Диоды являются одним из наиболее распространенных полупроводниковых устройств, используемых сегодня в электронном оборудовании.
Они также являются одними из самых неправильно понятых.
В конце концов, когда речь идет об их работе, диоды часто называют «затворами с односторонним движением» или «затворами для кражи».
Когда диод отключается от внешнего напряжения, электроны внутри него захватываются внутри и не могут снова выйти.
Таким образом, это улавливает ток, протекающий через эту конкретную часть цепи внутри, без выхода, кроме как через противоположную клемму или обратный путь (таким образом, название обходит имя).
Однако, когда диоды упоминаются в связи с электроникой, это может сбить с толку.
Это связано с тем, что многие люди думают о них как о линейных устройствах, хотя на самом деле они обладают нелинейным поведением, что делает их гораздо более универсальными, чем просто переключатель включения/выключения.
Подобно тому, как музыкальный инструмент имеет несколько применений помимо воспроизведения нот, диод служит многим целям, помимо включения и выключения электрического тока.
Давайте посмотрим, как работают диоды, чтобы вы поняли, как их можно использовать и какими уникальными свойствами они обладают, что делает их такими полезными элементами электронной схемы.
Что такое диод?
Диоды представляют собой односторонние электрические шунты.
Диод представляет собой двухпозиционный переключатель с электронным управлением, который позволяет току течь в одном направлении только при определенных условиях.
Когда через диод протекает ток только в одном направлении, два его полупроводниковых «пальца» соединены вместе.
Когда ток течет в другую сторону, два пальца изолированы друг от друга, и ток не течет.
Диоды сделаны из двух полупроводниковых материалов, которые обычно располагаются в виде «сэндвича», чтобы блокировать движение электронов в обоих направлениях.
Небольшой ток при определенных условиях может рассеивать избыточную энергию в виде тепла, позволяя электронам течь через диод в одном направлении, даже если напряжение на диоде намного выше, чем напряжение, приложенное к другой стороне.
Поскольку активная область диода позволяет электронам течь только в одном направлении, в то время как внешняя область блокирует их обратный поток, он описывается как односторонний электрический шунт.
Диоды имеют положительный и отрицательный выводы.
Два конца диода помечены + и -, чтобы указать, что он не имеет внутренней полярности.
Когда на концы диода подается напряжение, это называется тестированием на короткое замыкание или «отрицательным» тестированием.
Диоды не поляризованы, как обычная поляризованная электрическая проводка — концы используются только для тестирования, а середина диода нейтральна («нет полярности») и подключена к элементам цепи.
В электронике положительный вывод диода обычно является анодом, а отрицательный вывод - катодом.
Тем не менее, конвенция не высечена на камне.
В некоторых схемах отрицательный вывод является катодом, а положительный вывод — анодом.
Например, в Схема светодиода, отрицательная клемма является катодом, но в цепи батареи отрицательная клемма является анодом.
Есть много типов диодов
Есть много различных типов диодов, доступных для использования в электронике.
Большинство диодов относятся к полупроводниковым, но есть также выпрямители, фотодиоды и транзисторы, которые функционируют как диоды.
Выбор правильного типа диода для конкретной цепи важен для получения желаемых результатов.
Некоторые важные типы диодов включают: – Быстродействующие выпрямители: эти диоды очень быстро проводят электричество, что позволяет использовать их в высокочастотных приложениях.
– Стандартные выпрямители: эти диоды проводят электричество медленнее, что позволяет использовать их в низкочастотных приложениях.
– Выпрямители с барьером Шоттки: эти диоды имеют встроенный диод Шоттки, который предотвращает их обратную проводимость.
– Фотодиоды: эти устройства преобразуют свет в электричество, что делает их полезными в сенсорных приложениях.
Диоды имеют разные пороги напряжения, характеристики и напряжения пробоя.
Хотя диоды остаются односторонними электрическими шунтами, они обычно имеют очень высокое напряжение пробоя (более 1 мегавольта) и порог напряжения пробоя (пониженное напряжение, необходимое для начала пробоя), что делает их подходящими для определенных типов приложений.
Эти пороговые параметры зависят от типа используемого диода и могут быть изменены для создания различных типов диодов.
Например, быстродействующий выпрямительный диод имеет пороговое напряжение пробоя около 0.3 вольта.
Это означает, что если напряжение на диоде ниже 0.3 вольта, диод не будет проводить ток, и схема останется в исходном состоянии.
Если схема пытается потреблять больше тока, а напряжение в цепи увеличивается, достигается пороговое значение напряжения пробоя диода, и диод начинает проводить ток в противоположном направлении.
Диоды могут использоваться в линейных или нелинейных приложениях
Одной из уникальных особенностей диодов является то, что их можно использовать в линейных или нелинейных приложениях.
При использовании в линейных приложениях диод используется в качестве переключателя.
Другими словами, он проводит ток в одном направлении в зависимости от приложенного к цепи напряжения.
Когда на цепь подается напряжение, электроны начинают течь через диод, и цепь получает питание.
Диод можно рассматривать как «односторонний переключатель».
Когда на схему подается питание, диод проводит ток, открывая цепь.
Когда на цепь не подается напряжение, диод не проводит ток, и цепь отключается.
В нелинейных приложениях диод используется для усиления или увеличения амплитуды или силы сигнала.
Например, если схема использует низкочастотный сигнал для управления чем-либо (например, включение или выключение двигателя), сама схема может быть отключена сигналом.
Но если сигнал достаточно высокий (например, гудок телефона или музыка с радиостанции), диод можно использовать для усиления и включения питания схемы, позволяя управлять ею с помощью более высокочастотного сигнала.
Как работают высоковольтные диоды?
При подаче высокого напряжения на диод, он начинает проводить.
Однако из-за слишком высокого напряжения электроны, попавшие в диод, не могут высвободить свою энергию в достаточном количестве, чтобы вырваться из своего заточения.
В результате диод немного проводит, но недостаточно для питания схемы.
Когда низкое напряжение подается на затворы пары транзисторов, которые контролируют напряжение, подаваемое на цепь (называемую лестничной схемой), сигнал проходит нерегулируемым образом.
Однако, когда в лестничной цепи слишком мало напряжения и диоды не проводят достаточный ток, сигнал не проходит, и цепь отключается.
Это может быть использовано для питания простых схем и может быть полезно для сортировщиков, компьютеров и таймеров.
Как рассчитать порог напряжения для диода
Предположим, вы подключаете диод к 12-вольтовому источнику питания и хотите знать, будет ли он проводить (обеспечивать питание) при низком напряжении.
Уравнение для расчета напряжения пробоя (VOM) полупроводникового прибора выглядит следующим образом: В этом уравнении «VOH» — это напряжение на приборе в момент его пробоя, «VOHSC» — пороговое напряжение диода, когда он проводит, «I» — это ток через диод, «E» — напряжение электрического поля на диоде, а «n» — количество электронов в диоде.
Для определения порога напряжения диода необходимо знать напряжение пробоя диода.
Вы можете найти это значение, используя приведенное выше уравнение.
Напряжение пробоя типичного кремниевого диода с pn-переходом составляет 1.5 вольта.
Это означает, что при напряжении на диоде 1.5 вольта диод выйдет из строя и начнет проводить ток.