют при разработке медицинского оборудования. Он необходим при высоких требованиях к логическим функциям. Примеры – лазерный диод, фотодиод.
На практике, эти параметры очень отличаются от реальных. Многие приборы просто не способны работать с такой высокой точностью, либо такие требования не нужны. Эквивалентная схема характеристики реального полупроводника демонстрирует, что у него есть серьезные недостатки:
Фото — ВАХ в реальном полупроводниковом диоде
Данная ВАХ полупроводникового диода говорит о том, что во время прямого включения, контакты должны достигнуть максимального напряжения. Тогда полупроводник откроется для пропуска электронных заряженных частиц.
Эти свойства также демонстрируют, что ток будет протекать нормально и без перебоев. Но до момента достижения соответствия всех параметров, диод не проводит ток. При этом у кремниевого выпрямителя вольтаж варьируется в пределах 0,7, а у германиевого – 0,3 Вольт.
Работа прибора очень зависит от уровня максимального прямого тока, который может пройти через диод. На схеме он определяется ID_MAX.
Прибора так устроен, что во время включения прямым путем, он может выдержать только электрический ток ограниченной силы. В противном случае, выпрямитель перегреется и перегорит, как самый обычный светодиод.
Для контроля температуры используются разные виды устройств. Естественно, некоторые из них влияют на проводимость, но зато продлевают работоспособность диода.
Еще одним недостатком является то, что при пропуске переменного тока, диод не является идеальным изолирующим устройством. Он работает только в одном направлении, но всегда нужно учитывать ток утечки. Его формула зависит от остальных параметров используемого диода. Чаще всего схемы его обозначают, как IOP. Исследование независимых экспертов установило, что германиевые пропускают до 200 µА, а кремниевые до 30 µА. При этом многие импортные модели ограничиваются утечкой в 0.5 µА.
Фото — отечественные диоды
Все разновидности диодов поддаются напряжению пробой. Это свойство сети, которое характеризуется ограниченным напряжением. Любой стабилизирующий прибор должен его выдерживать (стабилитрон, транзистор, тиристор, диодный мост и конденсатор).
Когда внешняя разница потенциалов контактов выпрямительного полупроводникового диода значительно выше ограниченного напряжения, то диод становится проводником, в одну секунду снижая сопротивление до минимума.
Назначение устройства не позволяет ему делать такие резкие скачки, иначе это исказить ВАХ.
Источник: https://www.asutpp.ru/poluprovodnikovyj-diod.html
