Дифференциальное сопротивление диода
Основные параметры выпрямительных диодов
Выпрямительные диоды, основанные на однонаправленной электронно-дырочной проводимости в p-n-переходе, используются для выпрямления низкочастотных переменных токов, т.е. преобразования переменного тока в постоянный и импульсный. Диоды этого типа используются в умножителях, выпрямителях, детекторах и т.д.
Выпрямительные диоды изготавливаются с планарным или точечным переходом, площадь перехода может составлять от десятых долей квадратного миллиметра до нескольких квадратных сантиметров, в зависимости от номинального тока за полупериод диода.
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода имеет прямое и обратное направление. Кривая хода CVC практически показывает взаимосвязь между током через диод и прямым падением напряжения на диоде, а также их отношение друг к другу.
Обратная сторона CVC показывает поведение диода при подаче на него напряжения обратной полярности, где ток через переход очень мал и почти не зависит от величины напряжения, приложенного к диоду, пока не будет достигнут предел, при котором происходит электрический пробой перехода и диод выходит из строя.
Максимальное обратное напряжение диода равно Vr
Первая и самая важная характеристика выпрямительного диода – это максимально допустимое обратное напряжение. Это напряжение, которое при приложении к диоду в обратном направлении можно быть уверенным, что диод выдержит и что этот факт не повлияет отрицательно на его дальнейший срок службы. Однако, если это напряжение превышено, нет гарантии, что диод не будет пробит.
Этот параметр варьируется от диода к диоду в пределах от нескольких десятков вольт до нескольких тысяч вольт. Например, для популярного выпрямительного диода 1n4007 максимальное постоянное обратное напряжение составляет 1000 В, а для 1n4001 – только 50 В.
Средний ток диода составляет If
Диод выпрямляет ток, поэтому следующей важнейшей характеристикой выпрямительного диода является средний ток диода, который представляет собой среднее периодическое значение выпрямленного постоянного тока, протекающего через p-n-переход. Для выпрямительных диодов этот показатель может составлять от сотен миллиампер до сотен ампер.
Например, для выпрямительного диода 2D204A максимальный ток проводимости составляет всего 0,4 А, в то время как для 80EBU04 он достигает 80 А. Если средний ток окажется постоянно выше значения, указанного в документации, нет никакой гарантии, что диод выживет.
Максимальный импульсный ток диода – Ifsm (одиночный импульс) и Ifrm (повторные импульсы)
Максимальный импульсный ток диода – это пиковый ток, который конкретный выпрямительный диод может выдержать только в течение определенного периода времени, что указывается в документации вместе с этим параметром. Например, диод 10A10 может выдержать один импульс тока 600 А длительностью 8,3 мс.
Для повторяющихся импульсов их интенсивность должна быть такой, чтобы средний ток находился в допустимом диапазоне. Например, прямоугольный повторяющийся импульс 20 кГц может выдерживаться 80EBU04, даже если его максимальный ток составляет 160 А, но средний ток должен оставаться ниже 80 А.
Средний обратный ток диода – Ir (ток утечки)
Средний обратный ток диода указывает средний ток за период через переход в обратном направлении. Обычно это значение меньше микроампер, максимум – единицы миллиампер. Для 1n4007, например, средний обратный ток не превышает 5 мкА при переходной температуре +25°C, и не превышает 50 мкА при переходной температуре +100°C.
Среднее прямое напряжение диода – Vf (падение напряжения на спае)
Среднее прямое напряжение диода при заданном значении среднего тока. Это напряжение, которое прикладывается непосредственно к p-n-переходу диода, когда через него протекает постоянный ток величиной, указанной в документации. Обычно не более доли, максимум один вольт.
Например, в документации на диод EM516 указано постоянное напряжение 1,2 В для тока 10 А и 1,0 В для тока 2 А. Как вы видите, сопротивление диода нелинейно.
Дифференциальное сопротивление диода
Дифференциальное сопротивление диода выражает отношение приращения напряжения на p-n переходе диода к небольшому приращению тока на переходе, вызвавшему это приращение. Обычно он варьируется от долей ома до десятков ом. Это можно рассчитать по графику зависимости падения напряжения от тока.
Например, для диода 80EBU04 увеличение тока на 1А (с 1 до 2А) дает падение напряжения на переходе 0,08В. Поэтому дифференциальное сопротивление диода в этом диапазоне тока составляет 0,08/1 = 0,08 Ом.
Средняя мощность, рассеиваемая диодом Pd
Средняя мощность, рассеиваемая диодом, – это средняя мощность, рассеиваемая за определенный период времени корпусом диода при протекании через него тока в прямом и обратном направлениях. Это значение зависит от конструкции корпуса диода и может составлять от сотен милливатт до десятков ватт.
Для диода KD203A, например, средняя мощность, рассеиваемая корпусом, составляет 20 Вт, и при желании этот диод можно даже установить на теплоотвод.
Если вам понравилась эта статья, пожалуйста, поделитесь ею в социальных сетях. Это очень поможет в развитии нашего сайта!
Рисунок 1: Вольтамперометрические характеристики диода
Характеристики, конструкция и применение диодов
В предыдущей статье мы начали знакомство с полупроводниковым диодом. В этой статье мы рассмотрим характеристики диода, его достоинства и недостатки, различные конструкции и применение в электронных схемах.
Электрические характеристики диода
Вольт-амперные характеристики полупроводникового диода показаны на рисунке 1.
На одном из рисунков показаны вольт-токовые характеристики германиевого диода (синим цветом) и кремниевого диода (черным цветом). Легко заметить, что характеристики очень похожи. На координатных осях нет цифр, потому что они могут значительно отличаться для разных типов диодов: мощный диод может проводить постоянный ток в несколько десятков ампер, в то время как маломощный диод может проводить только несколько десятков или несколько сотен миллиампер.
Существует множество различных моделей диодов, все они могут иметь различное применение, хотя их основное назначение, их главное свойство это обеспечение однонаправленной проводимости тока.. Именно это свойство позволяет использовать диоды в выпрямителях и детекторах. Однако следует отметить, что в настоящее время германиевые диоды, как и транзисторы, вышли из употребления.
Рисунок 1: Вольтамперометрическая кривая диода
Прямая линия вольтамперометрической кривой
Первый квадрант системы координат является прямой ветвью кривой, когда диод находится в прямой цепи – положительный вывод источника тока подключен к аноду, а отрицательный – к катоду.
При увеличении напряжения зажигания Uпр начинает увеличиваться и ток зажигания Iпр. Но пока это увеличение незначительно, линия графика имеет небольшой подъем, напряжение растет гораздо быстрее, чем ток. Другими словами, хотя диод переключен в прямом направлении, ток через него не течет, диод практически заблокирован.
При достижении определенного уровня напряжения в характеристике происходит пробой: напряжение остается практически неизменным, а ток быстро увеличивается. Это напряжение называется прямое падение напряжения на диодеотмечен в характеристике как Ud. Для большинства современных диодов это напряжение находится в диапазоне 0,5…1 В.
Из рисунка видно, что напряжение проводимости немного ниже для германиевого диода (0,3…0,4 В), чем для кремниевого (0,7…1,1 В). Если ток проводимости диода умножить на напряжение проводимости, то получится не что иное, как мощность, рассеиваемая диодом Pd = Ud * I.
Если эта мощность превышает допустимую, может произойти перегрев и разрушение p-n-перехода. По этой причине учебники ограничивают максимальный прямой токМощность не является мощностью (предполагается, что входное напряжение известно). Для отвода избыточного тепла мощные диоды устанавливаются на теплоотводы.
Мощность, рассеиваемая диодом
Это показано на рисунке 2, где показано подключение нагрузки, в данном случае лампочки, через диод.
Рисунок 2: Диодное подключение нагрузки
Представьте, что номинальное напряжение батареи и лампочки составляет 4,5 В. На диоде тогда упадет 1 В, и лампочка достигнет только 3,5 В. Конечно, практически никто не будет собирать такую схему, это просто иллюстрация того, как и на что влияет постоянное напряжение на диоде.
Предположим, что лампочка ограничила ток в цепи ровно до 1 А. Это делается для упрощения расчетов. Мы также будем игнорировать тот факт, что лампочка является нелинейным элементом и не подчиняется закону Ома (сопротивление катушки зависит от температуры).
Нетрудно подсчитать, что при таких напряжениях и токах мощность, рассеиваемая на диоде, равна P = Ud * I или 1В * 1А = 1Вт. В то же время, мощность на нагрузке составляет всего 3,5 В * 1A = 3,5 Вт. Оказалось, что 28 с лишним процентов энергии тратится впустую, или более четверти.
Если ток проводимости через диод составляет 10…20А, то впустую будет расходоваться до 20Вт мощности! Это мощность небольшого паяльника. В описанном случае таким паяльником будет диод.
Диоды Шоттки
Очевидно, что избавиться от этих потерь можно, уменьшив прямое падение напряжения на диоде Ud. Такие диоды называются Диоды Шоттки в честь немецкого физика Вальтера Шоттки, который их изобрел. В этих диодах вместо p-n-перехода используется переход металл-полупроводник. Эти диоды имеют прямое падение напряжения 0,2…0,4 В, что значительно снижает мощность, рассеиваемую на диоде.
Единственным возможным недостатком диодов Шоттки является низкое обратное напряжение – всего несколько десятков вольт. Промышленная модель MBR40250 и ее аналоги имеют максимальное обратное напряжение 250 В. Почти все источники питания в современной электронике имеют выпрямители с диодами Шоттки.
Инверсия характеристической кривой
Один из недостатков заключается в том, что даже при обратном включении диода через него все равно протекает обратный ток, поскольку идеальных изоляторов в природе не существует. В зависимости от модели диода этот показатель может составлять от наноампер до субмикроампер.
Когда в диоде возникает обратный ток, выделяется некоторая мощность, численно равная произведению обратного тока на обратное напряжение. При превышении этой мощности p-n-переход может разрушиться, и диод превратится в простой резистор или даже проводник. На обратной стороне характеристической кривой эта точка соответствует нисходящему изгибу характеристической кривой.
Обычно это не та мощность, которая указана в инструкции, а некоторое максимально допустимое обратное напряжение. Это аналогично ограничению прямого тока, упомянутому ранее.
Фактически, именно эти два параметра, прямой ток и обратное напряжение, часто являются решающими факторами при выборе конкретного диода. Это происходит, когда диод должен работать на низкой частоте, например, выпрямлять напряжение промышленной сети частотой 50…60 Гц.
Емкость p-n-перехода
При использовании диодов в высокочастотных системах необходимо помнить, что p-n-переход, как и конденсатор, имеет электрическую емкость, которая также зависит от напряжения, приложенного к p-n-переходу. Это свойство p-n-перехода используется в специальных диодах, варикапах, применяемых для настройки колебательных контуров в приемниках. Это, вероятно, единственный случай, когда эта емкость используется с пользой.
В других случаях эта емкость оказывает мешающее воздействие, замедляя переключение диода и уменьшая время его отклика. Эту емкость часто называют паразитной емкостью. Он показан на рисунке 3.
Рисунок 3: Паразитная емкость
Конструкция диода.
Плоские диоды и точечные диоды
Чтобы избавиться от вредного влияния паразитных емкостей, используются специальные высокочастотные диоды, например, точечные диоды. Конструкция такого диода показана на рисунке 25.
Рисунок 4: Точечный диод
Характерной особенностью точечного диода является конструкция его электродов, один из которых представляет собой металлическую иглу. В процессе производства эта игла, содержащая примесь (донор или акцептор), вплавляется в кристалл полупроводника, в результате чего образуется p-n-переход с требуемой проводимостью. Такой переход имеет малую площадь поверхности и, следовательно, малую паразитную емкость. В результате рабочая частота точечных диодов достигает нескольких сотен мегагерц.
При использовании более острой иглы, полученной без гальванопластики, рабочая частота может достигать десятков гигагерц. Однако обратное напряжение таких диодов не превышает 3…5 В, а ток проводимости ограничен несколькими миллиамперами. Но эти диоды не являются выпрямительными диодами, как правило, для этих целей используются планарные диоды. Структура планарного диода показана на следующем рисунке
Рисунок 5: Планарный диод
Легко видеть, что такой диод имеет гораздо большую площадь p-n-перехода, чем точечный диод. В мощных диодах эта площадь может составлять даже 100 и более квадратных миллиметров, поэтому их ток проводимости намного выше, чем у точечных диодов. Именно планарные диоды используются в выпрямителях, работающих на низких частотах, обычно не превышающих нескольких десятков килогерц.
Применение диодов
Не думайте, что диоды используются только в качестве выпрямителей и детекторов. Кроме этого, есть много других их профессий. Волновая характеристика диодов позволяет использовать их везде, где требуется нелинейная обработка аналоговых сигналов.
Это преобразователи частоты, логарифмические усилители, детекторы и другие устройства. Диоды в этих устройствах либо используются непосредственно в качестве преобразователя, либо формируют характеристики устройства, будучи включенными в цепь обратной связи.
Диоды широко используются в стабилизированных источниках питания либо в качестве источников опорного напряжения (стабилизаторы), либо в качестве элементов переключения катушек батарей (импульсные регуляторы напряжения).
Из диодов очень легко построить ограничители сигнала: два диода, соединенные параллельно, обеспечивают отличную защиту входа усилителя, например, микрофона, от перегрузки.
Помимо вышеупомянутых устройств, диоды очень часто используются в переключателях сигналов и логических устройствах. Просто подумайте об AND, OR и их комбинациях.
Светодиоды являются разновидностью диодов. Раньше они использовались только в качестве индикаторов в различных устройствах. Теперь они повсюду, от простых фонарей до телевизоров со светодиодной подсветкой, их невозможно не заметить.
Работа диода: (a) Протекание тока разрешено; диод поляризован в прямом направлении. (b) Протекание тока запрещено; диод поляризован в противоположном направлении.
Введение в диоды и выпрямители
Диод – Диод – это электрический прибор, который позволяет току течь в одном направлении легче, чем в другом. Наиболее распространенным типом диода в современных схемах является полупроводниковый диод, хотя существуют и другие диодные технологии. Условное обозначение полупроводниковых диодов в электрических схемах показано на рисунке ниже. Термин “диод” обычно используется для обозначения устройств с малым сигналом, I ≤ 1 A. Термин выпрямитель используется для обозначения устройств большой мощности, I > 1 A.
Условное обозначение твердотельного диода по ГОСТ 
Еще один символ полупроводникового диода: стрелки показывают направление движения электронов
Если диод поместить в простую цепь между батареей и лампой, он будет либо разрешать, либо запрещать протекание тока через лампу в зависимости от полярности приложенного напряжения (рисунок ниже).
Работа диода: (a) Протекание тока разрешено; диод поляризован в прямом направлении. (b) Протекание тока запрещено; диод поляризован в противоположном направлении.
Когда полярность батареи такова, что электроны могут проходить через диод, говорят, что диод направлен вперед. И наоборот, когда батарея подключена “в обратную сторону”, а диод блокирует протекание тока, диод называют инвертированным. Диод можно представить как переключатель: “закрыт”, когда смещен вперед, и “открыт”, когда смещен назад.
Как ни странно, направление “стрелки” на символе диода указывает в сторону, противоположную потоку электронов. Это связано с тем, что данное соглашение было придумано инженерами, которые в основном используют традиционное обозначение тока в своих схемах, которое представляет электрический ток как поток зарядов от положительной (+) стороны источника напряжения к отрицательной (-) стороне. Это соглашение справедливо для всех полупроводниковых обозначений со “стрелками”: стрелка указывает направление, разрешенное для обычного тока, и противоположное направление, разрешенное для потока электронов.
Поведение диода похоже на поведение гидравлического устройства, называемого обратный клапан. Обратный клапан позволяет жидкости течь только в одном направлении (рисунок ниже).
Аналогия с гидравлическим обратным клапаном: (a) Поток электронов разрешен. (b) Поток электронов запрещен.
Обратные клапаны – это устройства, управляемые давлением: они открыты и пропускают поток, если давление, проходящее через них, имеет “полярность”, соответствующую открытию затвора (в приведенной аналогии давление жидкости справа должно быть выше, чем слева). Если давление имеет противоположную “полярность”, разница давлений через обратный клапан закроет и удержит затвор так, что потока не будет.
Как и обратные клапаны, диоды являются устройствами, управляемыми “давлением”. (напряжение). Основное различие между прямым и обратным смещением заключается в полярности напряжения, падающего на диод. Давайте подробнее рассмотрим показанную ранее простую схему, состоящую из батареи, диода и лампы. На этот раз путем изучения падения напряжения на компонентах (показано ниже).
Измерение напряжений в цепи диода: (a) Прямое смещение. (b) Обратное смещение.
Диод с прямым смещением проводит ток, и на нем падает небольшое напряжение, оставляя большую часть напряжения батареи на лампе. При изменении полярности батареи диод будет обратно смещен, и все напряжение батареи будет падать на него, не оставляя ничего для лампы. Если рассматривать диод как независимый переключатель (закрытый при прямом смещении и открытый при обратном смещении), то такое поведение имеет смысл. Наиболее существенным отличием от выключателя является то, что диод имеет гораздо большее падение напряжения в режиме протекания тока, чем обычный механический выключатель (0,7 В против десятков милливольт).
Это падение напряжения прямого смещения, демонстрируемое диодом, вызвано обедненной областью, образуемой P-N-переходом при приложении напряжения. Если к полупроводниковому диоду не приложено напряжение, то вокруг области P-N-перехода образуется тонкая обедненная область, которая препятствует протеканию тока (рисунок ниже (a)). Обедненная область почти лишена носителей заряда и действует как диэлектрик:
Представление диода: модель PN-перехода, условные обозначения, реальный радиоэлемент
Условное обозначение диода показано в (b) выше, так что анод (указывающий конец) соответствует полупроводнику P-типа в (a). Катодная полоса, а не конец острия, в (b) соответствует материалу N-типа из (a). Обратите также внимание, что полоса на реальном элементе (c) соответствует катоду в обозначении.
Если к P-N-переходу приложено обратное напряжение смещения, обедненная область расширяется, увеличивая сопротивление току, протекающему через диод (рисунок ниже).
Область обеднения расширяется при обратном смещении
И наоборот, если к P-N-переходу приложено напряжение смещения, обедненная область схлопывается, становясь тоньше. Диод оказывает меньшее сопротивление протекающему через него току. Для стабильного протекания тока через диод, область обеднения в диоде должна быть полностью разрушена приложенным напряжением. Для этого требуется определенное минимальное напряжение, называемое прямым смещением, как показано на рисунке ниже.
Увеличение прямого смещения от (a) к (b) уменьшает толщину области обеднения
Для кремниевых диодов типичное напряжение прямого смещения составляет 0,7 В. Для германиевых диодов напряжение прямого смещения составляет всего 0,3 В. На номинальное напряжение диода влияет химический состав P-N-перехода, поэтому кремниевые и германиевые диоды имеют такие разные номинальные напряжения. Прямое падение напряжения остается приблизительно постоянным в широком диапазоне токов, протекающих через диод, что означает, что падение напряжения на диоде не такое же, как падение напряжения на резисторе или даже обычном (замкнутом) переключателе. Для наиболее упрощенного анализа схемы можно предположить, что падение напряжения на диоде в режиме протекания тока постоянно, равно номинальному значению и не зависит от величины тока.
В действительности прямое падение напряжения имеет более сложную структуру. Следующее уравнение описывает точный ток, протекающий через диод, с учетом падения напряжения на переходе, температуры перехода и нескольких физических констант. Это уравнение наиболее известно как Уравнение Шокли для диода:
- ID – ток, протекающий через диод, в амперах;
- IS – ток насыщения диода, в амперах;
- e – постоянная Эйлера (
Величина kT/q характеризует напряжение, развиваемое внутри P-N-перехода из-за температурных эффектов, и называется тепловое напряжениеили Vt, перекресток. При комнатной температуре он составляет приблизительно 26 милливольт. Зная это и предполагая, что коэффициент неидеальности равен 1, мы можем упростить уравнение Шокли для диода и записать его следующим образом:
- ID – ток, протекающий через диод, в амперах;
- IS – ток насыщения диода, в амперах;
- e – постоянная Эйлера (
Для анализа простых диодных схем не обязательно знать уравнение Шокли для диода. Вам достаточно знать, что падение напряжения на диоде в режиме протекания тока изменяется в зависимости от величины тока, протекающего через диод, но это изменение довольно мало в широком диапазоне значений тока. Поэтому во многих учебниках просто говорится, что падение напряжения на полупроводниковом диоде в режиме протекания тока остается постоянным и составляет 0,7 В для кремниевых диодов и 0,3 В для германиевых диодов. Однако некоторые схемы намеренно используют естественную экспоненциальную зависимость тока от напряжения для P-N-перехода и поэтому могут быть поняты только в контексте этого уравнения. Более того, поскольку температура является одним из компонентов уравнения Шокли для диода, сдвинутый вперед P-N-переход также может быть использован в качестве чувствительного к температуре устройства, работа которого может быть понята только при условии понимания идеи этой математической зависимости.
Обратный диод препятствует протеканию тока через него, благодаря расширенной области обеднения. На самом деле, через диод обратного смещения может протекать и протекает небольшой ток. Этот ток называется током утечки и в большинстве случаев им можно пренебречь. Способность диода выдерживать обратное напряжение смещения ограничена, как и у любого диэлектрика. Если приложенное обратное напряжение смещения становится слишком высоким, в диоде возникает состояние, известное как пробой (показано ниже), которое обычно разрушительно для диода. Значение максимального обратного напряжения известно как максимальное обратное напряжение и может быть получено из данных, предоставленных производителем. Как и выходное напряжение, значение максимального обратного напряжения диода зависит от температуры. Единственное различие заключается в том, что максимальное обратное напряжение увеличивается при повышении температуры и уменьшается при охлаждении диода – в точности противоположно выходному напряжению.
Вольт-амперная характеристика диода, показывающая изгиб при 0,7 В для Si и пробой при обратном напряжении.
Как правило, максимальное обратное напряжение типичного выпрямительного диода составляет не менее 50 вольт при комнатной температуре. Также доступны диоды с максимальным обратным напряжением в тысячи вольт.
Схема источника напряжения B1, переключающего диода D1 (включенного в прямом направлении), светодиода D2 и двух резисторов R1 и R2
ЭКСПЕРИМЕНТЫ С ДИОДАМИ
При слове “диод” средний человек думает о светодиодах, но правда в том, что светодиоды (фактически светоизлучающие диоды) – это всего лишь один из многих типов диодов. Что их объединяет?
Существуют различные типы диодов: (a) светоизлучающий диод (светодиод); (b) емкостной диод (варикап); (c) выпрямитель; (d) диод Шоттки; (e) диод Зенера (стабилизатор); (f) транзистор
Все диоды состоят из двух электродов: положительного анода и отрицательного катода. Диод проводит ток только в одном направлении, поэтому, вероятно, основной символ диода напоминает стрелку, ударяющуюся о стену – барьер.
Если подключить диод в противоположном направлении, то есть плюс к катоду, а минус к аноду, ток не будет протекать (теоретически). В действительности ток будет протекать, но его величина будет настолько мала (порядка мкА), что им можно пренебречь.
Давайте рассмотрим 1N4148 – быстрый диод. Полностью отечественным аналогом 1N4148 является КД522Б. Это один из самых популярных диодов благодаря своей производительности и низкой стоимости. Его характеристики можно найти в документации.
Фотография диода 1N4148 (увеличено)
Что такое быстро переключаемый диод? Диод может переходить из состояния, когда он проводит ток (прямое смещение), в состояние, когда он не проводит ток (обратное смещение). Для переключения этого диода требуется 4 нс (наносекунды).
Характеристики схемы 1N4148:
- средний постоянный ток – 150 мА,
- прямой пиковый ток – 500 мА
- падение напряжения – от 0,6-0,7 В (при 5 мА) до 1 В (при 100 мА)
- емкость разъема – 4 пФ,
- скорость переключения менее – 4 нс,
- пиковое обратное напряжение – 75 В,
- среднеквадратичное обратное напряжение – 53 В.
В нормальных рабочих условиях диод должен проводить ток. Только когда на аноде, например, появляется отрицательный всплеск напряжения, диод должен как можно быстрее выключиться, чтобы защитить чувствительные к таким всплескам элементы, такие как транзисторы или микросхемы, от перенапряжения. Это выключение, т.е. поляризация диода в противоположном направлении, должно быть кратковременным, поскольку целью является не полное выключение устройства, а “остановка” перенапряжения, поэтому выключение длится всего 4 нс.
Давайте теперь рассмотрим эту простую схему:
Цепь из источника напряжения B1, переключающего диода D1, светодиода D2 и резистора R1
Схема собрана из источника питания B1, который представляет собой картридж с 4 батарейками, далее идут два диода. При несколько иных графических обозначениях сразу видно, что первым идет переключающий диод D1 (1n4148), за ним – красный светодиод D2. Заметьте также, что оба диода, хотя и разных типов, имеют одинаковое название и последовательный серийный номер: D1, D2. Далее следует резистор R1, который является неотъемлемой частью (почти) каждой схемы. Его задача – ограничить ток так, чтобы не повредить диод.
Если резистор защищает диод, разве он не должен быть перед ним? Располагается ли он до или после диода, не имеет значения. Помните, что течение тока от плюса к минусу является условным. Простое размещение резистора в цепи (независимо от того, с какой стороны находится диод) изменяет распределение падения напряжения по элементам (вспомните второй закон Кирхгофа), а значит, и ток во всей цепи.
Вычислите значение резистора R1:
R1 = UB1 – UD1 – UD2 / I
Мы знаем, что значение UB1 равно 4 x 1,5 В = 6 В. Падение напряжения на красном светодиоде составляет 2,1 В, но что насчет диода D1? Здесь мы ссылаемся на примечание в документации. Вам нужен ток в цепи 20 мА (потому что именно на столько подходит этот диод), а из таблицы ниже следует (Vf – прямое напряжение), что падение напряжения для тока 10 мА или более составляет 1 В.
Фрагмент диода 1N4148 описание электрических свойств
За основу возьмем формулу:
R1 = UB1 – UD1 – UD2 / I
R1 = 6 В – 1 В – 2,1 В / 20 мА
R1 = 145 Ом
В качестве R1 мы будем использовать два резистора: 100 Ом и 47 Ом.
Теперь вопрос в том, как правильно установить диод. Где находится его анод и где катод? Снова обращаемся к примечанию в техническом описании:
Выдержка из описания диода 1N4148 для наиболее важных свойств
Черная полоса обозначает катод (т.е. минусовую ножку) – таков принцип маркировки диодов. Остается только собрать схему на печатной плате, а затем измерить падение напряжения на диоде D1 в соответствии с приведенной ниже схемой.
Схема источника напряжения B1, переключающего диода D1 (включенного в прямом направлении), светодиода D2 и двух резисторов: R1 и R2
Измерим напряжение на диоде 1N4148, когда он подключен в прямом направлении (анод к плюсу питания, а катод к минусу).
В этом случае падение напряжения на диоде D1 составляет 0,77 В. Ток течет, диод D1 проводит (не переключается), и горит красный светодиод.
Что произойдет, если вы неправильно подключите диод, какое напряжение тогда будет? Инвертируйте диод D1 и снова измерьте напряжение в соответствии с приведенной ниже схемой:
Схема источника напряжения B1, переключающего диода D1 (подключенного в обратном направлении), светодиода D2 и двух резисторов
Измерьте напряжение на диоде 1N4148 при обратном подключении (анод к минусу питания, катод к плюсу).
Падение напряжения на диоде D1 составило 4,70 В. На других компонентах вольтметр показывал 0 В. Светодиод не загорается.
Что происходит в цепи? Диод, подключенный в обратном направлении, проводит очень маленький ток, слишком маленький для того, чтобы светодиод загорелся. Поэтому все падение напряжения, подаваемое от батареи B1, происходит на диоде D1. В цепи течет настолько малый ток, что падение напряжения на диоде D2 и резисторах также очень мало.
Согласно второму закону Кирхгофа, сумма падений напряжения на потребителях должна быть равна напряжению источника. Напряжение батареи B1 составляет 6,3 В, так почему же падение напряжения на диоде D1 составило только 4,70 В, а не 6,3 В? Что случилось с недостающими 1,6 В? Идеальный вольтметр имеет бесконечное внутреннее сопротивление. Однако, поскольку на практике не бывает идеальных вещей, вольтметр имеет большое сопротивление. Обычно это не имеет значения, но ток в нашей цепи очень мал. Поэтому даже внутреннее сопротивление порядка единиц Мом вызывает больший ток, чем ток, протекающий через обратно включенный диод. Это похоже на то, как если бы измерительный прибор стал еще одним резистором в цепи диодного шунта.
Этот эксперимент показал, что диод обратного смещения проводит настолько малый ток, что его практически невозможно измерить обычным мультиметром, и его можно смело исключить из дальнейшего рассмотрения.
Двигаемся дальше. Всем известен простой удвоитель напряжения. Теперь попробуем немного модифицировать его, добавив 2 переключающих диода.
Схема состоит из источника напряжения B1, двух переключающих диодов D1 и D2, электролитических конденсаторов C1 и C2, переключателя S1, резистора R1 и светодиода D3.
Соберите схему на печатной плате. Источником напряжения для B1 является батарея 6 В. Диоды D1 и D2 – это быстрые диоды 1N4148. Электролитические конденсаторы 6,3 В, 1000 мкФ обозначены C1 и C2. Вторая часть схемы также содержит: переключатель S1, резистор R1 и красный светодиод D3.
Эксперимент будет заключаться в подключении батареи B1 в двух циклах: плюс к одной линии цепи, минус – к другой. Во втором цикле подключите батарею в обратном порядке.
Посмотрите на электрическую схему. Какие линии цепи соединены друг с другом, а какие нет? Какую функцию выполняют диоды D1 и D2?
Пересекающиеся линии соединяются только в том случае, если мы видим точку на их пересечении. Функция диодов D1 и D2 заключается в проведении тока в одном направлении. Если бы их не было, то при изменении полярности один из конденсаторов включился бы в обратном направлении, и в итоге мог бы даже произойти взрыв.
Резистор R1 будет иметь то же сопротивление, что и в предыдущем удвоителе напряжения, то есть 520 Ом (мы будем использовать R1 – 470 Ом и R2 – 100 Ом).
R 1 = U c1 + c2 – U d3 / I
R 1 = 12,5 В – 2,1 В / 20 мА
R 1 = 10,4 / 20 мА
R 1 = 520 Ом
Эксперимент состоит из следующих этапов:
1. Зарядный конденсатор C2 – из-за малой емкости конденсаторов питания хватает на короткий промежуток времени.
схема с подключенным источником питания для зарядки конденсатора C2; направление тока указано черными стрелками на линиях схемы
2. зарядить конденсатор C1 – подключить источник напряжения B1 в обратном направлении, также на короткое время.
Схема источника питания, подключенного к зарядному конденсатору C1; направление протекания тока указано черными стрелками на линиях схемы
3. отключить источник напряжения B1 и замкнуть выключатель S1.
Цепь, в которой источником напряжения являются два конденсатора C1 и C2; переключатель S1 закорочен; направление протекания тока указано черными стрелками на линиях цепи.
Удвоитель напряжения, после использования диодов, проводящих ток в одном направлении и препятствующих зарядке конденсаторов в направлении, противоположном их полярности, остается очень простой схемой. Но менять местами провода довольно хлопотно.
В данном случае я представлю интересную и очень полезную схему, которую можно построить с помощью 4 диодов – диодный мост. Ниже приведены два различных способа графического обозначения одного и того же элемента:
1. Схема цепи, состоящей из источника питания B1, диодного моста (состоящего из 4 диодов D1, D2, D3, D4), резистора R1 и диода D5:
2. Схема цепи, состоящей из источника питания B1, диодного моста (состоящего из 4 диодов D1, D2, D3, D4), резистора R1 и диода D5:
Поскольку первый метод эскизирования более популярен, мы будем использовать его, здесь тот же принцип работы, тот же протекающий ток, те же значения тока и напряжения, отличается только графическое представление элементов.
Обычно мост используется для “выпрямления” переменного тока, чтобы получить постоянный ток. По этой причине его также называют выпрямительным мостом. До сих пор мы имели дело только с постоянным током, поэтому к теме выпрямления мы вернемся позже.
Диодный мост может выполнять еще одну функцию, также полезную при работе с постоянным током. Он служит защитным устройством – независимо от того, правильно ли подключен источник напряжения (плюс к плюсу, минус к минусу) или неправильно (плюс к минусу, минус к плюсу), схема будет работать правильно и не будет повреждена. Такая защита может быть полезной, поскольку некоторые электронные компоненты особенно чувствительны к таким ошибкам, и, например, неправильно подключенный электролитический конденсатор может взорваться.
Давайте посмотрим на схему – что произойдет, если мы подключим источник напряжения таким образом:
Схема цепи, состоящей из источника питания B1, моста (состоящего из 4 диодов D1, D2, D3, D4), резистора R1 и светодиода D5; цвета указывают направление тока
Ток “течет” от положительной клеммы батареи к диодному мосту. Там его путь очевиден – он может пройти только через диод D3, потому что диод D1 настроен для него в обратном направлении. В остальной части схемы, построенной в этом случае, ток течет от резистора R1 и диода D5. Оттуда он возвращается в мост, где у него есть два пути: через диод D1 или D2. Выбор одного диода для тока очевиден – он пройдет через диод D2 и попадет прямо в батарею. Почему? Во-первых, электричество хочет как можно быстрее вернуться в аккумулятор. Во-вторых, если ток проходит через диод D1, он попадает на более высокий потенциал и течет от более высокого потенциала к более низкому.
Теперь ситуация, когда источник напряжения B1 снова подключен к той же цепи:
Схема цепи, состоящей из источника питания B1, моста (состоящего из 4 диодов D1, D2, D3, D4), резистора R1 и светодиода D5; цвета указывают направление тока
Ток “покидает” положительную клемму аккумулятора и возвращается в диодный мост. Там его путь очевиден – он может пройти только через диод D4, потому что диод D2 установлен в противоположном для него направлении. Ток течет к следующей части схемы, состоящей из резистора R1 и светодиода D5. Оттуда он возвращается в мост, где у него есть два пути: через диод D1 или D2. Выбор одного из диодов очевиден из-за тока (по тем же причинам, что и раньше) – он будет протекать через диод D1, а затем напрямую к батарее.
Чтобы собрать такую схему на печатной плате, достаточно рассчитать минимальное значение резистора R1. Поскольку в обоих случаях подключения источника напряжения B1 ток всегда будет протекать только через 3 диода (D3, D5, D2 или D4, D5, D1), сопротивление рассчитывается следующим образом:
R1 = UB1 – UD3 – UD5 – UD2 / I или R1 = UB1 – UD4 – UD5 – UD1 / I
R1 = 6 В – 0,8 В – 2,1 В – 0,8 В / 20 мА
R1 = 2,3 В / 20 мА
R1 = 115 Ом
Мы будем использовать резистор с R1, равным 100 Ом, и R2, равным 22 Ом. Ниже приведена схема схемы, состоящей из источника питания B1, диодного моста (состоящего из 4 диодов D1, D2, D3, D4), резисторов R1, R2 и светодиода D5 и ее монтаж на печатной плате.
Независимо от того, как подключен источник питания, светодиод горит. Выпрямительный мост, несомненно, очень полезен, но у него есть и недостатки – на каждом из двух диодов моста, через которые протекает ток, имеется падение напряжения. При высоких уровнях тока также выделяется тепло.
Кстати, не обязательно каждый раз собирать 4-диодный мост самостоятельно, можно воспользоваться готовой сборкой моста – 4 диода, помещенные в один корпус.
Диодный мост – комплект в одном корпусе
Мост может быть составлен из любых диодов. В приведенном выше примере используются выпрямительные диоды, но можно использовать и светодиоды. Светоизлучающие диоды отлично показывают, где протекает ток. Попробуйте построить такой мост самостоятельно и поэкспериментируйте с различными типами светодиодов. Не забудьте выбрать правильный резистор, иначе вы сожжете светодиод. Ниже приведена фотография светодиодного моста – горят 2 желтых и 1 красный светодиод).
Схема на печатной плате, состоящая из светодиодного моста (4 диода), 2 резисторов и желтого светодиода
Всего за час вы узнали, что такое диод и как он работает, а также провели несколько полезных экспериментов, чтобы применить эти знания на практике. Более подробную информацию о радиокомпонентах вы можете найти в разделе ссылок и на форуме.
Дискуссионный форум по материальным диодам ЭКСПЕРИМЕНТЫ
Фильтры помех – параметры, свойства, выбор схем и радиокомпонентов.
Это транзисторный усилитель мощности звука, сделанный на основе схемы радиоприемника DJ200. Проверка работы схемы.
Как управлять подъемным соленоидом – теория и практика создания схемы подходящего для этой цели контроллера.
В нескольких схемах рассмотрите возможность параллельного включения регуляторов напряжения, схем типа LM317 и т.д.
Сборка печатной платы от $30 + БЕСПЛАТНАЯ доставка по всему миру + шаблон
Каково падение напряжения на диоде
JLCPCB, всего $2 за прототип печатной платы! Любой цвет по вашему желанию!
Подпишитесь и получите два купона на $5 каждый: https://jlcpcb.com/cwc
Это написано даже не человеком, а котом.
Что-то смущает?
Что это такое?
Сборка печатной платы от $30 + БЕСПЛАТНАЯ доставка по всему миру + шаблон
Модули Navigator позволяют значительно сократить время проектирования оборудования. Во время вебинара 17 ноября вы узнаете о новых семействах Teseo-LIV3x, Teseo-VIC3x и Teseo-LIV4F. Вы узнаете, как легко добавить функцию позиционирования с повышенной точностью, используя двухдиапазонный приемник и навигационную функцию MEMS-датчика. Давайте поработаем в Teseo Suite и посмотрим на результаты полевого теста.
Дело в том, что 0,65 В – это величина контактной разности потенциалов, которую необходимо преодолеть, чтобы включить (сдвинуть, как говорится) p-n-переход поперек. Короче говоря, открыть его.
А 0,14 В – это падение напряжения на самом устройстве, как общее омическое+объемное сопротивление p-полупроводника+n-полупроводника+.
Компания Infineon представила семейство 40-вольтовых МОП-транзисторов OptiMOS 5. Эти транзисторы относятся к семейству MOSFET нормального уровня и имеют более высокое пороговое напряжение по сравнению с другими низковольтными MOSFET для защиты от ложных срабатываний в шумной обстановке.
Пожалуйста, посоветуйте мне (кажется, это подходящая тема).
Из эквалайзера полупроводникового диода видно, что при равномерном увеличении приложенного постоянного напряжения (я пока предполагаю только постоянное), увеличение тока постепенно замедляется. Поскольку R=U/I, из CVC видно, что с увеличением тока и напряжения сопротивление диода увеличивается. Поэтому на диод могут падать различные прямые напряжения.
Но не раз я видел, как участники форумов по электронике писали что-то вроде “падение напряжения на кремниевом диоде всегда 0,6-0,8 В”. Или из одной и той же песни: “биполярный транзистор управляется не напряжением, а током, поскольку напряжение на переходе эмиттер-база всегда одинаково и равно прямому падению напряжения на этом диоде”. Это правда?
Есть ли разница между словами “падение напряжения на диоде” и “падение напряжения на p-n переходе диода”? Я думаю, что понимаю, что такое потенциальный барьер p-n-перехода.
_________________
В случае смертельной опасности, когда вас терзают сомнения, бегайте маленькими кругами, размахивайте руками и кричите.
Как вы можете видеть, на дисплее цифрового мультиметра отображается значение порогового напряжения для схемы 1N5819. Поскольку это диод Шоттки, его значение невелико – всего 207 милливольт (мВ).
Как проверить диод?
Чтобы определить, неисправен ли диод, вы можете использовать следующую процедуру его проверки с помощью цифрового мультиметра.
Но сначала давайте вспомним, что такое полупроводниковый диод.
Полупроводниковый диод – это электронный прибор, обладающий свойством однонаправленной проводимости.
Диод имеет два выхода. Один из них называется катодом и является отрицательным. Другой вывод называется анодом. Это позитивно.
На физическом уровне диод представляет собой один p-n-переход.
Напомню, что полупроводниковые приборы могут иметь несколько p-n-переходов. Например, у динистора их три! Полупроводниковый диод – это простейший электронный прибор, основанный только на одном p-n-переходе.
Важно помнить, что диод проявляет свои рабочие характеристики только при прямом подключении. Что означает прямое соединение? Это означает, что к анодной клемме прикладывается положительное напряжение (+) подается на анодный вывод, а на катод диода подается отрицательное напряжение, т.е. (–). В этом случае диод открывается и через его p-n-переход начинает протекать ток через p-n-переход начинает протекать ток.
При обратном подключении, когда отрицательное напряжение (–) и положительное напряжение (+), диод закорочен и через него не протекает ток.
Это продолжается до тех пор, пока напряжение на обратно подключенном диоде не достигнет критического значения, после чего полупроводниковый кристалл повреждается. Это фундаментальное свойство диода – однонаправленная проводимость.
Подавляющее большинство современных цифровых мультиметров (тестеров) имеют функцию проверки диодов. Эта функция также может быть использована для тестирования биполярных транзисторов. На это указывает символ диода рядом с маркировкой переключателя режимов работы мультиметра.
Небольшое замечание! Следует понимать, что при тестировании диодов в прямом соединении на дисплее отображается не сопротивление спая, как думают многие, а его пороговое напряжение! Это также известно как падение напряжения на p-n-переходе. Это напряжение, при превышении которого p-n-переход полностью открывается и начинает пропускать ток. Если использовать аналогию, то это количество силы, прилагаемой для открытия двери для электронов. Это напряжение составляет от 100 до 1000 милливольт (мВ). Это то, что отображается на дисплее устройства.
В обратной цепи, когда минус (–), а катод тестера подключается к плюсу (+), то на дисплее не должно появиться никакого значения. Это указывает на то, что соединение в порядке и обратный ток не течет.
В документации (технических паспортах) импортных диодов пороговое напряжение указывается как Прямое падение напряжения (аббревиатура от Vf), что дословно переводится как “прямое падение напряжения“.
Падение напряжения на самом p-n-переходе нежелательно. Если вы умножите ток, протекающий через диод (прямой ток), на падение напряжения, вы получите не что иное, как рассеиваемую мощность – мощность, которая бесполезно расходуется на нагрев компонента.
Подробнее о параметрах диодов можно прочитать здесь.
Проверка диода.
Чтобы все стало ясно, проверим выпрямительный диод 1N5819. Это диод Шоттки. Скоро мы об этом узнаем.
Мы проверим его с помощью мультитестера Victor VC9805+. Для удобства также использовалась беспаечная макетная плата.
Обратите внимание, что во время измерения нельзя держать штифты испытуемого образца и металлический щуп обеими руками. Это серьезная ошибка. В этом случае мы измеряем не только параметры диода, но и сопротивление нашего тела. Это может существенно повлиять на результат теста.
Зонды и выходы компонента можно держать только одной рукой! В этом случае в измерительную цепь включаются только сам измерительный блок и проверяемый элемент. Эта рекомендация также применима при измерении сопротивления резисторов и при проверке конденсаторов. Не забывайте об этом важном правиле!
Проверим диод в прямом подключении. В этом методе плюсовой зонд (красный) мультиметра подключается к аноду диода. Минусовой зонд (черный) подключен к катоду. На фотографии выше видно, что цилиндрический корпус диода имеет белое кольцо с одной стороны. Это сторона с катодным выводом. Катодный вывод большинства импортных диодов маркируется таким образом.
Как мы видим, значение порогового напряжения для 1N5819 видно на дисплее цифрового мультиметра. Поскольку это диод Шоттки, его значение невелико – всего 207 милливольт (мВ).
Теперь проверим диод при обратном подключении. Напомним, что диод не проводит ток в обратном соединении. Двигаясь дальше, мы замечаем, что даже в обратном режиме через p-n-переход все равно протекает небольшой ток. Это так называемый обратный ток (Irs). Однако он настолько мал, что его обычно не принимают во внимание.
Измените способ подключения диода к щупам мультиметра. Красный зонд к катоду и чёрный к аноду.
На дисплее появится сообщение “1” в старшем разряде дисплея. Это означает, что диод не проводит ток и его сопротивление велико. Итак, мы проверили диод 1N5819, и он полностью исправен.
Многие люди спрашивают: “Можно ли проверить диод, не выпаивая его из платы? Да, вы можете. Но вы должны выпаять из платы хотя бы один из его выводов. Это необходимо сделать, чтобы исключить влияние других компонентов, подключенных к тестируемому диоду.
Если этого не сделать, измерительный ток будет протекать через все, включая соединенные детали. Результатом проверки будет неправильное показание мультиметра!
В некоторых случаях этим правилом можно пренебречь, например, когда ясно, что на печатной плате нет деталей, которые могли бы повлиять на результат испытания.
Неисправности диодов.
У диода есть два основных недостатка. Это Сплит узел и Разомкнутая цепь.
Сплит. Когда диод выходит из строя, он становится обычным проводником и может свободно пропускать ток в прямом или обратном направлении. Обычно это приводит к тому, что мультиметр начинает жужжать и отображает на дисплее значение сопротивления спая. Это сопротивление очень мало и составляет несколько Ом или даже ноль.
Разомкнутая цепь. Когда возникает разомкнутая цепь, диод не проводит ток ни в прямом, ни в обратном соединении. В обоих случаях на дисплее устройства появится надпись “1“. При таком дефекте диод является изолятором. “Неисправный диод также может быть случайно диагностирован как разомкнутая цепь. Это особенно легко сделать, если щупы тестера изношены и повреждены. Убедитесь, что щупы находятся в хорошем состоянии, провода очень тонкие и могут легко порваться при частом использовании.
Теперь несколько слов о том, как падение напряжения в прямом направлении (Vf) можно использовать для приблизительного определения типа диода и материала, из которого он изготовлен.
Вот небольшая подборка, состоящая из конкретных диодов и их значений Vfзначения, полученные при их тестировании с помощью мультиметра. Все диоды были предварительно проверены на правильность работы.
Читайте далее:- Диоды Шоттки – устройство, типы, характеристики и применение; Школа электротехники: электротехника и электроника.
- Полупроводниковые диоды.
- Обратный ток. Что такое возвратный ток?.
- Правильное переключение светодиодов; STC ORBITA.
- Выпрямительные диоды; Школа для электриков: Электротехника и электроника.
- Расчет понижающего конденсатора.
- Типы эмиссии электронов.