Что такое обратное напряжение. ВАХ диода

Устройство полупроводникового диода.

Прямое и обратное включение диода, охарактеризовать прямое и обратное напряжение, прямые и обратные токи диода.

График прямого включения нарисован в первом квадранте. Отсюда видно, что чем больше напряжение, тем больше ток. Причём до какого-то момента напряжение растёт быстрее, чем ток. Но затем наступает перелом, и напряжение почти не меняется, а ток начинает расти. Для большинства диодов этот перелом наступает в диапазоне 0,5…1 В. Именно это напряжение, как говорят, «падает» на диоде. То есть если вы подключите лампочку по первой схеме на рис. 3, а напряжение батареи питания у вас будет 9 В, то на лампочку попадёт уже не 9 В, а 8,5 или даже 8 (зависит от типа диода). Эти 0,5…1 В и есть падение напряжения на диоде. Медленный рост тока до напряжения 0,5…1В означает, что на этом участке ток через диод практически не идёт даже в прямом направлении.

График обратного включения нарисован в третьем квадранте. Отсюда видно, что на значительном участке ток почти не изменяется, а затем увеличивается лавинообразно. Что это значит? Если вы включите лампочку по второй схеме на рис. 3, то светиться она не будет, потому что диод в обратном направлении ток не пропускает (точнее, пропускает, как видно на графике, но этот ток настолько мал, что лампа светиться не будет). Но диод не может сдерживать напряжение бесконечно. Если увеличить, напряжение, например, до нескольких сотен вольт, то это высокое напряжение «пробьёт» диод (см. перегиб на обратной ветви графика) и ток через диод будет течь. Вот только «пробой» - это процесс необратимый (для диодов). То есть такой «пробой» приведет к выгоранию диода и он либо вообще перестанет пропускать ток в любом направлении, либо наоборот – будет пропускать ток во всех направлениях.

Рис.3. Прямое включение p-n-перехода

Пусть электроны 1, 2, 3 совершают диффузию в p-слой, который на мгновение теряет электрическую нейтральность, приобретая избыточный отрицательный заряд. Между p-слоем и его выводом возникает электрическое поле, которое выбрасывает во внешнюю цепь электроны 4, 5, 6 из ближайших орбит парно-электронных связей полупроводника p-типа. Далее электроны 1, 2, 3 начинают диффузионное перемещение по дыркам вправо к правому контакту.

Во время диффузии электронов 1, 2, 3 n-слой также теряет электрическую нейтральность, приобретая избыточный положительный заряд. Между n-слоем и его выводом возникает электрическое поле, которое втягивает из внешней цепи электроны 7, 8, 9. В результате у левого и правого контакта, а также через структуру протекает прямой ток. Величина прямого тока определяется площадью p-n-перехода и зависит от приложенного прямого напряжения и ограничивающего сопротивления.

Рис.4. Обратное включение p-n-перехода

Схема обратного включения p-n-перехода приведена на рис.4. Под действием обратного напряжения происходит отток основных носителей 1 и 2 от границ перехода, поэтому p-n-переход расширяется. Для основных носителей создается сильное тормозящее поле, поэтому диффузия носителей невозможна. Поле, действующее на переходе, является ускоряющим для неосновных носителей, поэтому происходит дрейф носителей. Ток дрейфа имеет три составляющие: ток термогенерации, тепловой ток, ток утечки.

Ток термогенерации создается неосновными носителями 5 и 6, которые генерированы в области перехода, и зависит от температуры Iтг(Т) = Iтг(Т0)еТ, где Т0 - начальное значение температуры (250С); Т - текущее значение температуры; Т - изменение температуры; - температурный коэффициент. Ток термогенерации преобладает у кремниевых диодов, которые имеют бoльшую ширину p-n-перехода по сравнению с германиевыми диодами.

Тепловой ток создается неосновными носителями 3 и 4, которые генерированы в слоях полупроводника, прилегающих к переходу. Тепловой ток преобладает у германиевых p-n-переходов. Он зависит от температуры Iт(Т) = Iт(Т0)еТ. Существует эмпирическое правило для оценки токов, зависящих от температуры: при возрастании температуры на 100С обратный ток возрастает в 2 раза.

Ток утечки создается неосновными носителями, которые генерируются на поверхности слоев. Этот ток не зависит от температуры, т.к. определяется состоянием поверхности кристалла полупроводника. Основной особенностью тока утечки является нестабильность во времени, которая называется ползучестью.

Суммарное значение тока неосновных носителей при температуре до 400С много меньше тока диффузии: Iпр/Iобр = 104 - 105. Из этого соотношения следует, что несимметричный ступенчатый p-n-переход обладает вентильными свойствами.

Диод является одной из разновидностей приборов, сконструированных на полупроводниковой основе. Обладает одним p-n переходом , а также анодным и катодным выводом. В большинстве случаев он предназначен для модуляции, выпрямления, преобразования и иных действий с поступающими электрическими сигналами.

Принцип работы:

1. Электрический ток воздействует на катод, подогреватель начинает накаливаться, а электрод испускать электроны.
2. Между двумя электродами происходит образование электрического поля.
3. Если анод обладает положительным потенциалом , то он начинает притягивать электроны к себе, а возникшее поле является катализатором данного процесса . При этом, происходит образование эмиссионного тока.
4. Между электродами происходит образование пространственного отрицательного заряда, способного помешать движению электронов. Это происходит, если потенциал анода оказывается слишком слабым. В таком случае, частям электронов не удается преодолеть воздействие отрицательного заряда, и они начинают двигаться в обратном направлении, снова возвращаясь к катоду.
5. Все электроны , которые достигли анода и не вернулись к катоду, определяют параметры катодного тока. Поэтому данный показатель напрямую зависит от положительного анодного потенциала.
6. Поток всех электронов , которые смогли попасть на анод, имеет название анодный ток, показатели которого в диоде всегда соответствуют параметрам катодного тока. Иногда оба показателя могут быть нулевыми, это происходит в ситуациях, когда анод обладает отрицательным зарядом. В таком случае, возникшее между электродами поле не ускоряет частицы, а, наоборот, тормозит их и возвращает на катод. Диод в таком случае остается в запертом состоянии, что приводит к размыканию цепи.

Хотя эти ошибки встречаются редко, вы должны помнить, что это все возможности, а также диод, который прерывается и не работает, когда через него проходит большой ток. Вы также должны помнить, что диод изготовлен из материалов, которые легко разламываются. Единственное, что держит их вместе, - это тело диода.

Если тело диода расширяется, соединение размыкается. Также: Как работает конденсатор. На этих страницах вы найдете много полезного материала по «электронике в целом». При этом небольшом положительном напряжении практически отсутствует ток прямого тока . С положительным напряжением на его клеммах, мы говорим, что диод смещен вперед. Диод смещен вперед, когда его напряжение находится где угодно на стороне плюсового напряжения источника.

Устройство

Ниже приводится устройства диода, изучение этих сведений необходимо для дальнейшего понимания принципов действия этих элементов:

Мы говорим, что диод обратный. В обратном направлении ток очень близок к нулю, всегда слегка отрицательный, ниже оси напряжения. Существует крошечный бит тока, который течет, когда диод обратный смещен. Мы называем это обратным током насыщения. В большинстве ситуаций это достаточно близко к нулю, чтобы его можно было игнорировать.

В некоторых случаях ток обратной насыщенности становится важным, и вы даете ему плохо звучащее имя: ток утечки. Обратный смещенный диод не может продержаться вечно. При пробое ток резко увеличивается и становится очень высоким в отрицательном направлении.

1. Корпус представляет собой вакуумный баллон, который может быть изготовлен из стекла, металла или прочных керамических разновидностей материала.
2. Внутри баллона имеется 2 электрода. Первый является накаленным катодом, который предназначен для обеспечения процесса эмиссии электронов. Самый простейший по конструкции катод представляет собой нить с небольшим диаметром, которая накаливается в процессе функционирования, но на сегодняшний день более распространены электроды косвенного накала. Они представляют собой цилиндры, изготовленные из металла, и обладающие особым активным слоем, способным испускать электроны.
3. Внутри катода косвенного накала имеется специфический элемент – проволока, которая накаливается под воздействием электрического тока , она называется подогреватель.
4. Второй электрод является анодом, он необходим для приема электронов, которые были выпущены катодом. Для этого он должен обладать положительным относительно второго электрода потенциалом. В большинстве случаев анод также имеет цилиндрическую форму.
5. Оба электрода вакуумных приборов полностью идентичны эмиттеру и базе полупроводниковой разновидности элементов.
6. Для изготовления диодного кристалла чаще всего используется кремний или германий. Одна из его частей является электропроводимой по p-типу и имеет недостаток электронов, который образован искусственным методом . Противоположная сторона кристалла также имеет проводимость, но n-типа и обладает избытком электронов. Между двумя областями имеется граница, которая и называется p-n переходом.

Такие особенности внутреннего устройства наделяют диоды их главным свойством – возможностью проведения электрического тока только в одном направлении.

Благодаря двум электродам он называется диодом. Затем диод считается смещенным вперед. В этом состоянии высота потенциального барьера на переходе уменьшается на величину, равную заданному прямому смещающему напряжению. Предполагая, что ток, протекающий через диод, будет очень большим, диод может быть аппроксимирован как короткозамкнутый переключатель. В этом состоянии величина, равная обратному смещающему напряжению, увеличивает высоту потенциального барьера на стыке. Однако процесс не может продолжаться бесконечно, поэтому в диоде продолжает протекать небольшой ток, называемый обратным током насыщения.

Назначение

Ниже приводятся основные области применения диодов, на примере которых становится понятно их основное назначение:

1. Диодные мосты представляют собой 4, 6 или 12 диодов, соединенных между собой, их количество зависит от типа схемы, которая может быть однофазной, трехфазной полумостовой или трехфазной полномостовой. Они выполняют функции выпрямителей, такой вариант чаще всего используется в , поскольку внедрение подобных мостов, а также использование вместе с ними щеточно-коллекторных узлов, позволило в значительной степени сократить размеры данного устройства и увеличить степень его надежности. Если соединение выполнено последовательно и в одну сторону, то это повышает минимальные показатели напряжения, которое потребуется для отпирания всего диодного моста.
2. Диодные детекторы получаются при комбинированном использовании данных приборов с конденсаторами. Это необходимо для того, чтобы было можно выделить модуляцию с низкими частотами из различных модулированных сигналов, в том числе амплитудно-модулированной разновидности радиосигнала. Такие детекторы являются частью конструкции многих бытовых потребителей , например, телевизоров или радиоприемников.
3. Обеспечение защиты потребителей от неверной полярности при включении схемных входов от возникающих перегрузок или ключей от пробоя электродвижущей силой, возникающей при самоиндукции, которая происходит при отключении индуктивной нагрузки. Для обеспечения безопасности схем от возникающих перегрузок, применяется цепочка, состоящая из нескольких диодов, имеющих подключение к питающим шинам в обратном направлении. При этом, вход, которому обеспечивается защита, должен подключаться к середине этой цепочки. Во время обычного функционирования схемы, все диоды находятся в закрытом состоянии, но если ими было зафиксировано, что потенциал входа ушел за допустимые пределы напряжения, происходит активация одного из защитных элементов . Благодаря этому, данный допустимый потенциал получает ограничение в рамках допустимого питающего напряжения в сумме с прямым падением показателей напряжение на защитном приборе.
4. Переключатели , созданные на основе диодов, используются для осуществления коммутации сигналов с высокими частотами. Управление такой системой осуществляется при помощи постоянного электрического тока, разделения высоких частот и подачи управляющего сигнала, которое происходит благодаря индуктивности и конденсаторам.
5. Создание диодной искрозащиты . Используются шунт-диодные барьеры, которые обеспечивают безопасность путем ограничения напряжения в соответствующей электрической цепи . В совокупности с ними применяются токоограничительные резисторы, которые необходимы для ограничения показателей электрического тока, проходящего через сеть, и увеличения степени защиты.

Использование диодов в электронике на сегодняшний день весьма широко, поскольку фактически ни одна современная разновидность электронного оборудования не обходится без этих элементов.

Этот ток ничтожно мал; диод может быть аппроксимирован как открытый замкнутый переключатель. Вольт-амперные характеристики диода объясняются следующими уравнениями. Рис. - Состояние смещения вперед. Рис. - Обратное смещение Условие. Табулируйте различные токи прямого тока, полученные для разных передовых напряжений.

• Чтобы получить график в обратной области, замените вольтметр наном амперметре.
• Вольтметр имеет меньшее сопротивление нагрузки по сравнению с диодом.
• Ток работает по малой длине сопротивления.
• Возьмите графический лист и разделите его на 4 равные части.
• Отметьте начало координат в центре листа графика.
• При этом эксперимент не превышает показания диода.

Результаты: учащиеся могут.

Прямое включение диода

На p-n-переход диода может оказывать воздействие напряжение, подаваемое с внешних источников. Такие показатели, как величина и полярность, будут сказываться на его поведении и проводимом через него электрическом токе.

ВАХ и выпрямительный диод

Что такое трехвалентные и пентававалентные примеси? Трехвалентные примеси, образующие р-тип: алюминий, галлий, бор и индий. . Измените полярность напряжения, и он действует как короткое замыкание . Что такое диодное уравнение тока? Выражение динамического сопротивления?

Что подразумевается под внутренним полупроводником? Каков порядок энергетической щели в чистом полупроводнике? Что такое внешний полупроводник? Что такое легированный полупроводник? Что такое два разных типа примесей? Каковы носители заряда в чистом полупроводнике? Каково влияние температуры на проводимость полупроводника? Что подразумевается под прямым уклоном? Что означает обратное смещение? Что такое обратная разбивка? Каковы используемые полупроводниковые материалы? Сколько валентных электронов присутствует в каждом атоме полупроводника?

Ниже подробно рассмотрен вариант, при котором происходит подключение плюса к области p-типа, а отрицательного полюса к области n-типа. В этом случае произойдет прямое включение:

1. Под воздействием напряжения от внешнего источника, в p-n-переходе сформируется электрическое поле , при этом его направление будет противоположным относительно внутреннего диффузионного поля.
2. Напряжение поля значительно снизится, что вызовет резкое сужение запирающего слоя.
3. Под воздействием этих процессов значительное количество электронов обретет возможность свободно переходить из p-области в n-область, а также в обратном направлении.
4. Показатели тока дрейфа во время этого процесса остаются прежними, поскольку они напрямую зависят только от числа неосновных заряженных носителей, находящихся в области p-n-перехода.
5. Электроны обладают повышенным уровнем диффузии, что приводит к инжекции неосновных носителей. Иными словами, в n-области произойдет повышение количества дырок, а в p-области будет зафиксирована повышенная концентрация электронов.
6. Отсутствие равновесия и повышенное число неосновных носителей заставляет их уходить вглубь полупроводника и смешиваться с его структурой, что в итоге приводит к разрушению его свойств электронейтральности.
7. Полупроводник при этом способен восстановить свое нейтральное состояние, это происходит благодаря получению зарядов от подключенного внешнего источника, что способствует появлению прямого тока во внешней электрической цепи.

Обратное включение диода

Каково статическое сопротивление диода? Что такое динамическое сопротивление диода? Напишите уравнение тока диода. Когда ток идет только в одном направлении, а падение напряжения на диоде всегда равно 7 В, напряжение на аноде должно быть примерно на 6 В выше, чем на катоде. Мы говорим, что диод находится в прямом смещении.

При питании диод можно проверить, измеряя падение напряжения. Напряжение на аноде должно быть на 7 В выше, чем на катоде. Является ли напряжение таким же, как у диода, коротким. При питании диод не только создает падение напряжения на 7 В, но и может разделять два разных напряжения. Напряжение на катоде не обязательно должно быть напряжением, исходящим от анода. Он также может исходить от другого источника напряжения. В общем, напряжение на катоде выше, чем у анода, напряжение исходит из где-либо еще, а диод удерживает напряжения отдельно.

Теперь будет рассмотрен другой способ включения, во время которого изменяется полярность внешнего источника, от которого происходит передача напряжения:

1. Главное отличие от прямого включения заключается в том , что создаваемое электрическое поле будет обладать направлением, полностью совпадающим с направлением внутреннего диффузионного поля. Соответственно, запирающий слой будет уже не сужаться, а, наоборот, расширяться.
2. Поле, находящееся в p-n-переходе , будет оказывать ускоряющий эффект на целый ряд неосновных носителей заряда, по этой причине, показатели дрейфового тока останутся без изменений. Он будет определять параметры результирующего тока, который проходит через p-n-переход.
3. По мере роста обратного напряжения , электрический ток, протекающий через переход, будет стремиться достичь максимальных показателей. Он имеет специальное название – ток насыщения.
4. В соответствии с экспоненциальным законом , с постепенным увеличением температуры будут увеличиваться и показатели тока насыщения.

Прямое и обратное напряжение

Что представляет собой «прямой» диод?

Как всегда в электронике тепло является большой проблемой. В случае сомнений тщательно проверьте все точки пайки платы и отделите их. Когда диод неисправен, выберите более крупный тип, если это возможно. Диод, электронный компонент, который позволяет пропускать ток в одном направлении. Диоды, наиболее используемые в современных электронных схемах , представляют собой диоды из полупроводникового материала. Самый простой диод с точкой контакта германия был создан в первые дни радио. В современных германиевых диодах кабель и крошечная стеклянная пластина устанавливаются внутри небольшой стеклянной трубки и соединяются с двумя проводами, которые приварены к концам трубки.

Напряжение, которое оказывает воздействие на диод, разделяют по двум критериям:

1. Прямое напряжение – это то, при котором происходит открытие диода и начинается прохождение через него прямого тока, при этом показатели сопротивления прибора являются крайне низкими.
2. Обратное напряжение – это то, которое обладает обратной полярностью и обеспечивает закрытие диода с прохождением через него обратного тока. Показатели сопротивления прибора при этом начинают резко и значительно расти.

Сопротивление p-n-перехода является постоянно меняющимся показателем, в первую очередь на него оказывает влияние прямое напряжение, подающееся непосредственно на диод. Если напряжение увеличивается, то показатели сопротивления перехода будут пропорционально уменьшаться.

Соединительные диоды состоят из соединения двух разных типов полупроводникового материала. Зенеровский диод представляет собой специальную модель диодного диода, в которой используется кремний, в котором напряжение параллельно соединению не зависит от проходящего через него тока. Благодаря этой функции диоды Зенера используются в качестве регуляторов напряжения. С другой стороны, в светоизлучающих диодах напряжение, прикладываемое к соединению полупроводника, приводит к испусканию световой энергии.

Для решения проблем, связанных с диодами, в настоящее время используются три подхода. Первое приближение - это идеальный диод, в котором считается, что диод не имеет падения напряжения при проводке в положительном направлении, поэтому в этом первом приближении будет считаться, что диод является коротким замыканием в положительном направлении. Напротив, идеальный диод ведет себя как разомкнутая цепь, когда его поляризация является обратной. Во втором приближении мы считаем, что диод имеет падение напряжения при прямом поляризации. Наиболее часто используется второй подход.

Это приводит к росту параметров прямого тока, проходящего через диод. Когда данный прибор закрыт, то на него воздействует фактически все напряжение, по этой причине показатели проходящего через диод обратного тока являются незначительными, а сопротивление перехода при этом достигает пиковых параметров.

Работа диода и его вольт-амперная характеристика

Хотя существует широкий спектр типов, только некоторые особенности отличаются от их внешнего вида . Это не относится к размеру, потому что это функция мощности, которую они могут рассеять. Характерно найти айло в теле, которое указывает на катод. Для тех, чей конкретный тип обозначен рядом букв и цифр, катод отмечен кольцом в теле рядом с этим терминалом. Цвета, а в них катод соответствует терминалу, ближайшему к более толстой цветовой дорожке. Гермионовые наконечники обычно заключаются в стекле.

Анод этих диодов длиннее катода, и обычно поверхность капсулы вблизи катода плоская. Практичным способом определения катода является применение измерителя в омметре между его клеммами. Если мы используем режим проверки диода с помощью мультивещателя, мы получаем значение напряжения локтя устройства.

Под вольт-амперной характеристикой данных приборов понимается кривая линия, которая показывает то, в какой зависимости находится электрический ток, протекающий через p-n-переход, от объемов и полярности напряжения, воздействующего на него.

Подобный график можно описать следующим образом:

1. Ось, расположенная по вертикали: верхняя область соответствует значениям прямого тока, нижняя область параметрам обратного тока.
2. Ось, расположенная по горизонтали: область, находящаяся справа, предназначена для значений прямого напряжения; область слева для параметров обратного напряжения.
3. Прямая ветвь вольт-амперной характеристики отражает пропускной электрический ток через диод. Она направлена вверх и проходит в непосредственной близости от вертикальной оси, поскольку отображает увеличение прямого электрического тока, которое происходит при увеличении соответствующего напряжения.
4. Вторая (обратная) ветвь соответствует и отображает состояние закрытого электрического тока, который также проходит через прибор. Положение у нее такое, что она проходит фактически параллельно относительно горизонтальной оси. Чем круче эта ветвь подходит к вертикали, тем выше выпрямительные возможности конкретного диода.
5. По графику можно наблюдать , что после роста прямого напряжения, протекающего через p-n-переход, происходит медленное увеличение показателей электрического тока. Однако постепенно, кривая достигает области, в которой заметен скачок, после которого происходит ускоренное нарастание его показателей. Это объясняется открытием диода и проведением тока при прямом напряжении. Для приборов, изготовленных из германия, это происходит при напряжении равном от 0,1В до 0,2В (максимальное значение 1В), а для кремниевых элементов требуется более высокий показатель от 0,5В до 0,6В (максимальное значение 1,5В).
6. Показанное увеличение показателей тока может привести к перегреву полупроводниковых молекул. Если отведение тепла, происходящее благодаря естественным процессам и работе радиаторов, будет меньше уровня его выделения, то структура молекул может быть разрушена, и этот процесс будет иметь уже необратимый характер. По этой причине, необходимо ограничивать параметры прямого тока, чтобы не допустить перегрева полупроводникового материала. Для этого, в схему добавляются специальные резисторы, имеющие последовательное подключение с диодами.
7. Исследуя обратную ветвь можно заметить, что если начинает увеличиваться обратное напряжение, которое приложено к p-n-переходу, то фактически незаметен рост параметров тока. Однако в случаях, когда напряжение достигает параметров, превосходящих допустимые нормы , может произойти внезапный скачок показателей обратного тока, что перегреет полупроводник и будет способствовать последующему пробою p-n-перехода.

Как только два материала соединяются, электроны и пустоты, находящиеся в области «соединения» или вблизи нее, объединяются, и это приводит к отсутствию носителей в области, близкой к переходу. Эта область обнаруженных отрицательных и положительных ионов называется областью истощения из-за отсутствия носителей. Существуют три возможности применения напряжения на диодных клеммах.

• Поляризации нет.
• Прямая поляризация.
• Поляризация обратная.

В отсутствие приложенного напряжения смещения поток чистого заряда в любом направлении равен нулю для полупроводникового диода . Условие обратной поляризации. Количество отрицательных ионов, обнаруженных в материале Р-типа, также будет увеличиваться за счет электронов, впрыскиваемых отрицательным концом, который будет занимать пустоты. Ток в условиях обратной поляризации называется обратным током насыщения. При поляризации в обратном направлении его можно рассматривать как разомкнутую цепь.

Основные неисправности диодов

Иногда приборы подобного типа выходят из строя, это может происходить из-за естественной амортизации и старения данных элементов или по иным причинам.

Всего выделяют 3 основных типа распространенных неисправностей:

Когда достигается обратное напряжение дизъюнкции, происходит резкое увеличение тока, которое может разрушить устройство. Этот диод имеет широкий спектр применений: выпрямительные цепи, ограничители, уровневые зажимы, защиту от коротких замыканий, демодуляторы, смесители, генераторы, блокировку и байпас в фотоволокна и т.д.

При использовании диода в цепи необходимо учитывать следующие соображения. Максимальное обратное напряжение, применимое к компоненту, повторяющееся или не превышающее максимальное, которое оно будет поддерживать. Максимальный постоянный ток , который может проходить через компонент, повторяющийся или нет, должен быть больше максимального, который он будет поддерживать.

1. Пробой перехода приводит к тому, что диод вместо полупроводникового прибора становится по своей сути самым обычным проводником. В таком состоянии он лишается своих основных свойств и начинает пропускать электрический ток в абсолютно любом направлении. Подобная поломка легко выявляется при помощи стандартного, который начинает подавать звуковой сигнал и показывать низкий уровень сопротивления в диоде.
2. При обрыве происходит обратный процесс – прибор вообще перестает пропускать электрический ток в каком-либо направлении, то есть он становится по своей сути изолятором. Для точности определения обрыва, необходимо использовать тестеры с качественными и исправными щупами, в противном случае, они могут иногда ложно диагностировать данную неисправность. У сплавных полупроводниковых разновидностей такая поломка встречается крайне редко.
3. Утечка , во время которой нарушается герметичность корпуса прибора, вследствие чего он не может исправно функционировать.

Пробой p-n-перехода

Максимальная мощность, которую может выдержать диод, должна быть больше максимальной, которую он выдерживает. На рисунке № 01 мы можем видеть графическое представление или символ для этого типа диода. Одним из важных параметров для диода является сопротивление в точке или области работы.

Поэтому диод представляет собой короткое замыкание для области проводимости. Если мы рассмотрим область потенциала, отрицательно примененную. Поэтому диод является открытой цепью в области отсутствия проводимости. Ток в области Зинера имеет направление, противоположное направлению прямого поляризованного диода. Зенеровский диод представляет собой диод, который был разработан для работы в зоне Зенера.

Подобные пробои происходят в ситуациях, когда показатели обратного электрического тока начинают внезапно и резко расти, происходит это из-за того, что напряжение соответствующего типа достигает недопустимых высоких значений.

Обычно различается несколько видов:

1. Тепловые пробои , которые вызваны резким повышением температуры и последующим перегревом.
2. Электрические пробои , возникающие под воздействием тока на переход.

График вольт-амперной характеристики позволяет наглядно изучать эти процессы и разницу между ними.

Согласно определению, можно сказать, что диод Зенера был разработан для работы с отрицательными напряжениями. Важно отметить, что область Зенера контролируется или управляется путем изменения уровней легирования. Он применяется к регуляторам напряжения или источникам.

В схеме, показанной на рисунке 03, желательно защитить нагрузку от перенапряжений, максимальное напряжение, которое может выдерживать нагрузку, составляет 8 вольт. Согласно другим соображениям, работа этого диода примерно следующая. В зоне нарушения, между напряжением локтя и напряжением зенера, мы можем рассмотреть разомкнутую цепь.

Электрический пробой

Последствия, вызываемые электрическими пробоями, не носят необратимого характера, поскольку при них не происходит разрушение самого кристалла. Поэтому при постепенном понижении напряжения можно восстановить всей свойства и рабочие параметры диода.

При этом, пробои такого типа делятся на две разновидности:

1. Туннельные пробои происходят при прохождении высокого напряжения через узкие переходы, что дает возможность отдельно взятым электронам проскочить через него. Обычно они возникают, если в полупроводниковых молекулах имеется большое количество разных примесей. Во время такого пробоя, обратный ток начинает резко и стремительно расти, а соответствующее напряжение находится на низком уровне.
2. Лавинные разновидности пробоев возможны благодаря воздействию сильных полей, способных разогнать носителей заряда до предельного уровня из-за чего они вышибают из атомов ряд валентных электронов, которые после этого вылетают в проводимую область. Это явление носит лавинообразный характер, благодаря чему данный вид пробоев и получил такое название.

Тепловой пробой

Возникновение такого пробоя может произойти по двум основным причинам: недостаточный теплоотвод и перегрев p-n-перехода, который происходит из-за протекания через него электрического тока со слишком высокими показателями.

Повышение температурного режима в переходе и соседних областях вызывает следующие последствия:

1. Рост колебания атомов , входящих в состав кристалла.
2. Попадание электронов в проводимую зону.
3. Резкое повышение температуры.
4. Разрушение и деформация структуры кристалла.
5. Полный выход из строя и поломка всего радиокомпонента.

тепловым током, а доля теплового тока в обратном токе кремниевого диода очень мала. Обратный ток кремниевого диода определяется в основном генерационно-рекомбинационными процессами в p - n -переходе. Для инженерных расчетов обратного тока от температуры можно пользоваться приведенным ранее упрощенным выражением (2.4).

Прямая ветвь ВАХ диода отклоняется от идеализированной из-за наличия токов рекомбинации в p - n -переходе, падения напряжения на базе диода, изменения (модуляции) сопротивления базы при инжекции в нее неосновных носителей заряда и наличия в базе внутреннего поля, возникающего при большом токе инжекции. Запишем уравнение ВАХ идеальногоp - n -перехода (2.3) с учетом падения напряжения на базе диода:

где r б – омическое сопротивление базы диода.

Решение этого трансцендентного уравнения можно получить, прологарифмировав правую и левую части уравнения:

. (3.2)

Для малых токов это выражение можно упростить:

. (3.3)

Анализ уравнения (3.3) позволяет сделать некоторые интересные выводы. Падение напряжения на диоде зависит от тока через него и имеет большое значение у диодов с малымI T . Так как у кремниевых диодов тепловой ток мал, то и начальный участок прямой ветви ВАХ значительно более пологий, чем у германиевых. Объяснить это можно еще и тем, что ощутимый ток появляется в диоде, когда внешнее напряжение превышает контактную разность потенциалов к , а к (в соответствии с (2.1)) у кремниевогоp - n -перехода выше, чем у германиевого. Начальные участки прямой ветви ВАХ германиевого и кремниевого диодов показаны на рис. 3.2. Из рисунка видно, что напряжение на открытом кремниевом диоде обычно равно 0,60,8 В, напряжение на открытом германиевом диоде 0,20,3 В.

Ввиду огромного разнообразия применяемых диодов для отечественных полупроводниковых приборов используется специальная система обозначений. В основу системы обозначений положен буквенно-цифровой код.

Первый элемент кода обозначает исходный полупроводниковый материал, на основе которого изготовлен прибор. Используются следующие символы:

Г или 1 – для германия и его соединений;

К или 2 – для кремния и его соединений;

А или 3 – для соединений галлия (например, для арсенида галлия);

И или 4 – для соединений индия (например, для фосфида индия).

Второй элемент обозначения – буква, определяющая подкласс (или группу) приборов. Вот лишь некоторые из обозначений:

Д – диоды выпрямительные и импульсные;

Ц – выпрямительные столбы и блоки;

В – варикапы;

И – туннельные диоды;

А – сверхвысокочастотные диоды;

С – стабилитроны;

О – оптопары;

Н – динисторы;

У – триодные тиристоры…

Третий элемент обозначения – цифра, определяющая основные функциональные возможности прибора. Стандарт устанавливает использование каждой цифры применительно к различным подклассам приборов. При необходимости Вы можете это найти в специальной справочной литературе.

Четвертый элемент – число, обозначающее порядковый номер разработки.

Пятый элемент – буква, условно определяющая классификацию (разбраковку по параметрам) приборов, изготовленных по единой технологии.

Таким образом, зная систему условных обозначений , мы можем сказать, что ГД107Б – это германиевый выпрямительный диод с I ср вп 10 А, номер разработки 7, группа Б, а 2Ц202Г – столб выпрямительный из кремниевых диодов с 0,3 АI ср вп 10 А, номер разработки 2, группа Г.

3.2. Выпрямительные диоды

Диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный, к быстродействию, емкости p - n -перехода и стабильности параметров которых обычно не предъявляют специальных требований, называютвыпрямительными . В качестве выпрямительных диодов используют сплавные, эпитаксиальные и диффузионные диоды, выполненные на основе несимметричныхp - n -переходов.

Для выпрямительных диодов характерно, что они имеют малые сопротивления в проводящем состоянии и позволяют пропускать большие токи. Барьерная емкость из-за большой площади p - n -переходов велика и достигает значений десятков пикофарад.

К основным параметрам диодов, приводимым в технической документации и справочной литературе, относятся:

1. Максимально допустимое обратное напряжение диода (U обр max ). Это значение напряжения, приложенного в обратном направлении, которое диод может выдержать в течение длительного времени без нарушения его работоспособности. Для различных диодов это напряжение может составлять от десятков до тысяч вольт.

2. Средний выпрямленный ток диода (I ср вп ) – максимально допустимое, среднее за период значение выпрямленного постоянного тока, протекающего через диод. Для различных диодов этот ток может составлять от сотен миллиампер до десятков ампер.

3. Импульсный прямой ток диода (I пр и ) – допустимое пиковое значение импульса тока при заданной максимальной длительности и скважности импульсов.

4. Обратный ток диода (I обр ) – постоянный обратный ток, обусловленный постоянным обратным напряжением.

5. Постоянное прямое напряжение (U пр ) – постоянное прямое напряжение, обусловленное заданным значением прямого тока. Отношение этих величин определяет сопротивление диода по постоянному току в заданной точке ВАХ.

3.3. Импульсные диоды

Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов и предназначены для работы в импульсных цепях. От выпрямительных диодов они отличаются малыми емкостямиp - n -перехода (доли пикофарад) и рядом параметров, определяющих переходные характеристики диода. Уменьшение емкостей достигается за счет уменьшения площадиp - n -перехода, поэтому допустимые мощности рассеяния у них невелики (3050 мВт).

Рассмотрим воздействие на электрическую цепь, состоящую из диода VD и резистораR (рис. 3.3) знакопеременного импульсного напряженияU вх (рис. 3.4,а ). Напряжение на входе схемы в момент времениt = 0 скачком приобретает положительное значениеU m . Из-за инерционности диффузного процесса ток в диоде появляется не мгновенно, а нарастает в течение времениt уст . В момент времениt = t 1 в цепи устанавливается стационарный режим, при котором ток диода

,

анапряжение на диодеU д =U пр .

При t = t 2 напряжениеU вх меняет полярность. Однако заряды, накопленные на границеp - n - перехода, некоторое время поддерживают диод в открытом состоянии, но направление тока в диоде меняется на противоположное. По существу, в течение времениt расс происходит рассасывание зарядов на границеp - n - перехода (т.е. разряд эквивалентной емкости). После интервала времени рассасыванияt расс начинается процесс выключения диода, т.е. процесс восстановления его запирающих свойств.

К моменту времени t 3 напряжение на диоде становится равным нулю и в дальнейшем приобретает обратное значение. Процесс восстановления запирающих свойств диода продолжается до момента времениt 4 . К этому времени ток через диод становится равным нулю, а напряжение на нем достигает значения –U m . Таким образом, времяt вос можно отсчитывать от переходаU д через нуль до достижения током диода нулевого значения.

Рассмотрение процессов включения и выключения выпрямительного диода показывает, что диод не является идеальным вентилем, а в определенных условиях обладает проводимостью в обратном направлении. Особенно сильно эти эффекты проявляются при высокой частоте входного напряжения и при работе с импульсными сигналами. В связи с этой особенностью работы импульсных диодов в технической документации для них, кроме параметров, характеризующих обычный режим выпрямления, приводятся дополнительные параметры, характеризующие переходный процесс:

максимальное импульсное прямое напряжение –U пр и max ;

максимально допустимый импульсный прямой ток –I пр и max ;

время установления (t уст ) – интервал времени от момента подачи импульса прямого напряжения на диод до достижения заданного значения прямого тока в нем;

время восстановления обратного сопротивления диода – (t вос ).

Для выпрямления низкочастотных переменных токов, то есть для превращения переменного тока в постоянный или пульсирующий, служат , принцип действия которых основан на односторонней электронно-дырочной проводимости p-n-перехода. Диоды данного типа применяются в умножителях, выпрямителях, детекторах и т. д.

Производятся выпрямительные диоды с плоскостным либо с точечным переходом, причем площадь непосредственно перехода может составлять от десятых долей квадратного миллиметра до единиц квадратных сантиметров, в зависимости от номинального для данного диода выпрямленного за полупериод тока.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода имеет прямую и обратную ветви. Прямая ветвь ВАХ практически показывает связь тока через диод и прямого падения напряжения на нем, их взаимозависимость.

Обратная ветвь ВАХ отражает поведение диода при подаче на него напряжения обратной полярности, где ток через переход очень мал и практически не зависит от величины приложенного к диоду напряжения, пока не будет достигнут предел, при котором случится электрический пробой перехода и диод выйдет из строя.

Максимальное обратное напряжение диода - Vr

Первой и главной характеристикой выпрямительного диода является максимально допустимое обратное напряжение. Это то напряжение, приложив которое к диоду в обратном направлении, можно будет еще уверенно утверждать, что диод его выдержит, и что данный факт не скажется отрицательно на дальнейшей работоспособности диода. Но если данное напряжение превысить, то нет гарантии, что диод не будет пробит.

Данный параметр для разных диодов отличается, лежит он в диапазоне от десятков вольт до нескольких тысяч вольт. Например для популярного выпрямительного диода 1n4007 максимальное постоянное обратное напряжение равно 1000В, а для 1n4001 – составляет всего 50В.

Средний ток диода - If

Диод выпрямляет ток, поэтому следующей важнейшей характеристикой выпрямительного диода будет средний ток диода - средняя за период величина выпрямленного постоянного тока, текущего через p-n-переход. Для выпрямительных диодов данный параметр может составлять от сотен миллиампер до сотен ампер.

Например для выпрямительного диода 2Д204А максимальный прямой ток составляет всего 0,4А, а для 80EBU04 - целых 80А. Если средний ток окажется длительное время большим по величине, чем приведенное в документации значение, то нет гарантии что диод выживет.

Максимальный импульсный ток диода - Ifsm (единичный импульс) и Ifrm (повторяющиеся импульсы)

Максимальный импульсный ток диода - это пиковое значение тока, которое данный выпрямительный диод способен выдержать только определенное время, которое указывается в документации вместе с этим параметром. Например, диод 10А10 способен выдержать единичный импульс тока в 600А длительностью 8,3мс.

Что касается повторяющихся импульсов, то их ток должен быть таким, чтобы средний ток уложился бы в допустимый диапазон. Например, повторяющиеся прямоугольные импульсы с частотой 20кГц диод 80EBU04 выдержит даже если их максимальный ток составит 160А, однако средний ток должен оставаться не более 80А.

Средний обратный ток диода - Ir (ток утечки)

Средний обратный ток диода показывает средний за период ток через переход в обратном направлении. Обычно это значение меньше микроампера, максимум - единицы миллиампер. Для 1n4007, к примеру, средний обратный ток не превышает 5мкА при температуре перехода +25°С, и не превышает 50мкА при температуре перехода +100°С.

Среднее прямое напряжение диода - Vf (падение напряжения на переходе)

Среднее прямое напряжение диода при указанном значении среднего тока. Это то напряжение, которое оказывается приложено непосредственно к p-n-переходу диода при прохождении через него постоянного тока указанной в документации величины. Обычно не более долей, максимум - единиц вольт.

Например в документации для диода EM516 приводится прямое напряжение в 1,2В для тока в 10А, и 1,0В при токе 2А. Как видим, сопротивление диода нелинейно.

Дифференциальное сопротивление диода

Дифференциальное сопротивление диода выражает отношение приращения напряжения на p-n-переходе диода к вызвавшему это приращение небольшому приращению тока через переход. Обычно от долей Ома до десятков Ом. Его можно вычислить по графикам зависимости падения напряжения от прямого тока.

Например, для диода 80EBU04 приращение тока на 1А (от 1 до 2А) дает приращение падения напряжения на переходе в 0,08В. Следовательно дифференциальное сопротивление диода в этой области токов равно 0,08/1 = 0,08Ом.

Средняя рассеиваемая мощность диода Pd

Средняя рассеиваемая мощность диода - это средняя за период мощность, рассеиваемая корпусом диода, при протекании через него тока в прямом и обратном направлениях. Данная величина зависит от конструкции корпуса диода, и может варьироваться от сотен милливатт до десятков ватт.

Например, для диода КД203А средняя рассеиваемая корпусом мощность составляет 20 Вт, данный диод можно даже установить при необходимости на радиатор для отвода тепла.

Основные параметры диодов - это прямой ток диода (I пр) и максимальное обратное напряжение диода (U обр). Именно их надо знать, если стоит задача разработать новый выпрямитель для источника питания.

Прямой ток диода

Прямой ток диода можно легко вычислить, если известен общий ток , который будет потреблять нагрузка нового блока питания. Затем, для обеспечения надёжности, необходимо несколько увеличить это значение и получится ток, на который надо подобрать диод для выпрямителя. К примеру, блок питания должен выдерживать ток в 800 мА. Поэтому мы выбираем диод, у которого прямой ток диода равен 1А.

Обратное напряжение диода

Максимальное обратное напряжение диода - это параметр, который зависит не только от значения переменного напряжения на входе, но и от типа выпрямителя. Для объяснения этого утверждения, рассмотрим следующие рисунки. На них показаны все основные схемы выпрямителей.

Рис. 1

Рис. 2

На рисунке 2 изображён двухполупериодный выпрямитель с выводом средней точки. В нём также, как и в предыдущем, диоды надо подбирать с обратным напряжением в 3 раза превышающем действующее значение входного.

U обр. m ах = 1,045U ср.

В ряде практических приложений для выпрямления переменного тока и плавного регулирования мощности передаваемой в нагрузку используют тиристорные преобразователи. При этом, малые токи управления позволяют управлять большими токами нагрузки.

Пример простейшего управляемого по мощности тиристорного выпрямителя показан на рис. 7.10.

Рис. 7.10. Тиристорная схема выпрямителя

На рис. 7.11 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип регулирования среднего значения выпрямленного напряжения.

Рис. 7.11. Временные диаграммы работы тиристорного выпрямителя

В этой схеме предполагается, что входное напряжение U вх для регулируемого тиристорного формируется, например, двухполупериодным выпрямителем. Если управляющие импульсы U у достаточной амплитуды подаются в начале каждого полупериода (участок о-а на диаграмме U вых), выходное напряжение будет повторять напряжение двухполупериодного выпрямителя. Если сместить управляющие импульсы к середине каждого полупериода, то импульсы на выходе будут иметь длительность, равную четверти полупериода (участок b-с). Дальнейшее смещение управляющим импульсов приведет к дальнейшему уменьшению средней амплитуды выходных импульсов (участок d – e).

Таким образом, подавая на тиристор управляющие импульсы, сдвигающиеся по фазе относительно входного напряжения, можно превратить синусоидальное напряжение (ток) в последовательность импульсов любой длительности, амплитуды и полярности, то есть можно изменять действующее значение напряжения (тока) в широких пределах.

7.3 Сглаживающие фильтры

Рассмотренные схемы выпрямления позволяют получать однополярное пульсирующее напряжение, которое не всегда применимо для питания сложных электронных приборов, поскольку, из-за больших пульсаций, приводят к неустойчивости их работы.

Для значительного уменьшения пульсации применяют сглаживающие фильтры. Важнейшим параметром сглаживающего фильтра является коэффициент сглаживания S, определяемый по формуле S= 1 / 2 , где  1 и  2 – коэффициенты пульсаций на входе и выходе фильтра соответственно. Коэффициент пульсации показывает во сколько раз фильтр уменьшает пульсации. В практических схемах коэффициент пульсаций на выходе фильтра может достигать значений 0,00003.

Основными элементами фильтров являются реактивные элементы – емкости и индуктивности (дроссели). Рассмотрим вначале принцип работы простейшего сглаживающего фильтра, схема которого приведена на рис. 7.12.

Рис. 7.12. Схема простейшего сглаживающего фильтра с однополупериодным выпрямителем

В этой схеме сглаживание напряжения на нагрузке после однополупериодного диодного выпрямителя VD осуществляется с помощью конденсатора С, подключенного параллельно нагрузке R н.

Временные диаграммы, поясняющие работу такого фильтра, приведены на рис. 7.13. На участке t1 – t2 входным напряжением диод открывается, а конденсатор заряжается. Когда входное напряжение начнет уменьшаться, диод закрывается напряжением, накопленным на конденсаторе U с (участок t1 – t2). На этом интервале источник входного напряжения отключается от конденсатора и нагрузки, и конденсатор разряжается через сопротивления нагрузки R н.

Рис. 7.13. Временные диаграммы работы фильтра с однополупериодным выпрямителем

Если ёмкость достаточно велика, по разряд емкости через R н будет происходить с большой постоянной времени =R н С, и следовательно, уменьшение напряжение на конденсаторе будет небольшим, а эффект сглаживания – значительным. С другой стороны, чем больше емкость тем короче отрезок t1 – t2 в течении которого диод открыт и через него течет ток i  возрастающий (при заданном среднем токе нагрузки) при уменьшении разности t2 – t1. Такой режим работы может привести к выходу из строя выпрямительного диода, и, кроме того, является достаточно тяжелым и для трансформатора.

При использовании двухполупериодных выпрямителей величина пульсаций на выходе емкостного фильтра уменьшается, поскольку конденсатор за время между появлением импульсов на меньшую величину, что хорошо иллюстрируется рис. 7.14.

Рис. 7.14. Сглаживание пульсаций двухполупериодного выпрямителя

Для расчета величины пульсаций на выходе емкостного фильтра произведем аппроксимацию пульсаций выходного напряжения пилообразной кривой ток, как это показано на рис. 7.15.

Рис. 7.15. Аппроксимация напряжения пульсаций

Изменение заряда на конденсаторе определяется выражением

∆Q=∆UC=I н Т 1 ,

где Т 1 – период пульсаций, I н – среднее значение тока нагрузки. С учетом того, что I н = И ср / R н, получаем

.

Из рис. 7.15 следует, что

при этом двойная амплитуда пульсаций определяется выражением

.

Сглаживающими свойствами обладают и индуктивные фильтры, причем лучшими сглаживающими свойствами обладают фильтры, содержащие индуктивность и емкость, соединенные так, как показано на рис. 7.16.

Рис. 7.16. Сглаживающий фильтр с индуктивностью и емкостью

В этой схеме емкость конденсатора выбирается таким образом, чтобы его реактивное сопротивление было значительно меньшим сопротивления нагрузки. Достоинством такого фильтра является то, что он уменьшает величину входной пульсации ∆U до величины
, гдеω - частота пульсаций.

На практике широкое распространение получили различные типы F - образных и П – образных фильтров, варианты построения которых представлены на рис. 7.17.

При небольших токах нагрузки хорошо работает F - образный выпрямитель, представленный на рис. 7.16.

Рис. 7.17. Варианты построения фильтра

В наиболее ответственных схемах используют многозвенные схемы фильтрации (рис. 7.17 г).

Часто дроссель заменяют резисторами, что несколько снижает качество фильтрации, но значительно удешевляет фильтры (рис. 7.17 б, в).

Основной внешней характеристикой выпрямителей с фильтром является зависимость среднего значения выходного напряжения U ср (напряжения на нагрузке) от среднего значения выходного тока.

В рассмотренных схемах увеличение выходного тока приводит к уменьшению U ср из-за увеличения падения напряжения на обмотках трансформатора, диодах, подводящих проводах, элементах фильтра.

Наклон внешней характеристики при заданном среднем токе определяют через выходное сопротивление R вых, определяемое по формуле:

I cр – задано. Чем меньше величина R вых, тем меньше выходное напряжение зависит от выходного тока, тем лучше схема выпрямителя с фильтром. На рис. 7.18 приведены типовые зависимости U ср от I ср для различных вариантов фильтрации.

Рис. 7.18. Типовые зависимости U ср от I ср для различных схем фильтрации