Co je podstatou diody?
Dioda (z řeckého δις – „dva“ a ὁδός – „cesta“) je dvouelektrodové elektronické zařízení, které má různou elektrickou vodivost v závislosti na polaritě napětí, které je na něj aplikováno. Elektrody diody se nazývají anoda a katoda [1]. U většiny diod (vakuové diody, usměrňovací polovodičové diody) je při přivedení stejnosměrného napětí (kdy má anoda kladný potenciál vůči katodě) dioda otevřená (protéká jí stejnosměrný proud, elektrický odpor diody je nízký). Naopak, pokud je na diodu přivedeno zpětné napětí (katoda má kladný potenciál vůči anodě), pak je dioda uzavřena (elektrický odpor diody je vysoký, zpětný proud je malý a lze jej prakticky považovat za nulový). ).
- 1 Typy diod
- 2 elektrovakuové diody
- 2.1 Historie
- 2.2 Princip fungování
- 2.3 Proudově-napěťová charakteristika
- 3.1 přechod elektron-díra (pn přechod)
- 3.2 Proudově-napěťová charakteristika polovodičové diody
- 3.3 Klasifikace polovodičových diod a jejich označení ve schématu
- 4.1 Usměrňovače
- 4.1.1 Jednofázový půlvlnný usměrňovač na bázi polovodičové diody
- 4.1.2 Jednofázový celovlnný usměrňovač na bázi polovodičových diod
- 4.1.3 Elektronkové provedení obvodu usměrňovače
- 5.1 LED diody
- 5.2 Fotodiody
- 5.3 Varicaps
Diody mohou být vakuové, plněné plynem a polovodičové. V současné době se v naprosté většině případů používají polovodičové diody.
Elektrická vakuová dioda je nádoba (balónek), ve které vzniká vysoké vakuum. Válec obsahuje dvě elektrody – katodu a anodu. Přímo žhavená katoda je rovné vlákno nebo vlákno ve tvaru W ohřívané proudem vlákna. Nepřímo žhavená katoda je dlouhý válec nebo skříň, uvnitř které je položena elektricky izolovaná topná spirála [2].
Příběh
V roce 1873 si anglický vědec Frederick Guthrie všiml, že přiblížení do běla rozžhavené kovové desky spojené se zemí blízko kladně nabitého elektroskopu (ale bez dotyku jeho elektrody) způsobí vybití elektroskopu. To se nestalo, když byl elektroskop záporně nabitý [3].
V roce 1883 Thomas Edison znovu objevil tento efekt. Při práci na vylepšení uhlíkových vláken si všiml, že vnitřní povrch skleněných lamp postupně tmavne. Karbonový nános rovnoměrně pokryl celý povrch svítilny, kromě jednoho proužku v místě uchycení vlákna.
Edison umístil malou kovovou destičku mezi dvě nohy podpěry vlákna a zjistil, že když byla destička připojena ke kladnému pólu zdroje energie, objevil se v obvodu lampy malý elektrický proud. To se nestalo, když byla deska připojena k zápornému pólu [4].
1 – vlákno, 2 – katoda, 3 – proud elektronů, 4 – anoda
Podstatou objeveného efektu je, že koncentrace volných elektronů v kovech je poměrně vysoká, proto při zahřívání kovu získávají některé elektrony energii dostatečnou k překonání potenciálové bariéry na hranici kovu. Tento jev se nazývá termionická emise. S rostoucí teplotou roste počet elektronů s dostatečnou energií k překonání bariéry a v blízkosti povrchu kovu se tvoří elektronový mrak [5].
V Edisonově experimentu kladně nabitá deska přitahovala elektrony, zatímco záporně nabitá deska je odpuzovala. Tento jev byl aplikován ve dvouelektrodové vakuové trubici zvané termionická dioda nebo Flemingův ventil. Flemingův ventil), vynalezený v roce 1904 jako detektor pro rádiové přijímače [6]. Toto zařízení se nazývalo ventil, protože mělo schopnost propouštět elektrický proud pouze jedním směrem. Ventilem byla evakuovaná skleněná baňka obsahující dvě elektrody: vyhřívané vlákno (katodu) a anodu. V časných verzích ventilu byla anoda plochá kovová deska umístěná vedle katody, v pozdějších verzích se z ní stal kovový válec obklopující katodu. Samotná katoda se začala ohřívat samostatným vláknem [5].
Princip
Když je katoda zahřátá, elektrony opouštějí její povrch v důsledku termionické emise. Již při nulovém anodovém napětí vůči katodě (například při zkratování anody ke katodě) protéká výbojkou od katody k anodě malý tok elektronů, protože relativně rychlé elektrony překonávají potenciál prostorového náboje. dobře a jsou přitahovány k anodě. K přerušení proudu tedy dochází pouze tehdy, když je na anodu přivedeno záporné blokovací napětí v řádu (−1) V nebo nižší.
Po přivedení kladného napětí na anodu se v diodě objeví urychlující pole a anodový proud se zvýší. Když anodový proud dosáhne hodnot blízkých emisnímu limitu katody, růst proudu se zpomalí a poté se zastaví.
Vakuová dioda je tedy zařízení s jednosměrnou vodivostí. Pro účely demodulace se používají nízkovýkonové diody a pro přeměnu střídavého napětí na stejnosměrné (pro účely usměrnění) výkonové diody (kenotrony).
Proudově-napěťová charakteristika
Proudově napěťová charakteristika elektrické vakuové diody má tři charakteristické části [2] [5]:
Proudově-napěťová charakteristika elektrické vakuové diody
- Oblast nasycení. S dalším zvýšením anodového napětí se růst anodového proudu zpomalí a poté úplně zastaví, protože všechny elektrony unikající z katody dosáhnou anodu. Další zvýšení anodového proudu při daném napětí vlákna je nemožné, protože to vyžaduje další elektrony a není je kam dostat (emise elektronů z katody je vyčerpána). Anodový proud v ustáleném stavu se nazývá saturační proud.
Mezi polovodiče (materiály se specifickou vodivostí zaujímající mezilehlou polohu mezi vodiči a dielektrikem) patří mnoho chemických prvků (germanium, křemík, selen, telur, arsen a další), obrovské množství slitin a chemických sloučenin. Vlastnosti polovodičů lze řídit přidáním určitých nečistot do základního materiálu a vytvořením tzv. vodivosti nečistot [7]. Existují dva typy nečistot – donor a akceptor:
- Donorová nečistota je nečistota, která snadno daruje své elektrony jako volné vodivé elektrony. K tomu dochází, když je počet valenčních elektronů nečistoty přidané do čistého polovodiče větší než počet valenčních elektronů samotného polovodiče, takže u polovodičů s donorovou nečistotou jsou hlavními nosiči náboje elektrony. Takové polovodiče se nazývají polovodiče typu n (n-negativní) [7].
- Nečistota se nazývá akceptor, když počet valenčních elektronů nečistoty je menší než počet valenčních elektronů samotného polovodiče, proto jsou u polovodičů s akceptorovou nečistotou hlavními nosiči náboje díry. („Díra“ se tvoří v atomu, který „ztratil“ elektron. Termín „díra“ se ustálil a stal se oficiálním.) Polovodiče, ve kterých jsou hlavními nosiči náboje díry, se nazývají polovodiče typu p (p — pozitivní) [7].
Spojení elektron-díra (pn přechod)
Schematické znázornění oblastí p, n a vyčerpání
Pokud se vytvoří hraniční kontakt mezi dvěma polovodiči s různými typy vodivosti, pak hlavní proudové nosiče – díry v p-oblasti a volné elektrony v n-oblasti – difundují z jedné oblasti do druhé. Vlivem rekombinace (vzájemné neutralizace nábojů) elektronů a děr mezi oblastmi p a n vzniká tenká vrstva polovodiče, ochuzená o nosiče náboje – p-n přechod [5].
V zóně p-n přechodu se objevuje elektrické pole, směřující z n-oblasti do p-oblasti a bránící další difúzi děr a elektronů – vzniká tzv. potenciálová bariéra. Pokud je záporný pól zdroje konstantního napětí připojen k p-oblasti a kladný pól k n-oblasti, pak se potenciální bariéra zvýší o velikost aplikovaného napětí a většina proudových nosičů nebude schopný projít p-n přechodem. Pokud je naopak kladný pól zdroje připojen k p-oblasti a záporný pól zdroje k n-oblasti, pak se potenciálová bariéra sníží a většina proudových nosičů bude schopna projít p-n přechodem.
- Obrázek principu fungování pn přechodu
Dioda je nejjednodušší polovodičové zařízení, které lze dnes nalézt na desce plošných spojů jakéhokoli elektronického zařízení. V závislosti na vnitřní struktuře a technických vlastnostech jsou diody klasifikovány do několika typů: univerzální, usměrňovače, pulzní, zenerovy diody, tunelové diody a varikapy.
Diody se používají pro usměrnění, omezování napětí, detekci, modulaci, jako ochranné prvky atd. – podle účelu zařízení, ve kterém jsou použity.
Usměrňovací diody jsou určeny k usměrnění nízkofrekvenčního střídavého proudu na pulzující proud v jednom směru.
Základem diody je pn přechod tvořený polovodičovými materiály se dvěma různými typy vodivosti. Ke krystalu diody jsou připojeny dva vývody zvané katoda (záporná elektroda) a anoda (kladná elektroda). Na straně anody je oblast polovodiče typu p a na straně katody je oblast typu n.
Toto diodové zařízení mu poskytuje jedinečnou vlastnost – vede proud pouze v jednom (přímém) směru, od anody ke katodě. Normální pracovní dioda nevede proud v opačném směru.
V oblasti anody (typ p) jsou hlavními nosiči náboje kladně nabité otvory a v oblasti katody (typ n) – záporně nabité elektrony. Vývody diod jsou kontaktní kovové plochy, ke kterým jsou vývody připájeny.
Když dioda vede proud v propustném směru, znamená to, že je v otevřeném stavu. Pokud přes pn přechod neprotéká žádný proud, pak je dioda uzavřena. Dioda tedy může být v jednom ze dvou stabilních stavů: buď otevřená nebo zavřená.
Zapojením diody do obvodu zdroje konstantního napětí, s anodou na kladný pól a katodou na záporný pól, získáme předpětí pn přechodu v propustném směru. A pokud je napětí zdroje dostatečné (pro křemíkovou diodu stačí 0,7 voltu), pak se dioda otevře a začne vést proud. Velikost tohoto proudu bude záviset na velikosti použitého napětí a na vnitřním odporu diody.
Proč se dioda stala vodivou? Protože když je dioda správně zapnuta, elektrony z n-oblasti pod vlivem EMF zdroje spěchají k její kladné elektrodě, směrem k otvorům z p-oblasti, které se nyní pohybují směrem k záporné elektrodě zdroje. zdroje směrem k elektronům.
Na rozhraní oblastí (na samotném pn přechodu) v této době dochází k rekombinaci elektronů a děr a jejich vzájemné absorpci. A zdroj je nucen neustále dodávat nové elektrony a díry do oblasti pn přechodu, čímž se zvyšuje jejich koncentrace.
Co se stane, když se dioda zapne obráceně, s katodou na kladném pólu zdroje a anodou na záporném pólu? Díry a elektrony se od křižovatky rozptýlí různými směry – směrem ke svorkám a v blízkosti přechodu se objeví zóna ochuzená o nosiče náboje – potenciální bariéra. Proud způsobený hlavními nosiči náboje (elektrony a dírami) prostě nevznikne.
Diodový krystal ale není ideální kromě většinových nosičů náboje, obsahuje i menšinové nosiče náboje, které vytvoří velmi nepatrný zpětný proud diody, měřeno v mikroampérech. Ale dioda v tomto stavu je zavřená, protože její pn přechod je obrácený.
Mezi hlavní parametry usměrňovací diody patří propustné a zpětné proudy, usměrněný proud, propustné a zpětné napětí, rozdílový odpor, maximální pracovní frekvence.
Napětí, při kterém dioda přejde ze sepnutého stavu do otevřeného, se nazývá propustné napětí diody (viz – Základní parametry diod), což je v podstatě úbytek napětí na pn přechodu.
Odpor diody proti proudu v propustném směru není konstantní, závisí na velikosti proudu diodou a má velikost řádově několik ohmů. Napětí obrácené polarity, při kterém se dioda vypne, se nazývá zpětné napětí diody. Zpětný odpor diody v tomto stavu se měří v tisících ohmů.
Je zřejmé, že dioda se může přepnout z otevřené do zavřené a zpět, když se změní polarita napětí, které je na ni aplikováno. Na této vlastnosti diody je založen provoz usměrňovače.
V sinusovém obvodu střídavého proudu tedy dioda povede proud pouze během kladné půlvlny a během záporné půlvlny bude zablokována.
Usměrňovač je zařízení, které přeměňuje střídavý proud na stejnosměrný proud. Hlavním funkčním prvkem jsou diody, které umožňují průchod proudu pouze jedním směrem. Vhodným uspořádáním diod se střídavý proud v jednofázovém nebo třífázovém obvodu převádí na proud pulzující, ale jednosměrný. Pro vyhlazení výsledného proudu lze použít kondenzátory.
Normální provoz diody v usměrňovacím režimu je možný, když zpětné napětí nepřekročí hodnotu průrazu a usměrněný proud nepřekročí jmenovitě přípustnou hodnotu při normální teplotě diody. Se zvyšující se teplotou diody se propustné a zpětné proudy zvyšují a se snižováním teploty se snižují. Průrazné napětí klesá s rostoucí teplotou.
Hranice režimů, ve kterých dioda pracuje s danou spolehlivostí, jsou určeny omezujícími parametry. Mezi omezující parametry patří maximální hodnoty usměrněného proudu, přípustný ztrátový výkon na diodě, její provozní teplota a špičkové zpětné napětí.
Nejběžnější typy diod:
- Usměrňovací diody: Tyto diody se používají v usměrňovacích obvodech AC na DC. Jsou pomalé, určené pro nízkofrekvenční obvody, optimalizované pro nízké ztráty ve vedení a snesou pouze mírné dynamické zatížení. Typická hodnota ton pro výkonovou diodu je 5–20 μs a toff 20–100 μs (poměr Ton/Tof určuje rychlost diody). Jmenovité hodnoty napětí se pohybují od několika stovek voltů do 10 kV a jmenovité hodnoty proudu se pohybují od 1 A do 10 kA.
- Дrychle redukující jód: Obvykle se jedná o doprovodné diody pro rychlé spínače, jako jsou IGBT. Tyto diody jsou optimalizovány pro vysoké dynamické zatížení i pro použití v elektronických spínačích. Typické doby ton jsou v rozmezí několika nanosekund a typické doby toff jsou v rozmezí desítek nanosekund až několik mikrosekund, v závislosti na hodnocení diody. K dispozici jsou jmenovité hodnoty napětí a proudu až do 6 kV a 3 kA.
- Rychlé diody: Jsou optimalizovány pro vysokofrekvenční aplikace, jako jsou vysokofrekvenční usměrňovače ve spínaných napájecích zdrojích. Mají velmi rychlé doby zotavení (od 1 ns do 5 μs). Jmenovitý výkon se pohybuje od několika stovek miliwattů do několika kilowattů.
- Schottkyho diody: Tyto diody mají velmi nízký pokles napětí v zapnutém stavu a velmi rychlé spínání. Pokles napětí v zapnutém stavu může být až 0,1–0,7 V. Mnoho aplikací, jako jsou vysokofrekvenční usměrňovače v nízkonapěťových napájecích zdrojích, vyžaduje rychle působící diody s nízkým poklesem napětí v zapnutém stavu. Schottkyho dioda je tvořena nelineárním kontaktem mezi polovodičem typu N (katodou) a kovem (anodou), čímž vzniká Schottkyho bariéra. Proud pochází z většinových přenašečů, což má za následek zadržování menších menšinových přenašečů v oblasti unášení. Tím se výrazně zkrátí doba vypnutí zařízení. Schottkyho diody na bázi křemíku mají velmi nízkou (
- zenerovy diody: Jedná se o speciální diody, které umožňují proudění proudu v dopředném i zpětném směru. V opačném směru jsou určeny pro práci v oblasti poruchy. Zenerovy diody jsou navrženy pro nízké průrazné napětí, typicky několik voltů až maximálně 1 kV. Dopředný proud se bude pohybovat od několika mikroampérů do 200 A.
- Diody vyzařující světlo: Světelné diody (LED) při aktivaci vyzařují světlo. Používají se především jako indikátory a informační zobrazovací prvky. V poslední době se používají pro osvětlení.
Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře
