Что называется прямым и обратным напряжением диода

Что называется прямым и обратным напряжением диода

Свойство полупроводника p-n типа, проводить электрический ток в одном направлении и не проводить в обратном направлении, нашло применение в электронном приборе под названием “Диод”.

На рисунке 1 показано прямое включение диода при котором диод проводит электрический ток, а на рисунке 2 обратное включение диода при котором диод не проводит электрический ток. Так ведет себя диод включенный в цепь постоянного тока. Токи и соответствующие им напряжения называются прямым током (при включении диода в проводящем направлении) и соответствующее ему напряжение – прямое напряжение. При обратном включении токи и напряжения соответственно называются обратным током и обратным напряжением.

На графике вольт – амперная характеристика выглядит как показано на рисунке. Так как диоды применяются в различных областях радио и электроники то основными параметрами диодов являются прямой Iпр ток и соответствующее ему прямое напряжение Uпр, допустимое обратное напряжение Uобр и соответствующий ему обратный ток Iобр.
Основное назначение диодов, это преобразование переменного тока в постоянный. Рассмотрим как, например, получить постоянный ток из переменного для питания радиоприемника.

Понижающий трансформатор (см. рисунок) преобразует переменное напряжение 220V осветительной сети в низкое 6V переменное напряжение (график 1). Так как диод пропускает ток только в одном направлении то после диода мы получим пульсирующее напряжение только с положительными полуволнами (График 2).
Для того, чтобы получить постоянное напряжение необходимо на выходе выпрямителя включить конденсатор.

При прохождении через диод положительной полуволны переменного тока конденсатор заряжается, в момент отрицательной полуволны переменного тока на выходе диода (точка А) напряжение отсутствует, но так как конденсатор заряжен то на его выводах присутствует постоянное напряжение. Конденсатор постепенно разряжается на нагрузку, в следующий положительный полупериод процесс повторяется, а график напряжения на выходе выпрямителя (точка А) выглядит так как показано на рисунке.
Мы видим, что на выходе выпрямителя присутствует не идеальное постоянное напряжение, а постоянное напряжение с небольшими пульсациями. Пульсации тем меньше, чем больше емкость конденсатора. Обычно в выпрямителях применяют электролитические конденсаторы большой емкости (от 1000 мкф и более). Еще больше сгладить пульсации можно если применить П образный фильтр (о котором мы говорили в теме “Индуктивности”) состоящий из 2 конденсаторов С1 и С2 и дросселя L1.

Еще одно важное применение диодов, это детектирование сигналов. Когда мы изучали тему “Колебательный контур” то говорили, что выделенный колебательным контуром высокочастотный сигнал радиостанции подается на детектор чтобы преобразовать сигнал радиостанции в сигнал звуковой частоты. В эфире хорошо распространяются только высокочастотные сигналы. Высокочастотные сигналы радиостанций модулируются сигналами низкой (НЧ) (звуковой) частоты. Рассмотрим сигнал модулированный по амплитуде. Такой сигнал называется “Амплитудно – Модулированным” – АМ.

Высокая (несущая частота) изменяется по амплитуде низкочастотным сигналом (огибающей). В отличие от НЧ сигнала, частота ВЧ сигнала не меняется со временем.
В детекторе, после диода, НЧ и ВЧ сигналы разделяются.

ВЧ сигнал практически без помех проходит через конденсатор С1 на землю, а НЧ – звуковой сигнал проходит на усилитель низкой частоты, где усиливается и подается на громкоговоритель. Для нормальной работы диода на выходе детектора должна быть включена нагрузка. В нашем случае это сопротивление Rн.

Назначение диодов, это не только выпрямление переменного тока и детектирование сигналов. Существуют, например, такие диоды, как стабилизаторы напряжения. Стабилизирующие диоды называются “стабилитроны”. Принцип работы таких диодов основан на пробое p-n перехода при подаче на диод обратного (когда диод не проводит электрического тока) напряжения.

При определенном напряжении (Uпр) p-n переход пробивается, обратный ток резко возрастает а напряжение на диоде остается неизменным (смотрите график). Схема включения стабилитрона показана на рисунке.

Ограничительный резистор Ro включен в цепи для того, чтобы на нем создавалось падение напряжения Ur равное разности между входным напряжением Uвх и выходным напряжением Uвых: Ur = Uвх – Uвых. Очевидно, что стабилизатор напряжения на стабилитроне не может отдавать большую мощность в нагрузку, поэтому такие стабилизаторы применяют как источник образцового напряжения для более мощных стабилизаторов, например на мощных транзисторах. При снятии напряжения со стабилитрона свойства его p-n перехода восстанавливаются.
В справочниках для стабилитронов указывается ток пробоя p-n перехода Iст и напряжение стабилизации Uст.

Так же к обширному классу диодов относятся светоизлучающие диоды которые при прохождении через них небольшого прямого тока излучают световые волны (от инфракрасного излучения до фиолетового).

Используются светодиоды, в основном, как экономичные индикаторы в различных бытовых и промышленных приборах, а так же в пультах дистанционного управления (инфракрасные) для различной электронной аппаратуры (телевизоры, музыкальные центры и т.д.).
Итак, мы знаем, что применение диодов в радиоэлектронной аппаратуре очень разнообразно, это выпрямление переменного тока, детектирование сигналов, стабилизация напряжения, световые индикаторы и так далее. На рисунке показаны наиболее распространенные типы диодов.

Устройство и принцип работы диода при прямом и обратном включении

Диоды – самые простые полупроводники с двумя электродами, проводящие ток в одном направлении.

Они способны стабилизировать, выпрямлять, модулировать, ограничивать, преобразовать ток, поэтому установлены почти во всех бытовых электроприборах.

Основные характеристики диода: постоянный прямой и обратный электроток, прямое и обратное напряжение, прямое и обратное сопротивление, их максимально допустимые значения.

При монтаже в любом устройстве учитываются максимально допустимые значения параметров.

Устройство

В корпус, изготовленный в виде вакуумного баллона из керамики, стекла или металла, устанавливается:

  • кристалл;
  • анод;
  • катод;
  • подогреватель.

Кристаллы производятся из кремния или германия. Анод (плюс) и катод (минус) цилиндрической формы, помещаются внутри баллона. Подогреватель – нить внутри катода, которая раскаляется при подаче электротока, нагревая его. После достижения определенного уровня температуры активный слой на катоде генерирует нужные для работы электроны.

Сферы применения и назначение

По выполняемой работе диоды разделяются на универсальные, СВЧ, импульсные, выпрямительные, переключающие, стабилитроны, варикапы.

Они устанавливаются в электрооборудование:

  • преобразователи частоты, детекторы, логарифматоры;
  • выпрямители тока;
  • стабилизаторы;
  • ограничители колебаний вольтажа;
  • переключатели;
  • цепи, проводящие ток в единственном направлении;
  • лампочки индикации;
  • приборы, требующие отображения информации на дисплеях;
  • LED телевизоры.

Справка! Светодиоды монтируется в осветительные матрицы (ленты, лампы).

Работа диода и его вольт амперная характеристика

По конструкции диод является кристаллом с двумя областями, обладающими различной проводимостью (p и n). Область с p-проводимостью анод (+), с n-проводимостью – катод (-). В аноде заряд в дырках, в катоде – в электронах. Кристалл покрыт металлом с выводами.

Строение определяет 2 положения:

  • открытое;
  • закрытое.

В открытом положении проводимость электротока хорошая, в закрытом – очень плохая.

Вольт-амперной характеристикой называется график. На вертикальной оси отражается основной и противоположный ток, на горизонтальной – основной и противоположный вольтаж.

Прямой электроток повышается быстро параллельно увеличению вольтажа. Противоположный ток увеличивается медленнее.

При слишком большом прямом электротоке молекулы кристалла нагреваются. Если нет системы охлаждения, существует вероятность разрушения кристаллической решетки. В схемах прямой поток ограничивается резистором, подключенным последовательно.

Справка! От электротока прямое напряжение не зависит. Для кремневых полупроводников оно не превышает 1,5 В, для изделий из германия – 1 В.

Прямое включение диода

Диод открывается после подключения напряжения, параметры основного тока зависят от характеристик кристалла и вольтажа. Из n-области в p-область устремляются электроны, из p-области в n-область – дырки. Частицы встречаются на границе (p-n переходе), запускается процесс поглощения (рекомбинации), сопротивление и вольтаж снижаются.

Вокруг p-n образуется поле, которое направляется в противоположную сторону. Электроны перемещаются и возвращаются, появляется дрейфующий ток с неизменными параметрами, зависящими только от количества заряженных частиц. Одновременно растет обратное напряжение, переходя в стадию насыщения.

Основной ток увеличивается стремительнее при повышении температуры во время работы прибора.

Обратное включение диода

Если плюс блока питания присоединяется к минусу полупроводника, а минус – к плюсу, работа диода прекращается (он закрывается). Заряженные частицы начинают отдаляться от области p-n, она расширяется, повышается сопротивление

При увеличении обратного напряжения до 100 В растет электроток в противоположном направлении. Рост резко увеличивается, если вольтаж превышает максимально допустимый для границы p-n. Обратный ток нагревает кристалл в диоде, переход пробивается, нормальная работа прибора прекращается. После выключения напряжения рядом с полюсами образуется диффузия.

Внимание! Во время нормальной работы противоположный электроток небольшой, поэтому им пренебрегают, считая полупроводниковый диод элементом с односторонней проводимостью.

Прямое и обратное напряжение

Во время работы (в открытом состоянии) в диоде основное напряжение, от его величины зависит сопротивление и величина электротока. В процессе закрывания через полупроводник проходит ток в противоположном направлении, создается напряжение, способствующее росту сопротивления до нескольких тысяч кОм.

Если работа полупроводника проходит на переменном напряжении, он открывается на плюсовой полуволне и закрывается на минусовой. Это свойство позволяет использовать полупроводники в выпрямителях.

Основные неисправности диодов

Внимание! Если диодные полупроводники перестали работать, сначала необходимо выяснить, не закончился ли срок их эксплуатации.

Если это не так, неисправность вызвала другая причина:

  • нарушение герметичности;
  • разрыв перехода, превративший прибор в изолятор:
  • тепловой пробой;
  • электрический пробой:
  • туннельный;
  • лавинный.

При нарушении герметичности возникает протечка, мешающая нормальному функционированию.

Пробой p-n перехода

Пробоем называют увеличение электротока в противоположном направлении после достижении во время работы показателя обратного напряжения, являющегося максимально допустимым для прибора. Если он превышается, противоположный поток электротока резко увеличивается при незначительном изменении вольтажа. После обрыва перехода направление потока всего одно, полупроводник превращается в проводник.

Определить эту неисправность можно при помощи мультиметра, определяющего сопротивление и подающего сигнал при прохождении электротока.

Электрический пробой

Электрический туннельный или лавинный пробой можно устранить, если вовремя принять необходимые меры.

Причина электрического пробоя – сильный электроток в переходе или перегрев при отсутствии отвода тепла.

Туннельный пробой образуется, если во время работы на диод подается слишком высокое напряжение. Растет значение противоположного электротока, вольтаж снижается, электроны проходят через барьер, если его высота меньше их энергии.

Эту неисправность может вызвать:

  • слишком маленькая толщина области p-n (меньше длины пробега электрона);
  • обратный ток насыщения более 108 В/м;
  • наличие свободных мест в области дырок, в которую переходят электроны.

Лавинный пробой – увеличение во время работы противоположного электротока при небольшом увеличении вольтажа. Причина образования – повышение ионизации в p-n области, вызывающее увеличение количества частиц, носящих заряд. Электроны теряют свои обычные характеристики.

Важно! Пробои туннельного и лавинного типа обратимы, так как не повреждают полупроводник (при своевременном уменьшении вольтажа свойства сохраняются).

Тепловой пробой

Эту неисправность чаще всего вызывает недостаточный отвод тепла, способствующего перегреву перехода во время работы.

  • в кристалле растет амплитуда колебаний атомов;
  • электроны взаимодействуют с проводимой областью;
  • быстро повышается температура;
  • запускается процесс изменения структуры кристалла.

Полупроводник разрушается, причем процесс необратимый.

Основные выводы

Полупроводниковые диоды – радиоэлементы с единственным p-n переходом, присутствующие практически во всех бытовых электроприборах. Чтобы работа полупроводников длилась дольше, необходимо обладать знаниями о принципе работы диодов, причинах неисправностей и способах их предотвращения.

Чаще всего работа полупроводников нарушается при изменениях температуры в окружающей среде или переходе. Если температура слишком высокая, увеличивается количество энергоносителей в переходе, снижается сопротивление, растет объем противоположного тока. После достижения максимально допустимого уровня запускается процесс разрушения кристалла.

Чтобы предотвратить сокращение сроков работы, необходимо следить за температурой среды и чистотой приборов. При необходимости следует организовать дополнительную систему отвода тепла. Повышение температуры в переходе предотвращается соблюдением требований к уровню вольтажа и тока, определенному для конкретного прибора. Даже при малейшем превышении существует вероятность разрушения кристалла.

Что называется прямым и обратным напряжением диода

Введение в диоды и выпрямители

Диод – это электрическое устройство, которое позволяет току проходить через него в одном направлении с гораздо большей легкостью, чем в другом.

Наиболее распространенным типом диодов в современной схемотехнике является полупроводниковый диод, хотя существуют и другие диодные технологии. Условное обозначение полупроводниковых диодов на электрических схемах показано на рисунке ниже.

Термин «диод» обычно используется для небольших сигнальных устройств, I ≤ 1 А. Термин выпрямитель используется для мощных устройств, I > 1 А.

Условное графическое обозначение полупроводникового диода по ГОСТуЕще одно условное обозначение полупроводникового диода: стрелки показывают направление движения потока электронов

Если поместить диод в простую цепь между батареей и лампой, он либо разрешит, либо запретит протекание тока через лампу, в зависимости от полярности приложенного напряжения (рисунок ниже).

Работа диода: (a) Протекание тока допускается; диод смещен в прямом направлении. (b) Протекание тока запрещено; диод смещен в обратном направлении.

Когда полярность батареи такова, что электроны могут протекать через диод, то говорится, что на диод подано прямое смещение. И наоборот, когда батарея подключена «наоборот», и диод блокирует протекание тока, говорится, что на диод подано обратное смещение.

Диод может рассматриваться как выключатель: «замкнут» при прямом смещении и «разомкнут» при обратном смещении.

Как ни странно, направление «стрелки» на условном обозначении диода указывает в сторону, противоположную направлению потока электронов.

Это так потому, что условное обозначение было придумано инженерами, которые в основном используют традиционное обозначение тока на своих схемах, показывающее электрический ток, как поток зарядов от положительной (+) стороны источника напряжения к отрицательной (-) стороне.

Это соглашение справедливо для всех условных обозначений полупроводниковых приборов, обладающих «стрелками»: стрелка указывает в направлении, разрешенном для обычного тока, и противоположном направлению, разрешенному для потока электронов.

Поведение диода аналогично поведению гидравлического устройства, называемого обратным клапаном. Обратный клапан позволяет протекать потоку жидкости через него только в одном направлении (рисунок ниже).

Аналогия с гидравлическим обратным клапаном: (a) Поток электронов разрешен. (b) Поток электронов запрещен.

Обратные клапаны являются устройствами, управляемыми давлением: они открыты и разрешают поток, если давление через них имеет «полярность», правильную для открытия затвора (в показанной аналогии давление жидкости справа должно быть выше, чем слева).

Если давление соответствует противоположной «полярности», разница давлений через обратный клапан закроет и будет удерживать затвор так, что не будет никакого потока.

Как и обратные клапаны, диоды являются устройствами, управляемыми «давлением» (напряжением). Основная разница между прямым и обратным смещениями заключается полярности напряжения, падающего на диоде. Давайте подробнее рассмотрим показанную ранее простую схему, состоящую из батареи, диода и лампы. На этот раз изучив падения напряжения на различных компонентах (рисунок ниже).

Измерение напряжений на схеме с диодом: (a) Прямое смещение. (b) Обратное смещение.

Диод, смещенный в прямом направлении, проводит ток, и на нем падает небольшое напряжение, оставляя большую часть напряжения батареи на лампе. Если полярность батареи изменить, то на диод будет подано обратное смещение, и на нем будет падать всё напряжение батареи, не оставляя ничего для лампы.

Если мы рассмотрим диод как самостоятельный выключатель (замкнут в режиме прямого смещения и разомкнут в режиме обратного смещения), это поведение обретает смысл.

Наиболее существенная отличие от выключателя заключается в том, что в режиме пропускания тока на диоде падает гораздо большее напряжение по сравнению с обычным механическим выключателем (0,7 вольта против десятков милливольт).

Это падение напряжения при прямом смещении, демонстрируемое диодом, обусловлено действием обедненной области, образованной P-N переходом под действием приложенного напряжения. Если к полупроводниковому диоду не приложено никакое напряжение, существует тонкая обедненная область вокруг области P-N перехода, предотвращающая протекание тока (рисунок ниже (a)). Обедненная область почти лишена носителей заряда и действует как диэлектрик:

Представления диода: модель PN-перехода, условное обозначение, реальная радиодеталь

Условное обозначение диода показано на рисунке выше (b) таким образом, что анод (указывающий конец) соответствует полупроводнику P-типа на (a). Полоса катода, не указывающий конец, на (b) соответствует материалу N-типа на (a). Также отметим, что полоса на реальном компоненте (c) соответствует катоду на условном обозначении.

Если на P-N переход подается напряжение обратного смещения, это расширяет обедненную область, увеличивая сопротивление протеканию тока через диод (рисунок ниже).

Обедненная область расширяется при обратном смещении

И наоборот, если на P-N переход подано напряжение прямого смещения, обедненная область разрушается, становясь тоньше. Диод оказывает меньшее сопротивление протеканию через него тока. Для устойчивого протекания тока через диод, обедненная область в нем должна быть полностью разрушена приложенным напряжением. Для этого необходимо определенное минимальное напряжение, называемое прямым напряжением, как показано на рисунке ниже.

Увеличение прямого смещения от (a) до (b) уменьшает толщину обедненной области

Для кремниевых диодов типовое значение прямого напряжения составляет 0,7 вольта. Для германиевых диодов прямое напряжение составляет всего 0,3 вольта. На номинальное значение прямого напряжение диода влияет химический состав его P-N перехода, поэтому кремниевые и германиевые диоды обладают такими разными значениями прямого напряжения.

Прямое падение напряжения остается приблизительно постоянным в широком диапазоне токов, протекающих через диод, а это означает, что падение напряжения на диоде не похоже на падение напряжения на резисторе или даже обычном (замкнутом) выключателе.

Для наиболее упрощенного анализа схемы падение напряжения на диоде в режиме пропускания тока можно считать постоянным, равным номинальному значению и не связанным с величиной тока.

На самом деле, прямое падение напряжения является более сложным. Уравнение, приведенное ниже, описывает точный ток через диод, учитывая падение напряжения на переходе, температуру перехода и несколько физических констант. Это уравнение наиболее известно, как уравнение Шокли для диода:

  • ID – ток, проходящий через диод, в амперах;
  • IS – ток насыщения диода, в амперах;
  • e – постоянная Эйлера (

2,718281828);

  • q – заряд электрона (1,6 × 10-19 кулона);
  • VD – напряжение на диоде, в вольтах;
  • N – коэффициент «неидеальности» или «эмиссии» (обычно равен от 1 до 2);
  • k – постоянная Больцмана (1,38 × 10-23);
  • T – температура перехода в Кельвинах.
  • Значение kT/q описывает напряжение, создаваемое внутри P-N перехода из-за воздействия температуры и называемое тепловым напряжением, или Vt, перехода. При комнатной температуре оно составляет примерно 26 милливольт. Зная это, и предполагая, что коэффициент «неидеальности» равен 1, мы можем упростить уравнение Шокли для диода и переписать его так:

    • ID – ток, проходящий через диод, в амперах;
    • IS – ток насыщения диода, в амперах;
    • e – постоянная Эйлера (

    2,718281828);

  • VD – напряжение на диоде, в вольтах.
  • Для анализа простых схем с диодами вам не нужно знать уравнение Шокли для диода. Просто знайте, что падение напряжение на диоде в режиме пропускания тока изменятеся с величиной протекающего через диод тока, но это изменение достаточно мало в широком диапазоне значений тока.

    Именно поэтому многие учебники просто говорят, что падение напряжение на полупроводниковом диоде в режиме пропускания тока остается постоянным на уровне 0,7 вольта для кремниевых диодов и 0,3 вольта для германиевых диодов. Тем не менее, некоторые схемы намеренно используют свойственную P-N переходу экспоненциальную зависимость тока от напряжения и, таким образом, могут быть поняты только в контексте данного уравнения.

    Кроме того, поскольку температура является одной из составляющих уравнения Шокли для диода, P-N переход с прямым смещением может быть также использован в качестве устройства, чувствительного к температуре, работа которого может быть понята только при понимании идеи этой математической связи.

    Диод с обратным смещением предотвращает протекание через него тока, из-за расширенной обедненной области. В действительности, небольшой ток всё-таки может пройти и проходит через диод с обратным смещением. Данный ток называется током утечки и может быть проигнорирован в большинстве случаев.

    Возможность диода выдерживать напряжения обратного смещения ограничено, как у любого диэлектрика. Если приложенное напряжение обратного смещения становится слишком большим, диод будет испытывать состояние, известное как пробой (рисунок ниже), которое обычно для диода разрушительно.

    Значение максимального напряжения обратного смещения известно как максимальное обратное напряжение и может быть получено из данных, предоставляемых производителем.

    Как и прямое напряжение, значение максимального обратного напряжения диода зависит от температуры; только отличие заключается в том, что максимальное обратное напряжение увеличивается с увеличением температуры и уменьшается при охлаждении диода – поведение, в точности противоположное поведению прямого напряжения.

    Вольт-амперная характеристика диода, показывающая изгиб при 0,7 В прямого смещения для Si и пробой при обратном смещении.

    Как правило, значение максимального обратного напряжения типового выпрямительного диода составляет не менее 50 вольт при комнатной температуре. Диоды со значениями максимального обратного напряжения в тысячи вольт также доступны.

    Подведем итоги

    • Диод представляет собой электрический компонент, действующий для тока, как односторонний клапан.
    • Прикладывание к диоду напряжения таким образом, что диод начинает пропускать ток, называется прямым смещением.
    • Прикладывание к диоду напряжения таким образом, что диод перестает пропускать ток, называется обратным смещением.
    • Падение напряжение на проводящем диоде с прямым смещением называется прямым напряжением. Прямое напряжение диода лишь в незначительной степени зависит от изменений прямого тока и температуры и фиксируется с помощью химического состава P-N перехода.
    • Кремниевые диоды имеют прямое напряжение около 0,7 вольт.
    • Германиевые диоды имеют прямое напряжение около 0,3 вольт.
    • Максимальное напряжение обратного смещения, которое диод може выдержать без «разрушения», называется максимальным обратным напряжением.
    • Introduction to Diodes And Rectifiers

    ДиодОбучениеЭлектроника

    Что называется прямым и обратным напряжением диода

    Ознакомиться с основными фотометрическими величинами; ознакомиться с принципом работы фотометра; проверить выполнение закона Ламберта для источника света

    Общие сведения

    Полупроводниковые диоды и стабилитроны

    Выпрямительные диоды и стабилитроны представляют собой полупроводниковые приборы с одним электронно-дырочным переходом (p–n-переходом).

    Одним из свойств p–n-перехода является способность изменять свое сопротивление в зависимости от полярности напряжения внешнего источника. Причем разница сопротивлений при прямом и обратном направлениях тока через p–n-переход может быть настолько велика, что в ряде случаев, например для силовых диодов, можно считать, что ток протекает через диод только в одном направлении – прямом, а в обратном направлении ток настолько мал, что им можно пренебречь. Прямое направление – это когда электрическое поле внешнего источника направлено навстречу электрическому полю p–n- перехода, а обратное – когда направления этих электрических полей совпадают. Полупроводниковые диоды, использующие вентильное свойство p–n-перехода, называются выпрямительными диодами и широко используются в различных устройствах для выпрямления переменного тока.

    Вольт-амперная характеристика (ВАХ) идеализированного p–n-перехода описывается известным уравнением

    где (I_0) – обратный ток p–n-перехода; (q) – заряд электрона (q=1,6cdot 10^<-19> Кл); (k) – постоянная Больцмана (k = 1,38⋅10^ <-23>Джcdot град); (T) – температура в градусах Кельвина.

    Графическое изображение этой зависимости представлено на рис. 1.1.

    Вольт-амперная характеристика имеет явно выраженную нелинейность, что предопределяет зависимость сопротивления диода от положения рабочей точки.

    Различают сопротивление статическое (R_<ст>) и динамическое (R_<дин>). Статическое сопротивление (R_<ст>), например в точке А (рис. 1.1), определяется как отношение напряжения (U_A) и тока (I_A), соответствующих этой точке: (R_ <ст>= frac = tg)

    Динамическое сопротивление определяется как отношение приращений напряжения и тока (рис. 1.1): (R_ <дин>= frac);

    При малых значениях отклонений (∆U) и (ΔI) можно пренебречь нелинейностью участка АВ характеристики и считать его гипотенузой прямоугольного треугольника АВС, тогда (R_ <дин>= tgβ).

    Если продолжить линейный участок прямой ветви вольт-амперной характеристики до пересечения с осью абсцисс, то получим точку (U_0) – напряжение отсечки, которое отделяет начальный пологий участок характеристики, где динамическое сопротивление (R_<дин>) сравнительно велико от круто изменяющегося участка, где (R_<дин>) мало.

    При протекании через диод прямого тока полупроводниковая структура нагревается, и если температура превысит при этом предельно допустимое значение, то произойдет разрушение кристаллической решетки полупроводника и диод выйдет из строя. Поэтому величина прямого тока диода ограничивается предельно допустимым значением (I_<пр.max>) при заданных условиях охлаждения.

    Если увеличивать напряжение, приложенное в обратном направлении к диоду, то сначала обратный ток будет изменяться незначительно, а затем при определенной величине (U_<проб>) начнется его быстрое увеличение (рис. 1.2), что говорит о наступлении пробоя p–n-перехода. Существуют несколько видов пробоя p–n-перехода в зависимости от концентрации примесей в полупроводнике, от ширины p–n-перехода и температуры:

    • обратимый (электрический пробой);
    • необратимые (тепловой и поверхностный пробои).

    Необратимый пробой для полупроводникового прибора является нерабочим и недопустимым режимом.

    Поэтому в паспортных данных диода всегда указывается предельно допустимое обратное напряжение (U_<проб>) (напряжение лавинообразования), соответствующее началу пробоя p–n-перехода. Обратное номинальное значение напряжения составляет обычно (0,5 U_<проб>) и определяет класс прибора по напряжению. Так, класс 1 соответствует 100 В обратного напряжения, класс 2 – 200 В и т. д.

    В некоторых случаях этот режим пробоя используют для получения круто нарастающего участка ВАХ, когда малому приращению напряжения (∆U) соответствует большое изменение тока (ΔI) (рис. 1.2). Диоды, работающие в таком режиме, называются стабилитронами, т. к. в рабочем диапазоне при изменении обратного тока от (i_<обр. min>) до (i_<обр. max>) напряжение на диоде остается почти неизменным, стабильным. Поэтому для стабилитронов рабочим является участок пробоя на обратной ветви ВАХ, а напряжение пробоя (напряжение стабилизации) является одним из основных параметров.

    Стабилитроны находят широкое применение в качестве источников опорного напряжения, в стабилизаторах напряжения, в качестве ограничителей напряжения и др.

    Эксперимент

    Оборудование

    Оборудование, используемое в лабораторной работе: вритуальный лабораторный стенд, блок No 1 (схемы А1–А4); комбинированный прибор «Сура», мультиметры; соединительные провода.

    Порядок выполнения работы

    Изучить схемы включения полупроводниковых приборов А1–А4 (рис. 1.3–1.6) для снятия вольт-амперных характеристик ВАХ диода и стабилитрона.

    Ознакомиться с устройством лабораторного стенда, найти на стенде блок №1 и схемы А1–А4.

    Порядок выполнения задания №1 «Исследование полупроводникового диода»

    Экспериментальное получение прямой ветви ВАХ диода (I_ <пр>= f(U_<пр>)) с использованием схемы A1, представленной на рис. 1.3.
    1. Установить напряжение источника питания на 5 В
    2. Выставить значение потенциометра (R1) на максимум.
    3. Включить установку
    4. Внимательно изучить схему
  • После проверки схемы преподавателем включить сетевой тумблер.
  • Уменьшая значение потенциометра (R1), изменять прямое напряжение диода в пределах, указанных в табл. 1.1, фиксируя значения тока через каж- дые 0,1–0,05 В. Результаты измерений занести в табл. 1.1.
    Таблица 1.1
    (U_<пр>), В 0 0.1 0.2 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
    (I_<пр>), A
  • Выключить установку.
  • Экспериментальное получение обратной ветви ВАХ диода (I_ <обр>= f(U_<обр>)) с использованием схемы А2, представленной на рис. 1.4.
    1. Установить напряжение блока питания 30 В.
    2. Выставить значение потенциометра (R2) на максимум
    3. Внимательно изучить схему установки
  • Включить установку
  • Уменьшая значение потенциометра (R2), изменять обратное напряжение на диоде в пределах, указанных в табл. 1.2. Значения тока фиксировать через каждые 5 В. Результаты измерений занести в табл. 1.2.
    Таблица 1.2
    (U_<обр>), В 0 5 10 15 20 25 30
    (I_<обр>), A
  • Выключить установку.
  • По данным табл. 1.1 и 1.2 построить ВАХ диода.

    По ВАХ или таблицам определить:
    1. Статическое сопротивление диода в прямом включении (R_<ст.пр>=frac>>) при U пр = 0,4 В и U пр = 0,1 В.
    2. Динамическое сопротивление диода в прямом включении (R_<дин.пр>=frac>>) на начальном участке ВАХ ( U пр =0 В и U пр = 0,1 В ) и на участке насыщения ВАХ ( U пр = 0,4 В и U пр = 0,45 В ).
    3. Статическое сопротивление диода в обратном включении (R_<ст.обр>=frac>>) при U обр = 5 В и U обр = 25 В.
    4. Динамическое сопротивление диода в обратном включении (R_<дин.обр>=frac>>) на начальном участке ВАХ ( U пр =0 В и U пр = 5 В ) и на участке насыщения ВАХ ( U пр = 20 В и U пр = 25 В ).

    Порядок выполнения задания No2 «Исследование полупроводникового стабилитрона»

    Экспериментальное получение прямой ветви ВАХ стабилитрона (I_ <пр>= f(U_<пр>)) с использованием схемы A3, представленной на рис. 1.5.
    1. Установить напряжение источника питания на 5 В
    2. Выставить значение потенциометра (R5) на максимум.
    3. Включить установку
    4. Внимательно изучить схему
  • После проверки схемы преподавателем включить сетевой тумблер.
  • Уменьшая значение потенциометра (R5), изменять прямое напряжение стабилитрона в пределах, указанных в табл. 1.3, фиксируя значения тока через каж- дые 0,1 В. Результаты измерений занести в табл. 1.3.
    Таблица 1.3
    (U_<пр>), В 0 0.1 0.2 0.3 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
    (I_<пр>), A
  • Выключить установку.
  • Экспериментальное получение обратной ветви ВАХ стабилитрона (I_ <обр>= f(U_<обр>)) с использованием схемы А4, представленной на рис. 1.6.
    1. Установить напряжение блока питания 30 В.
    2. Выставить значение потенциометра (R7) на максимум
    3. Внимательно изучить схему установки
  • Включить установку
  • Уменьшая значение потенциометра (R7), изменять обратное напряжение на стабилитроне в пределах, указанных в табл. 1.4. Увеличить число фикси- руемых точек характеристики, начиная с 3 В. Для каждого значения напряжения изме- рить ток. Результаты измерений занести в табл. 1.4.
    Таблица 1.4
    (U_<обр>), В 0 1 2 3 3,5 4 4,5 5 5,2 5,4 5,6
    (I_<обр>), A
  • Выключить установку.
  • По данным табл. 1.3 и 1.4 построить ВАХ стабилитрона.

    Максимальная рассеиваемая мощность и обратное напряжение на диоде

    При использовании полупроводниковых приборов следует соблюдать осторожность и не допускать слишком больших напряжений или токов, которые могли бы испортить прибор. В этой статье мы рассмотрим некоторые факторы, лимитирующие максимальные напряжение и ток на примере диода.

    Полупроводниковый диод – один из самых важных и используемых электронных компонентов в электронике. Полупроводниковый диод является двухполюсником, содержащим один р—n переход.

    Выводы диода называются «анод» и «катод» (эти названия заимствованы у вакуумных диодов). Если анод положителен по отношению к катоду, то на диод подано прямое смещение , при этом через диод протекает прямой ток. При обратном смещении катод более положителен, чем анод . О братный ток при этом ограничен малым током насыщения.

    Подробно про диоды и их применение:

    Полупроводниковые диоды, используемые в компьютерной плате 1970-х годов (внизу справа и слева от синего конденсатора)

    Вольт-амперная характеристика германиевых и кремниевых диодов

    Напряжение смещения Vd считается положительным на аноде и отрицательным на катоде. Таким образом, диод находится под прямым смещением, когда анод положительный, а катод отрицательный по отношению к аноду. В обратном случае говорят об обратной поляризации.

    Ток, протекающий в диоде (Id), называется прямым, если он течет от анода к катоду (условное направление тока). Если диод смещен в обратном направлении, он не будет проводить ток, если напряжение не будет достаточно высоким, чтобы превысить напряжение пробоя.

    Напряжение прямого смещения варьируется в зависимости от материала, используемого в конструкции, оно составляет 0,2 В для германия (VsdGe) и 0,6 В для кремния (VsdSi).

    На приведенном выше графике, чтобы значения были удобочитаемыми, были приняты две разные шкалы: одна для первого квадранта декартовой плоскости, а другая – для третьего. Это связано с тем, что значение тока If обратной утечки чрезвычайно низкое, в то время как напряжение обратного пробоя VbSi и VbGe чрезвычайно велико.

    Диоды по своему применению обычно классифицируются в зависимости от того, какие из трех областей характеристики диода используются. Так, например, для переключения и выпрямления используется как прямая, так и обратная ветви характеристики диода. При этом, чтобы избежать нежелательного эффекта пробоя, следует выбирать диод с достаточно большим напряжением пробоя.

    В свою очередь, область обратного пробоя используется главным образом в источниках опорного напряжения. Диод в этом случае выбирается по величине обратного напряжения, при которой происходит пробой. Эффектом обратного пробоя можно пренебречь, за исключением тех случаев, в которых область обратного пробоя характеристики используется специально.

    Максимальная рассеиваемая мощность

    Основным недостатком любого элемента электрической схемы является его разогрев. В резистивных элементах рассеиваемая мощность переходит в тепло, которое увеличивает температуру элемента по сравнению с окружающей. Максимальная температура, которую может выдержать прибор, характеризует его способность отдавать выделившееся тепло в окружающую среду и определяет максимально допустимую мощность рассеяния для прибора.

    Максимальная температура прибора зависит от нескольких факторов: от изменения свойств полупроводника с температурой, плавления припоев, применяемых при изготовлении приборов, механического разрушения структуры вследствие неравных коэффициентов теплового расширения.

    В кремниевых приборах максимальная температура составляет около 200 °С, а для германиевых редко превышает 100 °С. Способность отдавать тепло зависит от конструкции прибора и от способа его крепления.

    Улучшение теплоотдачи достигается при монтаже приборов на ребристый теплоотвод и при применении принудительного воздушного или даже жидкостного охлаждения. Так или иначе, приборы и их арматура способны рассеивать определенную мощность без превышения максимально допустимой, температуры.

    Максимально допустимая мощность рассеяния ограничивает величину произведения тока на напряжение в приборе.

    Границы максимально допустимой мощности на плоскости напряжение — ток

    Если построим график соотношения на плоскости напряжение — ток, то получим гиперболы в первом и третьем квадрантах, определяющие границы допустимой мощности рассеяния в приборе. Бели рабочая точка диода пересекает эту границу и выходит из области безопасной работы, то прибор перегревается и его функционирование нарушается.

    Обратное напряжение на диоде

    В то время как максимальная рассеиваемая мощность устанавливает абсолютные пределы, за которыми происходят необратимые разрушения приборов, имеются другие явления (не обязательно разрушающие), которые приводят к значительным отклонениям характеристик диодов.

    Одно из таких явлений, называемое пробоем, при обратном напряжении, ограничивает обратное напряжение, которое может выдержать диод прежде, чем начнется сильное увеличение обратного тока.

    При увеличении обратного напряжения на диоде ток, достигнув значения обратного тока насыщения, остается постоянным, а электрическое поле в области объемного заряда растет. Увеличение напряженности электрического поля приводит к увеличению скорости подвижных носителей, пересекающих область объемного заряда и создающих обратный ток.

    В некоторый момент скорость носителей становится такой, что при соударении вырываются добавочные электроны из ковалентньгх связей в области объемного заряда, при этом возникают дырки и свободные электроны. Эти новые носители увеличивают обратный ток и могут в свою очередь при соударениях порождать дополнительные подвижные электроны и дырки.

    Этот процесс, называемый зенеровским пробоем или внутренней автоэлектронной эмиссией, приводит к тому же результату, что и лавинное размножение: быстрому увеличению обратного тока при превышении определенной величины обратного напряжения. Как правило, зенеровекий пробой преобладает в диодах, которые пробиваются при напряжениях ниже 6 В, а лавинное умножение преобладает в диодах, пробивное напряжение которых выше 6 В.

    Очевидно, что пробой сильно влияет на вольт-амперную характеристику диода. Так, если требуется, чтобы диод не пропускал обратного тока, следует выбирать прибор, обратное напряжение которого больше, чем напряжение в схеме, которое может быть подано на диод в обратном направлении.

    Хотя термин «пробой» подразумевает разрушение, на самом деле это не всегда так. Диод может работать в области пробоя и даже при напряжениях, значительно превышающих напряжение пробоя, без необратимых изменений, если только не превышается максимально допустимая мощность рассеяния.

    Полупроводниковые диоды трех разных типов в плате видеорегистратора. Обратите внимание на аббревиатуры, напечатанные на печатной плате с начальной буквой “D” для диода.

    Современные полупроводниковые диоды

    Силовые диоды в виде диодного моста для винтового монтажа (обратите внимание на отверстие под болт), подходящего для монтажа на радиаторе.

    Диоды Зенера (стабилитроны)

    В области пробоя ток через диод почти не зависит от напряжения. Простая линейная модель диода в области пробоя содержит только батарею, напряжение которой равно напряжению пробоя диода. Поэтому если в каком-то месте схемы требуется поддерживать постоянное напряжение, то можно использовать диод, работающий в области пробоя.

    Диоды, предназначенные для этого вида работы, называются опорными диодами, диодами Зенера или стабилитронами, хотя механизм пробоя в них может быть и зенеровским, и лавинным. Аналогично напряжение, при котором происходит пробой, часто называют зенеровским напряжением.

    Стабилитрон представляет собой полупроводниковый диод, который использует обратное смещение и напряжение пробоя в качестве опорного напряжения

    По сути, это стабилизатор напряжения. Стабилитрон диод чувствителен к температуре. Для напряжений стабилитрона ниже 5 вольт по мере увеличения температуры напряжение уменьшается, в то время как напряжения стабилитрона выше 6 вольт, когда температура увеличивается, напряжение стабилитрона увеличивается.

    Само собой разумеется, что диоды с напряжением около 5-6 В по своей природе более стабильны. Обычно номинальное напряжение измеряется при температуре 25 ° C.

    В поисках термостабильности, необходимой в некоторых приложениях, можно последовательно соединить стабилитроны различных типов с противоположными температурными коэффициентами, чтобы колебания напряжения компенсировали друг друга.

    Для этого можно использовать и обычные диоды в прямой поляризации, включенные последовательно с стабилитроном, при условии, что они имеют тепловой коэффициент, противоположный таковому у стабилитрона.

    Диоды Зенера могут быть соединены последовательно для получения более высоких напряжений. Результирующее напряжение будет суммой отдельных последовательно включенных стабилитронов. Очевидно, что невозможно подключить их параллельно (для увеличения управляемого тока), даже если они имеют одинаковое номинальное напряжение.

    Стабилитрон, установленный на алюминиевом радиаторе в электронном приборе 70-х годов

    Стабилитроны имеют напряжения пробоя от 2,4 до 200 В. Рядом с символом такого диода часто записывают напряжение пробоя. Изготовители указывают также минимальный обратный ток, при котором должен работать опорный диод, чтобы обеспечить наступление пробоя. Максимальный ток ограничивается максимально допустимой мощностью рассеяния.

    Любите умные гаджеты и DIY? Станьте специалистом в сфере Internet of Things и создайте сеть умных гаджетов!

    Записывайтесь в онлайн-университет от GeekBrains:

    Изучить C, механизмы отладки и программирования микроконтроллеров;

    Получить опыт работы с реальными проектами, в команде и самостоятельно;

    Получить удостоверение и сертификат, подтверждающие полученные знания.

    Starter box для первых экспериментов в подарок!

    После прохождения курса в вашем портфолио будет: метостанция с функцией часов и встроенной игрой, распределенная сеть устройств, устройства регулирования температуры (ПИД-регулятор), устройство контроля влажности воздуха, система умного полива растений, устройство контроля протечки воды.

    Вы получите диплом о профессиональной переподготовке и электронный сертификат, которые можно добавить в портфолио и показать работодателю.

    Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
    Добавить комментарий