Діоди є одними з найпоширеніших напівпровідникових пристроїв, які сьогодні використовуються в електронному обладнанні.
Вони також одні з найбільш неправильно зрозумілих.
Зрештою, діоди часто називають «односторонніми воротами» або «крадіжними воротами», коли говорять про їх роботу.
Коли діод відключається від зовнішньої напруги, електрони всередині нього потрапляють всередину і не можуть вийти знову.
Таким чином, це затримує струм, що протікає через цю конкретну частину ланцюга всередині без виходу, окрім як через протилежний термінал або зворотний шлях (таким чином назва обходить назву).
Однак, коли діоди згадуються в поєднанні з електронікою, вони можуть ввести в оману.
Це тому, що багато людей вважають їх лінійними пристроями, хоча насправді вони мають нелінійну поведінку, що робить їх набагато більш універсальними, ніж просто перемикач увімкнення/вимкнення.
Подібно до того, як музичний інструмент має багаторазове використання, окрім гри на нотах, діод служить багатьом цілям, окрім простого вмикання та вимикання електричного струму.
Давайте подивимося, як працюють діоди, щоб ви зрозуміли, як їх можна використовувати та якими унікальними властивостями вони володіють, що робить їх такими корисними елементами електронних схем.
Що таке діод?
Діоди є односторонніми електричними шунтами.
Діод — це двосторонній перемикач з електронним керуванням, який дозволяє струму протікати в одному напрямку лише за певних умов.
Коли струм через діод протікає тільки в одному напрямку, два його напівпровідникові «пальці» з’єднані разом.
Коли струм тече в інший бік, два пальці ізольовані один від одного, і струм не тече.
Діоди виготовляються з двох напівпровідникових матеріалів, які зазвичай розташовані у вигляді «сендвіча», щоб блокувати електрони від потоку в обох напрямках.
Невелика кількість струму за певних умов може розсіювати свою надлишкову енергію у вигляді тепла, дозволяючи електронам протікати через діод в одному напрямку, навіть якщо напруга на діоді значно вища, ніж напруга, прикладена до іншого боку.
Оскільки активна область діода дозволяє електронам текти лише в одному напрямку, тоді як зовнішня область блокує їх повернення назад, це описується як односторонній електричний шунт.
Діоди мають позитивну і негативну клеми
Два кінці діода позначені + і –, щоб вказати, що він не має внутрішньої полярності.
Коли до кінців діода подається напруга, це називається коротким замиканням або «негативним» тестуванням.
Діоди не поляризовані, як звичайна поляризована електрична проводка — кінці використовуються лише для тестування, а середина діода є нейтральною («без полярності») і підключається до елементів схеми.
В електроніці позитивний висновок діода зазвичай є анодом, а негативний – катодом.
Однак конвенція не висічена в камені.
У деяких схемах негативний полюс є катодом, а позитивний – анодом.
Наприклад, в ан Схема світлодіодів, негативна клема є катодом, але в ланцюзі акумулятора негативна клема є анодом.
Існує багато видів діодів
Існує багато різних типів діодів, доступних для використання в електроніці.
Більшість діодів є напівпровідниковими, але є також випрямлячі, фотодіоди та транзистори, які функціонують як діоди.
Вибір відповідного типу діода для конкретної схеми важливий для отримання бажаних результатів.
Деякі важливі типи діодів включають: – Швидкісні випрямлячі: ці діоди дуже швидко проводять електрику, що дозволяє використовувати високочастотні додатки.
– Стандартні випрямлячі: ці діоди проводять електрику повільніше, що дозволяє використовувати низькочастотні додатки.
– Випрямлячі з бар’єром Шотткі: ці діоди мають вбудований діод Шотткі, який запобігає їх зворотній провідності.
– Фотодіоди: ці пристрої перетворюють світло в електрику, що робить їх корисними для датчиків.
Діоди мають різні пороги напруги, характеристики та напруги пробою
Хоча діоди залишаються односторонніми електричними шунтами, вони зазвичай мають дуже високу напругу пробою (більше 1 мегавольта) і поріг напруги пробою (знижена напруга, необхідна для початку пробою), що робить їх придатними для певних типів застосувань.
Ці порогові параметри залежать від типу діода, що використовується, і можуть бути змінені для створення різних типів діодів.
Як приклад, швидкий випрямний діод має поріг напруги пробою близько 0.3 вольта.
Це означає, що якщо напруга на діоді нижча за 0.3 вольта, діод не буде проводити, і схема залишиться у вихідному стані.
Якщо схема намагається споживати більше струму, а напруга в ланцюзі збільшується, порогове значення напруги пробою діода досягається, і діод починає проводити струм у протилежному напрямку.
Діоди можна використовувати в лінійних або нелінійних додатках
Одна унікальна особливість діодів полягає в тому, що вони можуть використовуватися в лінійних або нелінійних додатках.
При використанні в лінійних додатках діод використовується як перемикач.
Іншими словами, він проводить струм в одному напрямку в залежності від напруги, прикладеної до кола.
Коли на ланцюг подається напруга, електрони починають протікати через діод, і ланцюг живиться.
Діод можна розглядати як «односторонній перемикач».
Коли ланцюг живиться, діод проводить струм, вмикаючи ланцюг.
Якщо в ланцюзі немає напруги, діод не проводить, і ланцюг вимикається.
У нелінійних додатках діод використовується для посилення або збільшення амплітуди чи сили сигналу.
Наприклад, якщо схема використовує низькочастотний сигнал для керування чимось (наприклад, увімкненням або вимкненням двигуна), сама схема може бути вимкнена цим сигналом.
Але якщо сигнал досить високий (наприклад, телефонний гудок або музика з радіостанції), діод можна використовувати для підсилення та ввімкнення живлення схеми, дозволяючи їй керувати високочастотним сигналом.
Як працюють високовольтні діоди?
Коли висока напруга прикладається до a діод, він починає проводити.
Однак через те, що напруга занадто висока, електрони, захоплені діодом, не можуть вивільнити свою енергію в достатній кількості, щоб вирватися зі свого обмеження.
В результаті діод проводить трохи, але недостатньо для живлення схеми.
Коли низька напруга прикладається до затворів пари транзисторів, які контролюють напругу, що прикладається до ланцюга (називається схемою сходів), сигналу дозволяється проходити через нерегульоване.
Однак, коли в ланцюзі сходів занадто мало напруги і діоди не проводять достатньо струму, сигнал не пропускається, і схема вимикається.
Це можна використовувати для живлення простих схем і може бути корисним для сортувальників, комп’ютерів і таймерів.
Як розрахувати поріг напруги для діода
Припустімо, ви підключили діод до джерела живлення 12 В і хочете знати, чи буде він проводити (забезпечувати живлення) при низькій напрузі.
Рівняння для розрахунку напруги пробою (VOM) напівпровідникового пристрою виглядає наступним чином: У цьому рівнянні «VOH» — це напруга на пристрої під час його руйнування, «VOHSC» — порогова напруга діода, коли він проводить, «I» — струм через діод, «E» — напруга електричного поля на діоді, «n» — кількість електронів у діоді.
Щоб визначити поріг напруги діода, потрібно знати напругу пробою діода.
Ви можете знайти це значення за допомогою рівняння вище.
Напруга пробою типового кремнієвого діода з pn-переходом становить 1.5 вольта.
Це означає, що коли напруга на діоді становить 1.5 вольта, діод зламається і почне проводити струм.