Diodes zijn tegenwoordig een van de meest voorkomende halfgeleiderapparaten die in elektronische apparatuur worden gebruikt.
Ze zijn ook een van de meest verkeerd begrepen.
Diodes worden immers vaak "one-way gates" of "steal gates" genoemd als het over hun werking gaat.
Wanneer een diode wordt afgesneden van externe spanning, raken de elektronen erin gevangen en kunnen ze niet meer ontsnappen.
Als zodanig houdt dit de stroom vast die door dat specifieke deel van het circuit binnenin stroomt, zonder uitweg behalve via de tegenovergestelde terminal of het retourpad (dus de naam omzeilt de naam).
Wanneer diodes echter worden genoemd in combinatie met elektronica, kunnen ze verwarrend zijn.
Dit komt omdat veel mensen ze beschouwen als lineaire apparaten, terwijl ze in feite niet-lineair gedrag vertonen, waardoor ze veel veelzijdiger zijn dan alleen een simpele aan/uit-schakelaar.
Net zoals een muziekinstrument meerdere toepassingen heeft naast het spelen van noten, heeft een diode veel meer doelen dan alleen het in- en uitschakelen van elektrische stroom.
Laten we eens kijken hoe diodes werken, zodat u begrijpt hoe ze kunnen worden gebruikt en welke unieke eigenschappen ze hebben waardoor ze zulke nuttige elektronische schakelingen zijn.
Wat is een diode?
Diodes zijn eenrichtings elektrische shunts.
Een diode is een elektronisch gestuurde wisselschakelaar die ervoor zorgt dat de stroom slechts in één richting kan stromen onder bepaalde omstandigheden.
Wanneer stroom in slechts één richting door een diode stroomt, zijn de twee halfgeleider-"vingers" met elkaar verbonden.
Wanneer de stroom de andere kant op stroomt, zijn de twee vingers geïsoleerd van elkaar en vloeit er geen stroom.
Diodes zijn gemaakt van twee halfgeleidende materialen die meestal op een "sandwich" -manier zijn gerangschikt om te voorkomen dat elektronen in beide richtingen stromen.
Een kleine hoeveelheid stroom kan onder bepaalde omstandigheden zijn overtollige energie afvoeren als warmte, waardoor elektronen in de ene richting door de diode kunnen stromen, zelfs als de spanning over de diode veel hoger is dan de spanning die aan de andere kant wordt aangelegd.
Omdat het actieve gebied van de diode elektronen slechts in één richting laat stromen, terwijl het buitenste gebied ervoor zorgt dat ze niet terug kunnen stromen, wordt dit beschreven als een elektrische shunt in één richting.
Diodes hebben positieve en negatieve aansluitingen
De twee uiteinden van een diode zijn gelabeld met + en – om aan te geven dat deze geen interne polariteit heeft.
Wanneer een spanning wordt toegepast op de uiteinden van een diode, wordt dit kortsluiting of "negatief" testen genoemd.
Diodes zijn niet gepolariseerd zoals normale gepolariseerde elektrische bedrading - de uiteinden worden alleen gebruikt voor testen en het midden van de diode is neutraal ("geen polariteit") en is verbonden met circuitelementen.
In de elektronica is de positieve pool van een diode meestal de anode en de negatieve pool de kathode.
De conventie is echter niet in steen gebeiteld.
In sommige circuits is de negatieve pool de kathode en de positieve pool de anode.
Bijvoorbeeld in een LED-schakeling, de minpool is de kathode, maar in een batterijcircuit is de minpool de anode.
Er zijn veel soorten diodes
Er zijn veel verschillende soorten diodes beschikbaar voor gebruik in elektronica.
De meeste diodes zijn van de halfgeleidervariant, maar er zijn ook gelijkrichters, fotodiodes en transistors die functioneren als diodes.
Het selecteren van het juiste type diode voor een bepaald circuit is belangrijk om de gewenste resultaten te krijgen.
Enkele belangrijke typen diodes zijn: – Snelle gelijkrichters: deze diodes geleiden elektriciteit zeer snel, waardoor hoogfrequente toepassingen mogelijk zijn.
– Standaardgelijkrichters: deze diodes geleiden elektriciteit langzamer, waardoor laagfrequente toepassingen mogelijk zijn.
– Schottky Barrier Rectifiers: deze diodes hebben een ingebouwde Schottky-diode die voorkomt dat ze achteruit geleiden.
- Fotodiodes: deze apparaten zetten licht om in elektriciteit, waardoor ze nuttig zijn bij detectietoepassingen.
Diodes hebben verschillende spanningsdrempels, kenmerken en doorslagspanningen
Hoewel diodes elektrische shunts in één richting blijven, hebben ze doorgaans een zeer hoge doorslagspanning (meer dan 1 megavolt) en een doorslagspanningsdrempel (verminderde spanning die nodig is om de doorslag te starten), waardoor ze geschikt zijn voor bepaalde soorten toepassingen.
Deze drempelparameters zijn afhankelijk van het type diode dat wordt gebruikt en kunnen worden gewijzigd om verschillende soorten diodes te creëren.
Een snelle gelijkrichterdiode heeft bijvoorbeeld een doorslagspanningsdrempel van ongeveer 0.3 volt.
Dit betekent dat als de spanning over de diode lager is dan 0.3 volt, de diode niet gaat geleiden en de schakeling in de oorspronkelijke staat blijft.
Als het circuit meer stroom probeert te trekken en de spanning over het circuit wordt verhoogd, wordt de doorslagdrempel van de diode bereikt en begint de diode stroom in de tegenovergestelde richting te geleiden.
Diodes kunnen worden gebruikt in lineaire of niet-lineaire toepassingen
Een uniek kenmerk van diodes is dat ze kunnen worden gebruikt in lineaire of niet-lineaire toepassingen.
Bij gebruik in lineaire toepassingen wordt de diode als schakelaar gebruikt.
Met andere woorden, het geleidt stroom in één richting, afhankelijk van de spanning die op het circuit wordt toegepast.
Wanneer een spanning over een circuit wordt aangelegd, beginnen de elektronen door de diode te stromen en wordt het circuit van stroom voorzien.
De diode kan worden gezien als een "eenrichtingsschakelaar".
Wanneer het circuit wordt gevoed, geleidt de diode stroom, waardoor het circuit wordt ingeschakeld.
Als er geen spanning over het circuit staat, geleidt de diode niet en is het circuit uitgeschakeld.
In niet-lineaire toepassingen wordt de diode gebruikt om de amplitude of sterkte van een signaal te versterken of te vergroten.
Als een circuit bijvoorbeeld een laagfrequent signaal gebruikt om iets te regelen (zoals het in- of uitschakelen van een motor), kan het circuit zelf worden uitgeschakeld door het signaal.
Maar als het signaal hoog genoeg is (zoals een kiestoon van een telefoon of muziek van een radiostation), kan de diode worden gebruikt om het circuit te versterken en in te schakelen, zodat het kan worden bestuurd door het hogerfrequente signaal.
Hoe werken hoogspanningsdiodes?
Wanneer er een hoge spanning wordt aangelegd over a diode, het begint te geleiden.
Omdat de spanning echter te hoog is, kunnen de elektronen die in de diode vastzitten hun energie niet in voldoende hoeveelheden vrijgeven om uit hun opsluiting los te komen.
Als gevolg hiervan geleidt de diode een klein beetje, maar niet genoeg om het circuit van stroom te voorzien.
Wanneer een lage spanning wordt toegepast op de poorten van een paar transistoren die de spanning regelen die over een circuit wordt aangelegd (een laddercircuit genoemd), wordt het signaal ongereguleerd doorgelaten.
Als er echter te weinig spanning over het laddercircuit staat en de diodes niet genoeg stroom geleiden, wordt het signaal niet doorgelaten en wordt het circuit uitgeschakeld.
Dit kan worden gebruikt om eenvoudige circuits van stroom te voorzien en kan handig zijn voor sorteerders, computers en timers.
Hoe de spanningsdrempel voor een diode te berekenen
Stel, je sluit een diode aan op een 12 volt voedingsbron en je wilt weten of deze gaat geleiden (stroom leveren) bij een lage spanning.
De vergelijking voor het berekenen van de doorslagspanning (VOM) van een halfgeleiderapparaat is als volgt: In deze vergelijking is "VOH" de spanning over het apparaat wanneer het uitvalt, "VOHSC" is de drempelspanning van de diode wanneer deze geleidt, "I" is de stroom door de diode, "E" is de spanning van het elektrische veld over de diode en "n" is het aantal elektronen in de diode.
Om de spanningsdrempel van de diode te bepalen, moet u de doorslagspanning van de diode kennen.
U kunt deze waarde vinden door de bovenstaande vergelijking te gebruiken.
De doorslagspanning van een typische silicium pn-junctiediode is 1.5 volt.
Dit betekent dat wanneer de spanning over de diode 1.5 volt is, de diode doorslaat en stroom gaat geleiden.