Устройство и принцип работы полупроводникового диода

Устройство и принцип работы диода

Диод — простейший полупроводниковый прибор, который можно встретить сегодня на печатной плате любого электронного устройства. В зависимости от внутренней структуры и технических характеристик, диоды классифицируются на нескольких видов: универсальные, выпрямительные, импульсные, стабилитроны, туннельные диоды и варикапы. Они применяются для выпрямления, ограничения напряжения, детектирования, модуляции и т. д. — в зависимости от назначения устройства, в котором применяются.

Основа диода — p-n-переход, сформированный полупроводниковыми материалами с двумя разными типами проводимости. К кристаллу диода присоединены два вывода, называемые катод (минусовой электрод) и анод (плюсовой электрод). На стороне анода находится область полупроводника p-типа, а на стороне катода — область n-типа. Данное устройство диода обеспечивает ему уникальное свойство — он проводит ток лишь в одном (прямом) направлении, от анода — к катоду. В обратном направлении обычный исправный диод ток не проводит.

В области анода (p-типа), основными носителями заряда являются положительно заряженные дырки, а в области катода (n-типа) — отрицательно заряженные электроны. Выводы диода представляют собой контактные металлические поверхности к которым и припаяны выводы.

Когда диод проводит ток в прямом направлении, это значит что он находится в открытом состоянии. Если ток через p-n-переход не идет, значит диод закрыт. Таким образом, диод может находиться в одном из двух устойчивых состояний: или открыт или закрыт.

Включив диод в цепь источника постоянного напряжения, анодом к плюсовой клемме, а катодом — к минусовой, получим смещение p-n-перехода в прямом направлении. И если напряжение источника окажется достаточным (для кремниевого диода хватит 0,7 вольт), то диод откроется и начнет проводить ток. Величина этого тока будет зависеть от величины приложенного напряжения и от внутреннего сопротивления диода.

Почему диод перешел в проводящее состояние? Потому что при правильном включении диода, электроны из n-области, под действием ЭДС источника, устремились к его положительному электроду, навстречу дыркам из p-области, которые теперь движутся в сторону отрицательного электрода источника, навстречу электронам.

На границе областей (на самом p-n-переходе) в это время происходит рекомбинация электронов и дырок, их взаимное поглощение. А источник вынужден непрерывно поставлять новые электроны и дырки в область p-n-перехода, увеличивая их концентрацию.

КОНСУЛЬТАЦИЯ ЮРИСТА


УЗНАЙТЕ, КАК РЕШИТЬ ИМЕННО ВАШУ ПРОБЛЕМУ — ПОЗВОНИТЕ ПРЯМО СЕЙЧАС

8 800 350 84 37

А что случится если диод включить наоборот, катодом к плюсовой клемме источника, а анодом — к минусовой?Дырки и электроны разбегутся в разные стороны — к выводам — от перехода, и в окрестности перехода возникнет зона обедненная носителями заряда — потенциальный барьер. Ток обусловленный основными носителями заряда (электронами и дырками) попросту не возникнет.

Но кристалл диода не идеален, в нем кроме основных носителей заряда присутствуют еще и неосновные носители заряда, которые и создадут очень незначительный обратный ток диода, измеряемый микроамперами. Но диод в данном состоянии закрыт, так как p-n-переход его смещен в обратном направлении.

Напряжение, при котором диод переходит из закрытого состояния в открытое, называется прямым напряжением диода (смотрите — Основные параметры диодов), которое по сути является падением напряжения на p-n-переходе. Сопротивление диода току в прямом направлении не постоянно, оно зависит от величины тока через диод и имеет размер порядка единиц Ом. Напряжение обратной полярности, при котором диод закрывается, называется обратным напряжением диода. Обратное сопротивление диода в этом состоянии измеряется тысячами Ом.

Очевидно, диод может переходить из открытого состояния в закрытое и обратно при смене полярности приложенного к нему напряжения. На данном свойстве диода основана работа выпрямителя. Так, в цепи синусоидального переменного тока диод будет проводить ток лишь во время положительной полуволны, а во время отрицательной — будет заперт.


Источник: http://electricalschool.info/electronica/2181-ustroystvo-i-princip-raboty-dioda.html

Изучение устройства и принципа работы полупроводникового диода

Цель работы: изучить электрические свойства р-n-перехода, а также устройство и принцип работы полупроводникового диода, снять вольтамперную характеристику диода.

7.1 Краткие теоретические сведения

Полупроводниковым диодом называется двухэлектродный прибор (диод), действие которого основано на электрических свойствах приконтактного слоя между полупроводниками различной примесной проводимости, так называемого р‑п-перехода. Ярко выраженная односторонняя проводимость р‑п-перехода (вентильное свойство) обусловливает их применение для выпрямления переменного тока и, в частности, для детектирования модулированных электромагнитных сигналов. Принципиальная часть прибора может быть получена вплавлением в германиевую пластинку капли индия при температуре 500…600°С (рис. 7.1, а). Конструкцией прибора предусмотрена установка полупроводникового кристалла на теплоотводящую пластину. К пластине и к индию припаяны электроды для подсоединения прибора в электрическую цепь. Вся конструкция помещена в защитный кожух. Силовые диоды требуют установки их на дополнительных теплоотводящих радиаторах. Возможный внешний вид прибора представлен на рис. 7.1, б. Рядом, на рис. 7.1, в, представлен условный знак для обозначения полупроводниковых диодов в электрических схемах.

Для уяснения физических основ работы диода и его особенностей необходимо рассмотреть электрические свойства р‑п- перехода. Рассмотрим электрический контакт двух полупроводников

где Dq = enSl- заряд, перенесенный в процессе диффузии одним видом носителей тока (модуль заряда одной из «пластин» конденсатора); е — заряд носителей тока; п – концентрация носителей; S — площадь поперечного сечения зоны контакта.

Подстановка выражения для перемещенного заряда дает возможность вычислить l:

Контактная разность потенциалов — обычно порядка одного вольта. Диэлектрическая проницаемость, например германия, e = 16; e = = 8,85×10 ‑12 Ф/м; п ≈ 10 21 1/м 3 . Подстановка этих данных в формулу (7.2) дает результат: l ≈ 10 ‑6 м, что составляет несколько тысяч межатомных слоев и приводит к большому сопротивлению приконтактного слоя в целом. Именно этот двойной электрически заряженный слой, обедненный основными носителями тока, носит название запорного слоя или р‑п-перехода.

Читайте так же:  Уступка дебиторской задолженности

Рассмотренные выше процессы в р-п-переходе схематичны. В действительности примесная проводимость осуществляется на фоне проводимости базового кристалла германия или кремния, а она есть проводимость смешанного типа (см. п. 3.1). Следовательно, наряду с основными примесными носителями тока, существуют неосновные: в р‑области — это электроны, а в п-области — дырки. Электрическое поле двойного электрического слоя препятствует перемещению основных носителей заряда. Однако это поле будет ускоряющим для неосновных носителей заряда, и они начнут переходить в области с противоположной электропроводностью. Переход не основных носителей приводит к уменьшению объемного заряда и электрического поля в переходе. Как следствие, имеет место дополнительный диффузионный ток основных носителей, в результате чего электрическое поле в переходе стремится к исходному значению. В конечном итоге устанавливается динамическое равновесие, при котором через р-n-переход движутся два встречных потока носителей тока, взаимно компенсирующих друг друга. Суммарная плотность тока через р-n-переход в состоянии равновесия равна нулю.

Сопротивление двойного электрического слоя в полупроводниках сильно зависит от полярности подключения внешнего источника тока. Подключение внешнего источника тока к р-п-переходу положительным полюсом к р-области, а отрицательным к п-области способствует уменьшению высоты потенциального барьера, уменьшает глубину l этого слоя [см. формулу (7.2) и рис. 7.3], что способствует возобновлению диффузионных потоков носителей и прохождению тока через р-п-переход. Такое подключение называется прямым или пропускным. Направление подключения, когда к п-области подключают плюс, а к р-области – минус, способствует увеличению высоты потенциального барьера и увеличивает глубину l этого слоя. Основной ток через р-п-переход отсутствует. Это направление включения называется обратным или запорным. Таким образом, р-п-переход обладает ярко выраженной односторонней проводимостью, что и определяет его использование в качестве нелинейного элемента в электрических цепях для выпрямления, например, переменного тока и прочее.

Благодаря наличию наряду с примесной основной проводимости базовых материалов кристаллов и, тем самым, неосновных носителей, электрическое поле р-п-перехода способствует движению неосновных носителей и через переход идет обратный ток. Этот ток в миллионы раз меньше основного, однако, он создает дополнительные трудности в использовании полупроводниковых приборов. В частности, в процессе работы материал кристалла разогревается, что способствует росту собственной проводимости и увеличению обратного тока. При достижении температур, когда примесная проводимость истощается (см. п. 1.6.2 и рис. 1.13), ток прямого и обратного направления практически сравняется, р-п-переход исчезнет. Для борьбы с такими явлениями требуется стабилизация температурного режима работы полупроводниковых приборов.

Основной характеристикой полупроводникового диода является его вольтамперная характеристика, то есть зависимость тока через прибор при прямом и обратном напряжениях, прикладываемых к нему (рис. 7.4). Так как обратный ток в десятки миллионов раз меньше прямого, то на едином рисунке и в едином масштабе график можно представить только условно.

Основным рабочим параметром диода является коэффициент выпрямления, устанавливающий отношение прямого и обратного токов через прибор при равных по модулю напряжениях:

Особенности вольт-амперной характеристики диода позволяют понять его выпрямляющее и детектирующее свойство. На рис. 7.5 представлены графики подаваемого на диод синусоидального напряжения и результат превращения его в практически знакопостоянный пульсирующий ток после диода. Обратный ток в миллионы раз меньше прямого. Тем не менее его наличие неизбежно даже теоретически.

7.2 Экспериментальная установка и метод исследования

Исследуется полупроводниковый диод промышленного образца, установленный на теплоотводящем радиаторе. Строится его вольтамперная характеристика и определяется коэффициент выпрямления.

Пропускное и запорное направления тока требуют использования электроизмерительных приборов различных диапазонов измерений. По этой причине используются две измерительные установки, принципиальные электрические схемы которых приведены на рис. 7.6, а и 7.6, б.

При прямом включении (см. рис. 7.6, а) используется источник выпрямленного напряжения на 6 В. Соответственно использован вольтметр с диапазоном измерений от до 3 В и амперметр на 5 А. В схеме для исследования запорного направления (см. рис. 7.6, б) использован источник выпрямленного напряжения на 200 В. Для измерения напряжения использован вольтметр с диапазоном измерений от до 300 В и микроамперметр на 100 мкА. В реальных схемах вместо регулирования напряжения потенциометром R может использоваться лабораторный автотрансформатор ЛАТР, который включается в сеть на 220 В и регулирует напряжение, подаваемое на выпрямитель.

7.3 Порядок выполнения работы

1 Собрать установку по схеме рис. 7.6, а. Поставить регулятор напряжения на нулевое значение напряжения.

2 Изменяя напряжение Uпрот до I В через 0,1 В, измерять силу тока Iпр. Результаты заносить в табл. 7.I. По окончании измерений поставить регулятор напряжения в нулевое положение и отключить напряжение.

Таблица 7.1

Uпр, В 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
Iпр, А

3 Собрать установку по схеме рис. 7.6, б. Поставить регулятор напряжения на нулевое значение напряжения.

4 Изменяя напряжение Uобр от до I20…180 В через каждые 20 В,измерять силу тока Iобр. Результаты заносить в табл. 7.2. По окончании измерений поставить регулятор напряжения в нулевое положение и отключить напряжение.

Uобр, В 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Iобр, мкА

7.4 Обработка результатов измерений

1 Построить вольтамперные характеристики диода при прямом и обратном включении на одном графике. Масштабы для нанесения значений прямого и обратного токов выбирать независимо друг от друга с условием заполнения поля графика, выполняемого в половину или в полную страницу. Графики проводятся плавными лекальными кривыми.

2 По графику прямого тока для напряжения, соответствующего практически прямолинейному участку (например, 0,6 В), определить силу тока Iпр.

3 Для вычисления коэффициента выпрямления необходимо определить силу обратного тока Iобр при таком же, как и для прямого тока, напряжении. Однако масштабы величин различные. Рекомендуется провести касательную к графику, как это показано на рис. 7.4, и определить обратный ток для напряжения порядка 60 В, а затем, соответственно, уменьшить ток в 100 раз.

Читайте так же:  Увольнение по статье за пьянство какая статья

Вернуться на главную страницу. или ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ

185.189.13.12 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

Источник: http://studopedia.ru/9_87903_izuchenie-ustroystva-i-printsipa-raboti-poluprovodnikovogo-dioda.html

Полупроводниковый диод

Устройство, параметры и разновидности диодов

В самом начале радиотехники первым активным элементом была электронная лампа. Но уже в двадцатые годы прошлого века появились первые приборы доступные для повторения радиолюбителями и ставшие очень популярными. Это детекторные приёмники. Более того они выпускались в промышленном масштабе, стоили недорого и обеспечивали приём двух-трёх отечественных радиостанций работавших в диапазонах средних и длинных волн.

Именно в детекторных приёмниках впервые стал использоваться простейший полупроводниковый прибор, называемый вначале детектором и лишь позже получивший современное название – диод.

Диод это прибор, состоящий всего из двух слоёв полупроводника. Это слой “p”- позитив и слой “n”- негатив. На границе двух слоёв полупроводника образуется “p-n” переход. Анодом является область “p”, а катодом зона “n”. Любой диод способен проводить ток только от анода к катоду. На принципиальных схемах он обозначается так.

Как работает полупроводниковый диод.

В полупроводнике “n” типа имеются свободные электроны, частицы со знаком минус, а в полупроводнике типа “p” наличествуют ионы с положительным зарядом, их принято называть «дырки». Подключим диод к источнику питания в обратном включении, то есть на анод подадим минус, а на катод плюс. Между зарядами разной полярности возникает притяжение и положительно заряженные ионы тянутся к минусу, а отрицательные электроны дрейфуют к плюсу источника питания. В “p-n” переходе нет носителей зарядов, и отсутствует движение электронов. Нет движения электронов – нет электрического тока. Диод закрыт.

При прямом включении диода происходит обратный процесс. В результате отталкивания однополярных зарядов все носители группируются в зоне перехода между двумя полупроводниковыми структурами. Между частицами возникает электрическое поле перехода и рекомбинация электронов и дырок. Через “p-n” переход начинает протекать электрический ток. Сам процесс носит название «электронно-дырочная проводимость». При этом диод открыт.

Возникает вполне естественный вопрос, как из одного полупроводникового материала удаётся получить структуры, обладающие различными свойствами, то есть полупроводник “n” типа и полупроводник “p” типа. Этого удаётся добиться с помощью электрохимического процесса называемого легированием, то есть внесением в полупроводник примесей других металлов, которые и обеспечивают нужный тип проводимости. В электронике используются в основном три полупроводника. Это германий (Ge), кремний (Si) и арсенид галлия (GaAs). Наибольшее распространение получил, конечно, кремний, так как запасы его в земной коре поистине огромны, поэтому стоимость полупроводниковых приборов на основе кремния весьма невысока.

При добавлении в расплав кремния ничтожно малого количества мышьяка (As) мы получаем полупроводник “n” типа, а легируя кремний редкоземельным элементом индием (In), мы получаем полупроводник “p” типа. Присадок для легирования полупроводниковых материалов достаточно много. Например, внедрение атомов золота в структуру полупроводника увеличивает быстродействие диодов, транзисторов и интегральных схем, а добавление небольшого числа различных примесей в кристалл арсенида галлия определяет цвет свечения светодиода.

Типы диодов и область их применения.

Семейство полупроводниковых диодов очень большое. Внешне они очень похожи за исключением некоторых групп, которые отличаются конструктивно и по ряду параметров. Наиболее распространены следующие модификации полупроводниковых диодов:

Выпрямительные диоды. Предназначены для выпрямления переменного тока.

Стабилитроны. Обеспечивают стабилизацию выходного напряжения.

Диоды Шоттки. Предназначены для работы в импульсных преобразователях и стабилизаторах напряжения. Например, в блоках питания персональных компьютеров.

Импульсные диоды отличаются очень высоким быстродействием и малым временем восстановления. Они применяются в импульсных блоках питания и в другой импульсной технике. К этой группе можно отнести и туннельные диоды.

СВЧ диоды имеют определённые конструктивные особенности и работают в устройствах на высоких и сверхвысоких частотах.

Диоды Ганна. Они предназначены для генерирования частот до десятков гигагерц.

Лавинно-пролётные диоды генерируют частоты до 180 ГГц.

Фотодиоды имеют миниатюрную линзу и управляются световым излучением. В зависимости от типа могут работать как в инфракрасном, так и в ультрафиолетовом диапазоне спектра.

Светодиоды. Излучают видимый свет практически любой длины волны. Спектр применения очень широк. Рассматриваются как альтернатива электрическим лампам накаливания и других осветительных приборов.

Твёрдотельный лазер так же представляет собой полупроводниковый диод. Спектр применения очень широк. От приборов военного назначения до обычных лазерных указок, которые легко купить в магазине. Его можно обнаружить в лазерных считывателях CD/DVD-плееров, а также лазерных уровнях (нивелирах), используемых в строительстве. Чтобы не говорили сторонники лазерной техники, как ни крути, лазер опасен для зрения. Так что, будьте внимательны при обращении с ним.

Также стоит отметить, что у каждого типа диодов есть и подгруппы. Так, например, среди выпрямительных есть и ультрабыстрые диоды. Могут называться как Ultra-Fast Rectifier, HyperFast Rectifier и т.п. Пример – ультрабыстрый диод с малым падением напряжения STTH6003TV/CW (аналог VS-60CPH03). Это узкоспециализированный диод, который применяется, например, в сварочных аппаратах инверторного типа. Диоды Шоттки являются быстродействующими, но не способны выдерживать больших обратных напряжений, поэтому вместо них применяются ультрабыстрые выпрямительные диоды, которые способны выдерживать большие обратные напряжения и огромные прямые токи. При этом их быстродействие сравнимо с быстродействием диодов Шоттки.

Параметры полупроводниковых диодов.

Параметров у полупроводниковых диодов достаточно много и они определяются функцией, которую те выполняют в конкретном устройстве. Например, в диодах, генерирующих СВЧ колебания, очень важным параметром является рабочая частота, а также та граничная частота, на которой происходит срыв генерации. А вот для выпрямительных диодов этот параметр совершенно не важен.

В импульсных и переключающих диодах важна скорость переключения и время восстановления, то есть скорость полного открытия и полного закрытия. В мощных силовых диодах важна рассеиваемая мощность. Для этого их монтируют на специальные радиаторы. А вот диоды, работающие в слаботочных устройствах, ни в каких радиаторах не нуждаются.

Читайте так же:  В состав дебиторской задолженности включаются

Но есть параметры, которые считаются важными для всех типов диодов, перечислим их:

U пр. – допустимое напряжение на диоде при протекании через него тока в прямом направлении. Превышать это напряжение не стоит, так как это приведёт к его порче.

U обр. – допустимое напряжение на диоде в закрытом состоянии. Его ещё называют напряжением пробоя. В закрытом состоянии, когда через p-n переход не протекает ток, на выводах образуется обратное напряжение. Если оно превысит допустимое значение, то это приведёт к физическому «пробою» p-n перехода. В результате диод превратиться в обычный проводник (сгорит).

Очень чувствительны к превышению обратного напряжения диоды Шоттки, которые очень часто выходят из строя по этой причине. Обычные диоды, например, выпрямительные кремниевые более устойчивы к превышению обратного напряжения. При незначительном его превышении они переходят в режим обратимого пробоя. Если кристалл диода не успевает перегреться из-за чрезмерного выделения тепла, то изделие может работать ещё долгое время.

I пр. – прямой ток диода. Это очень важный параметр, который стоит учитывать при замене диодов аналогами или при конструировании самодельных устройств. Величина прямого тока для разных модификаций может достигать величин десятков и сотен ампер. Особо мощные диоды устанавливают на радиатор для отвода тепла, который образуется из-за теплового действия тока. P-N переход в прямом включении также обладает небольшим сопротивлением. На небольших рабочих токах его действие не заметно, но вот при токах в единицы-десятки ампер кристалл диода ощутимо нагревается. Так, например, выпрямительный диодный мост в сварочном инверторном аппарате обязательно устанавливают на радиатор.

I обр. – обратный ток диода. Обратный ток – это так называемый ток неосновных носителей. Он образуется, когда диод закрыт. Величина обратного тока очень мала и его в подавляющем числе случаев не учитывают.

Видео (кликните для воспроизведения).

U стаб. – напряжение стабилизации (для стабилитронов). Подробнее об этом параметре читайте в статье про стабилитрон.

Кроме того следует иметь в виду, что все эти параметры в технической литературе печатаются и со значком “max”. Здесь указывается предельно допустимое значение данного параметра. Поэтому подбирая тип диода для вашей конструкции необходимо рассчитывать именно на максимально допустимые величины.

Источник: http://go-radio.ru/diod.html

Полупроводниковый диод: устройство, принцип работы и основные виды

Когда-то, на заре развития радиотехники, одним из первых активных элементов, вызвавших настоящую революцию в создании всевозможных схем, считалась электронная лампа. Она была довольно большой и дорогой. Но уже в первые десятилетия прошлого века были изобретены детекторные приемники. Принципиальные схемы этих устройств стали весьма популярными у радиолюбителей, поскольку в каждой из них использовался сравнительно дешевый полупроводниковый диод. Именно из его первоначального названия такие радиоприемники назывались детекторными. А сейчас этот элемент попросту называют диодом. На схемах этот прибор обозначают треугольником с вертикальной черточкой у вершины, параллельной его основанию, а на вид он чем-то напоминает обычный резистор, часто имеющий на одном конце «шляпку».

Принцип работы полупроводникового диода

Устройство данного элемента состоит всего из двух слоев полупроводника, в роли которого часто используют германий либо кремний. Первый из них обладает электропроводимостью n-типа (негатив), а второй – электропроводимостью p-типа (позитив). На их границе образуется так называемый «p-n»-переход. При этом зона «р» выступает в качестве анода, а область «n» — в роли катода. Благодаря такому устройству полупроводниковый диод содержит в себе свободные частицы противоположных зарядов. В слое «р» имеются положительные ионы, которые называют «дырками», а в слое «n» – отрицательно заряженные свободные электроны.

Каким бывает полупроводниковый диод

Внешне все разновидности этого радиоэлемента очень похожи друг на друга. Отличия характерны лишь для некоторых групп, которые отличаются как по ряду параметров, так и по своей конструкции. Попробуем выделить самые распространенные модификации полупроводниковых диодов:

    Выпрямительный. Как нетрудно догадаться по названию, этот тип используется для получения постоянного тока.

Сложно представить себе нынешнее развитие технологий без этого замечательного небольшого прибора.

Источник: http://www.syl.ru/article/110956/poluprovodnikovyiy-diod-ustroystvo-printsip-rabotyi-i-osnovnyie-vidyi

Принцип работы полупроводникового диода

Полупроводниковый диод – это прибор, в основе которого лежат свойства полупроводника, с двумя выводами и наличием одного электрического перехода. В отличие от обычных диодов, принцип работы такого диода основан на p-n переходе.

Все такие диоды классифицируются по назначению на:

  • импульсные;
  • варикапы;
  • высокочастотные;
  • туннельные;
  • верхвысокочастотные (СВЧ);
  • полупроводниковые стабилитроны;
  • обращенные.

По конструктивным особенностям на:

  • точечные;
  • плоскостные.

Тип исходного материала, из которого изготавливается полупроводниковый диод, может быть:

  • кремний;
  • арсенид-галлия;
  • германий.

Основной принцип работы полупроводникового диода заключается в следующем:

состоит диод из слоев полупроводника типов p и n. На стыке соединения этих слоев образуется сам p-n переход. Электрод, который подключен к p, называют анодом, а электрод, подключенный к n, соответственно катодом. Существует состояние, при котором ни к катоду, ни к аноду не прикладывается напряжение, при этом полупроводниковый диод находиться в так называемом состоянии покоя. В части n находятся свободные электроны, а в части p положительно заряженные ионы называемые дырками. Вследствие того, что существуют частицы с зарядами разных знаков, в местах их нахождения происходит возникновение электрического поля и притягивание их друг к другу. Существуют два вида включения диода – прямое и обратное.

На практике, подключая полупроводниковый диод с обратным напряжением, происходит возникновение очень маленького тока, который может быть измерен только микро либо нано амперах. Вследствие сильного напряжения кристаллическая структура диода может быть легко разрушена, и прибор начнет очень хорошо проводить электрический ток. Такой вид напряжения называют напряжением пробоя.

После процесса разрушения диод не подлежит восстановлению, и прибор выходит из строя. При прямом виде подключения, между анодом и катодом должно быть определенное значение напряжения, чтобы диод начал проводить электрический ток. Для разных типов материала существует разное значение такого напряжения.

Читайте так же:  За сколько можно подать на алименты

Источник: http://radio-magic.ru/beginners/6-diod

Полупроводниковые диоды. Устройство, принцип действия

Диодом называется контактное соединение двух полупроводников, один из которых с электронной n — электропроводностью, другой с дырочной p -электропроводностью. На рис.7.6 изображены: структра диода и его условное обозначение. Диод имеет два электрода анод и катод, где (–) — катод, (+) — анод.

Рис 7.6. Структра диода и его условное обозначение

Диффузия свободных электронов и свободных дырок образует тонкий пограничный слой с разностью потенциалов, называемой напряженностью электрического поля . Пограничный слой обладает бесконечным сопротивлением и называется запирающим p-n-переходом. При отсутствии внешнего электрического поля ток через p-n-переход равен .

Наличие внешнего электрического поля EB, подключенного к диоду, зависит от его полярности. Если внешнее электрическое поле EB, направлено по направлению (рис.7.7), то миллиамперметр покажет небольшой обратный ток . Ток через диод не проходит, так как сопротивление пограничного слоя равно бесконечности.

Рис.7.7. Опытная проверка закрытого состояния диода

Если внешнее электрическое поле EB, направлено противоположно направлению (рис.7.8), то миллиамперметр покажет прямой ток . Ток

через диод проходит, так как сопротивление пограничного слоя незначительно.

Рис.7.8. Опытная проверка открытого состояния диода

На рис.7.9 изображена схема питания диода через нагрузочное сопротивление.

Рис 7.9. Электрическая цепь с диодом и нагрузкой

Вольтамперная характеристика диода (рис 7.10) показывает, что диод обладает односторонней проводимостью и пропускает ток только в прямом направлении.

Рис.7.10. Вольтамперная характеристика диода

Полупроводниковые диоды подразделяются на выпрямительные диоды, импульсные диоды, стабилитроны, светодиоды и фотодиоды. Выпрямительные диоды используют в выпрямителях для выпрямления переменных токов частотой

50Гц ÷ 50кГц. Импульсные диоды используют для выпрямления токов при импульсах микросекундной и наносекундной длительности.

Стабилитроны предназначены для стабилизации напряжения на нагрузке при изменении питающего напряжения. На рис.7.11 изображена вольтамперная характеристика стабилитрона, которая показывает, что стабилизация напряжения на нагрузке осуществляется при обратном напряжении в предельных границах обратного тока.

Рис 7.11. Вольтамперная характеристика стабилитрона

На рис.7.12 приведена схема простейшего стабилизатора напряжения, в котором питающее напряжение U = IR + Uст, а общий ток I = Iст + Iн. Здесь изменяется ток I на ограничительном сопротивлении R за cчёт изменения тока Iст, проходящего через стабилитрон. При этом нагрузочный ток и напряжение на нагрузке Uст не изменяются.

Рис.7.12. Схема простейшего стабилизатора напряжения

Светодиодами называют электронные приборы, которые излучают свет при прохождении через них тока в прямом направлении. Основным параметром светодиода является яркость свечения при токе и напряжении . На рис.7.13 приведена схема подключения светодиода к источнику питания.

Рис.7.13. Схема подключения светодиода к источнику питания

Вернуться на главную страницу. или ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ

185.189.13.12 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

Источник: http://studopedia.ru/2_108980_poluprovodnikovie-diodi-ustroystvo-printsip-deystviya.html

Типы выпрямителей переменного тока

Какие бывают выпрямители?

Ещё в начале ХХ века имел место очень принципиальный спор между корифеями электротехники. Какой ток выгоднее передавать потребителю на большие расстояния: постоянный или переменный? Научный спор выиграли сторонники передачи переменного тока по проводам высоковольтных линий от подстанции к потребителю. Эта система принята во всём мире и успешно эксплуатируется до сих пор.

Но большинство электронной техники и не только бытовой, но и промышленной питается постоянными напряжениями и это привело к созданию целой отрасли электрики – преобразование (выпрямление) переменного тока. После того как электронная лампа была забыта, главным элементом любого выпрямителя стал полупроводниковый диод.

Схемотехника выпрямителей весьма обширна, но самым простым является однополупериодный выпрямитель.

Однополупериодный выпрямитель.

Напряжение с вторичной обмотки силового трансформатора подаётся на один единственный диод. Вот схема.

Поэтому выпрямитель и назван однополупериодным. Выпрямляется только один полупериод и на выходе получается импульсное напряжение. Форма его показана на рисунке.

Схема проста и не требует большого количества элементов. Это и сказывается на качестве выпрямленного напряжения. При низких частотах переменного напряжения (например, как в электросети — 50 Гц) выпрямленное напряжение получается сильно пульсирующим. А это очень плохо.

Для того чтобы снизить величину пульсации выпрямленного напряжения приходится брать величину конденсатора С1 очень большую, порядка 2000 – 5000 микрофарад, что увеличивает размер блока питания, так как электролиты на 2000 — 5000 мкф имеют довольно большие размеры. Поэтому на низких частотах эта схема практически не используется. Зато однополупериодные выпрямители прекрасно зарекомендовали себя в импульсных блоках питания работающих на частотах 10 – 15 кГц (килогерц). На таких частотах величина ёмкости фильтра может быть очень небольшой, а простота схемы уже не столь сильно влияет на качество выпрямленного напряжения.

Примером использования однополупериодного выпрямителя может служить простой зарядник от сотового телефона. Так как зарядник сам по себе маломощный, то в нём применяется однополупериодная схема, причём как во входном сетевом выпрямителе 220V (50Гц), так и в выходном, где требуется выпрямить переменное напряжение высокой частоты со вторичной обмотки импульсного трансформатора.

К несомненным достоинствам такого выпрямителя следует отнести минимум деталей, низкую стоимость и простые схемные решения. В обычных (не импульсных) блоках питания многие десятилетия успешно работают двухполупериодные выпрямители.

Двухполупериодные выпрямители.

Они бывают двух схемных решений: выпрямитель со средней точкой и мостовая схема, известная, как схема Гретца. Выпрямитель со средней точкой требует более сложного в исполнении силового трансформатора, хотя диодов там используется в два раза меньше чем в мостовой схеме. К недостаткам двухполупериодного выпрямителя со средней точкой можно отнести то, что для получения одинакового напряжения, число витков во вторичной обмотке трансформатора должно быть в два раза больше, чем при использовании мостовой схемы. А это уже не совсем экономично с точки зрения расходования медного провода.

Читайте так же:  Приобрести квартиру по военной ипотеке

Далее на рисунке показана типовая схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой.

Величина пульсаций выпрямленного напряжения меньше чем у однополупериодного выпрямителя и величину конденсатора фильтра так же можно использовать гораздо меньшую. Наглядно увидеть, как работает двухполупериодная схема можно по рисунку.

Как видим, на выходе выпрямителя уже в два раза меньше «провалов» напряжения — тех самых пульсаций.

Активно применяется схема выпрямителя со средней точкой в выходных выпрямителях импульсных блоков питания для ПК. Так как во вторичной обмотке высокочастотного трансформатора требуется меньшее число витков медного провода, то гораздо эффективнее применять именно эту схему. Диоды же применяются сдвоенные, т.е. такие, у которых общий корпус и три вывода (два диода внутри). Один из выводов — общий (как правило катод). По виду сдвоенный диод очень похож на транзистор.

Наибольшую популярность приобрела в бытовой и промышленной аппаратуре мостовая схема. Взгляните.

Можно без преувеличения сказать, что это самая распространённая схема. На практике вы с ней ещё не раз встретитесь. Она содержит четыре полупроводниковых диода, а на выходе, как правило, ставится RC-фильтр или только электролитический конденсатор для сглаживания пульсаций напряжения.

О данной схеме уже рассказывалось на странице про диодный мост. Стоит отметить, что и у мостовой схемы есть недостатки. Как известно, у любого полупроводникового диода есть так называемое прямое падение напряжения (Forward voltage dropVF). Для обычных выпрямительных диодов оно может быть 1 — 1,2 V (зависит от типа диода). Так вот, при использовании мостовой схемы на диодах теряется напряжение, равное 2 x VF, т.е. около 2 вольт. Это происходит потому, что в выпрямлении одной полуволны переменного тока участвуют 2 диода (затем другие 2). Получается, что на диодном мосте теряется часть напряжения, которое мы снимаем со вторичной обмотки трансформатора, а это явные потери. Поэтому в некоторых случаях в составе диодного моста применяются диоды Шоттки, у которых прямое падение напряжения невелико (около 0,5 вольта). Правда, стоит учесть, что диод Шоттки не рассчитан на большое обратное напряжение и очень чувствителен к его превышению.

Большой интерес вызывает выпрямитель с удвоением напряжения.

Выпрямитель с удвоением напряжения.

Принцип удвоителя напряжения Латура-Делона-Гренашера основан на поочерёдном заряде-разряде конденсаторов С1 и С2 разными по полярности полуволнами входного напряжения. В результате между катодом одного диода и анодом второго диода возникает напряжение в два раза превышающее входное. Схема в студию:)

Стоит отметить, что данная схема применяется в блоках питания нечасто. Но её можно смело использовать, если необходимо вдвое увеличить напряжение, которое снимается со вторичной обмотки трансформатора. Это будет более логичным и правильным решением, чем перематывать вторичную обмотку трансформатора с целью увеличить выходное напряжение вторичной обмотки в 2 раза (ведь при этом придётся наматывать вторичную обмотку с вдвое большим числом витков). Так что, если не удалось найти подходящий трансформатор — смело применяем данную схему.

Развитием схемы стало создание умножителя на полупроводниковых диодах.

Умножитель напряжения.

Каждый диод и конденсатор образуют «звено» и эти звенья можно соединять последовательно до получения напряжения в несколько десятков киловольт. Конечно, для этого входное напряжение тоже должно быть достаточно большим.

На рисунке изображён четырёхзвенный умножитель и на выходе мы получаем напряжение в четыре раза превышающее входное (U). Эти выпрямители получили большое распространение там, где нужно получить высокое напряжение при достаточно малом токе. Например, по такой схеме были выполнены источники высокого напряжения в старых телевизорах и осциллографах для питания анода электронно-лучевой трубки.

Сейчас такие источники питания используются в научных лабораториях, в детекторах элементарных частиц, в медицинской аппаратуре (люстра Чижевского) и в оружии самообороны (электрошокер). При повторении подобных конструкций и подборе деталей, следует учитывать рабочее напряжение, как диодов, так и конденсаторов исходя из напряжения, которое вы хотите получить. Весь умножитель, как правило, заливается специальным компаундом или эпоксидной смолой во избежание высоковольтных пробоев между элементами схемы.

Для нормальной работы некоторых устройств как, например, люстры Чижевского необходимы достаточно высокие напряжения. Как считают специалисты, излучатель отрицательных аэроионов, эффективен только при напряжении не менее 60 киловольт.

Трёхфазные выпрямители.

Устройства, которые используются для получения постоянного тока из переменного трёхфазного тока, называются трёхфазными выпрямителями. Трёхфазные выпрямители в бытовой технике, конечно, не используются. Единственный прибор, который может использоваться в быту это сварочный аппарат. В качестве трёхфазных выпрямителей используются наработки двух известных электротехников Миткевича и Ларионова. Самая простая схема Миткевича называется «три четверти моста параллельно», что означает три силовых диода включенных параллельно через вторичные обмотки трёхфазного трансформатора. Схема.

Коэффициент пульсаций на нагрузке очень мал, что позволяет использовать конденсаторы фильтра небольшой ёмкости и малых габаритов.

Более сложной является схема Ларионова, которая называется «три полумоста параллельно», что это такое хорошо видно из рисунка.

В схеме используется уже шесть диодов и немного другая схема включения. Вообще схем трёхфазных выпрямителей достаточно много и наиболее совершенной, хотя редко употребляемой является схема «шесть мостов параллельно», а это уже 24 диода! Зато эта схема может выдавать высокое напряжение при большой мощности.

Трёхфазные мощные выпрямители используются в электровозах, городском электротранспорте (трамвай, троллейбус, метро), в промышленных установках для электролиза. Так же промышленные системы очистки газовых смесей, буровое и сварочное оборудование используют трёхфазные выпрямители.

Теперь вы знаете, какие бывают выпрямители переменного тока и сможете легко обнаружить их на принципиальной схеме или печатной плате любого прибора. А для тех, кто хочет знать больше, рекомендуем ознакомиться с книгой «Полупроводниковые выпрямители».

Видео (кликните для воспроизведения).

Источник: http://go-radio.ru/vipramiteli.html

Устройство и принцип работы полупроводникового диода
Оценка 5 проголосовавших: 1

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here