Как работает диод в цепи постоянного тока

Как работает диод в цепи постоянного тока

Свойство полупроводника p-n типа, проводить электрический ток в одном направлении и не проводить в обратном направлении, нашло применение в электронном приборе под названием «Диод».

На рисунке 1 показано прямое включение диода при котором диод проводит электрический ток, а на рисунке 2 обратное включение диода при котором диод не проводит электрический ток. Так ведет себя диод включенный в цепь постоянного тока. Токи и соответствующие им напряжения называются прямым током (при включении диода в проводящем направлении) и соответствующее ему напряжение — прямое напряжение. При обратном включении токи и напряжения соответственно называются обратным током и обратным напряжением.

На графике вольт — амперная характеристика выглядит как показано на рисунке. Так как диоды применяются в различных областях радио и электроники то основными параметрами диодов являются прямой Iпр ток и соответствующее ему прямое напряжение Uпр, допустимое обратное напряжение Uобр и соответствующий ему обратный ток Iобр.
Основное назначение диодов, это преобразование переменного тока в постоянный. Рассмотрим как, например, получить постоянный ток из переменного для питания радиоприемника.

Понижающий трансформатор (см. рисунок) преобразует переменное напряжение 220V осветительной сети в низкое 6V переменное напряжение (график 1). Так как диод пропускает ток только в одном направлении то после диода мы получим пульсирующее напряжение только с положительными полуволнами (График 2).
Для того, чтобы получить постоянное напряжение необходимо на выходе выпрямителя включить конденсатор.

При прохождении через диод положительной полуволны переменного тока конденсатор заряжается, в момент отрицательной полуволны переменного тока на выходе диода (точка А) напряжение отсутствует, но так как конденсатор заряжен то на его выводах присутствует постоянное напряжение. Конденсатор постепенно разряжается на нагрузку, в следующий положительный полупериод процесс повторяется, а график напряжения на выходе выпрямителя (точка А) выглядит так как показано на рисунке.
Мы видим, что на выходе выпрямителя присутствует не идеальное постоянное напряжение, а постоянное напряжение с небольшими пульсациями. Пульсации тем меньше, чем больше емкость конденсатора. Обычно в выпрямителях применяют электролитические конденсаторы большой емкости (от 1000 мкф и более). Еще больше сгладить пульсации можно если применить П образный фильтр (о котором мы говорили в теме «Индуктивности») состоящий из 2 конденсаторов С1 и С2 и дросселя L1.

Еще одно важное применение диодов, это детектирование сигналов. Когда мы изучали тему «Колебательный контур» то говорили, что выделенный колебательным контуром высокочастотный сигнал радиостанции подается на детектор чтобы преобразовать сигнал радиостанции в сигнал звуковой частоты. В эфире хорошо распространяются только высокочастотные сигналы. Высокочастотные сигналы радиостанций модулируются сигналами низкой (НЧ) (звуковой) частоты. Рассмотрим сигнал модулированный по амплитуде. Такой сигнал называется «Амплитудно — Модулированным» — АМ.

Высокая (несущая частота) изменяется по амплитуде низкочастотным сигналом (огибающей). В отличие от НЧ сигнала, частота ВЧ сигнала не меняется со временем.
В детекторе, после диода, НЧ и ВЧ сигналы разделяются.

ВЧ сигнал практически без помех проходит через конденсатор С1 на землю, а НЧ — звуковой сигнал проходит на усилитель низкой частоты, где усиливается и подается на громкоговоритель. Для нормальной работы диода на выходе детектора должна быть включена нагрузка. В нашем случае это сопротивление Rн.

Назначение диодов, это не только выпрямление переменного тока и детектирование сигналов. Существуют, например, такие диоды, как стабилизаторы напряжения. Стабилизирующие диоды называются «стабилитроны». Принцип работы таких диодов основан на пробое p-n перехода при подаче на диод обратного (когда диод не проводит электрического тока) напряжения.

При определенном напряжении (Uпр) p-n переход пробивается, обратный ток резко возрастает а напряжение на диоде остается неизменным (смотрите график). Схема включения стабилитрона показана на рисунке.

Ограничительный резистор Ro включен в цепи для того, чтобы на нем создавалось падение напряжения Ur равное разности между входным напряжением Uвх и выходным напряжением Uвых: Ur = Uвх — Uвых. Очевидно, что стабилизатор напряжения на стабилитроне не может отдавать большую мощность в нагрузку, поэтому такие стабилизаторы применяют как источник образцового напряжения для более мощных стабилизаторов, например на мощных транзисторах. При снятии напряжения со стабилитрона свойства его p-n перехода восстанавливаются.
В справочниках для стабилитронов указывается ток пробоя p-n перехода Iст и напряжение стабилизации Uст.

Так же к обширному классу диодов относятся светоизлучающие диоды которые при прохождении через них небольшого прямого тока излучают световые волны (от инфракрасного излучения до фиолетового).

Используются светодиоды, в основном, как экономичные индикаторы в различных бытовых и промышленных приборах, а так же в пультах дистанционного управления (инфракрасные) для различной электронной аппаратуры (телевизоры, музыкальные центры и т.д.).
Итак, мы знаем, что применение диодов в радиоэлектронной аппаратуре очень разнообразно, это выпрямление переменного тока, детектирование сигналов, стабилизация напряжения, световые индикаторы и так далее. На рисунке показаны наиболее распространенные типы диодов.

©Гуков Константин Михайлович 2006 — 2012 Почта: [email protected]

Что такое диод, устройство и принцип работы диодов, типы диодов, для чего они применяются

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.

Диоды применяются для выпрямления, ограничения напряжения, детектирования, модуляции, в качестве защитных элементов и т. д. — в зависимости от назначения устройства, в котором применяются.

Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока низкой частоты в пульсирующий ток одного направления.

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.

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.

К основным параметрам выпрямительного диода относятся прямой и обратный токи, выпрямленный ток, прямое и обратное напряжение, дифференциальное сопротивление, максимальная рабочая частота.

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.

Выпрямитель — это устройство, которое преобразует переменный ток в постоянный. Основными функциональными элементами являются диоды, которые пропускают ток только в одном направлении. Подходящим расположением диодов переменный ток в однофазной или трехфазной цепи преобразуется в пульсирующий, но однонаправленный ток. Для сглаживания результирующего тока можно использовать конденсаторы.

Нормальная работа диода в режиме выпрямления возможна в том случае, когда обратное напряжение не превышает пробивного значения, а выпрямленный ток не больше номинально допустимого при нормальной температуре диода. С повышением температуры диода прямой и обратный ток увеличиваются, а с понижением — уменьшаются. Пробивное напряжение с повышением температуры снижается.

Границы режимов, при которых диод работает с заданной надежностью, определяются предельными параметрами. К предельным параметрам относятся максимальные значения выпрямленного тока, допустимой мощности рассеяния на диоде, его рабочей температуры, пикового обратного напряжения.

Самые распространенные типы диодов:

• Выпрямительные диоды: эти диоды используются в схемах выпрямления переменного тока в постоянный. Они медленные, предназначены для работы с низкочастотными цепями, оптимизированы для низких потерь проводимости и могут выдерживать только умеренные динамические нагрузки. Типичное значение ton для силового диода составляет 5–20 мкс, а toff 20–100 мкс (соотношение Ton/Tof определяем быстродействие диода) . Номинальное напряжение варьируется от нескольких сотен вольт до 10 кВ, а номинальный ток варьируется в диапазоне от 1 А до 10 кА.
• Диоды с быстрым восстановлением: обычно это диоды-компаньоны для быстрых переключателей, таких как IGBT. Эти диоды оптимизированы для высоких динамических нагрузок, а также для применения в электронных переключателях. Типичное время ton находится в диапазоне несколько наносекунд, а типичное время toff находится в диапазоне от нескольких десятков наносекунд до нескольких микросекунд, в зависимости от номинала диода. Доступны номинальные значения напряжения и тока до 6 кВ и 3 кА соответственно.
• Быстродействующие диоды: они оптимизированы для высокочастотных приложений, таких как высокочастотные выпрямители в импульсных источниках питания. У них очень малое время восстановления (от 1 нс до 5 мкс). Номинальная мощность варьируется от нескольких сотен милливатт до нескольких киловатт.
• Диоды Шоттки: эти диоды имеют очень низкое падение напряжения в открытом состоянии и очень быстрое переключение. Падение напряжения в открытом состоянии может составлять всего 0,1–0,7 В. Для многих приложений, таких как высокочастотные выпрямители в источниках питания низкого напряжения, требуются быстродействующие диоды с низким падением напряжения в открытом состоянии. Диод Шоттки формируется путем нелинейного контакта между полупроводником N-типа (катод) и металлом (анод), создавая барьер Шоттки. Ток возникает из-за основных носителей, в результате чего незначительные неосновные носители сохраняются в дрейфовой области. Это значительно сокращает время выключения устройства. Диоды Шоттки на основе кремния имеют очень низкую (
• Стабилитроны: это диоды специального назначения, которые позволяют току течь в прямом, а также в обратном направлении. В обратном направлении они предназначены для работы в области пробоя. Стабилитроны рассчитаны на низкое напряжение пробоя, обычно от нескольких вольт до максимума 1 кВ. Прямой ток будет находиться в диапазоне от нескольких микроампер до 200 А.
• Светоизлучающие диоды: светоизлучающие диоды (СИД) излучают свет при активации. Они используются в основном в качестве индикаторов и элементов отображения информации. В последнее время их стали использовать для освещения.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Диод

Это электронный компонент, который пропускает электрический ток только в одну сторону – от анода к катоду. Диод также называют выпрямителем, так как он преобразует переменный ток в пульсирующий постоянный.

Из чего состоит диод

Полупроводниковый диод состоит из пластинки полупроводникового материала (кремний или германий) одна сторона пластинки – с электропроводностью р-типа, т.е. принимает электроны. Другая сторона отдает электроны и соответственно называется отдающей электроны, у нее проводимость n-типа. На внешние поверхности пластины нанесены контактные металлические слои, к которым припаяны проволочные выводы электродов диода.

Где используются диоды

1. Диодные мосты. В их составе может находиться от 4 до 12 диодов, которые последовательно соединены друг с другом. Они применяются для однофазных и трёхфазных схем, где выполняют функцию выпрямителей. В большинстве случаев такие диодные мосты устанавливаются на генераторах автомобилей. Благодаря им не только увеличивается надёжность устройства, но и уменьшаются его размеры.
2. Диодные детекторы. Они представляют собой конструкцию, которая сочетает в себе не только несколько диодов, но и конденсаторы. Благодаря этому достигается способность выделять модуляцию с низкими частотами из соответствующих сигналов. Такие детекторы часто используются при изготовлении радиоприёмников и телевизоров.
3. Диодная искрозащита. Для её создания применяются специальные диодные барьеры, которые ограничивают напряжение в имеющейся электрической цепи. Вместе с ними используются специальные токоограничительные резисторы, необходимые для контроля за величиной параметров проходящего электрического тока.
4. Переключатели на основе диодов. Эти устройства дополняются конденсаторами и коммутируют высокочастотные сигналы. При этом контроль за работой осуществляется с помощью подачи управляющего сигнала, разделения высоких частот и применения постоянного тока.

Схематическое обозначение диода

Чтобы лучше запомнить расположение Анода и Катода на схеме, представим себе следующую картину:

Принцип работы

Лучшим примером полярного устройства может послужить диод, который является односторонним “клапаном” для электрического тока. Принцип его действия аналогичен обратному клапану, используемому в водопроводе и гидравлических системах. В идеале, диод обеспечивает беспрепятственный поток для тока в одном направлении (практически не оказывая ему сопротивления), и препятствует этому потоку в обратном направлении (оказывая ему бесконечное сопротивление).

Если мы поместим диод в схему с батареей и лампочкой, то выполняемая им работа будет следующей:

Когда диод стоит в правильном направлении, разрешающем поток, лампочка горит. В противном случае диод блокирует поток электронов аналогично обрыву цепи, и лампочка гореть не будет.

Если мы используем общепринятое обозначение потока в цепи, то стрелка символа диода указывает на направление потока зарядов от положительного контакта к отрицательному:

Схематично диод можно представить как две пластинки полупроводника, одна из которых обладает электропроводностью типа p, другая – типа n. На рисунке область типа p – это анод, а область типа n – является отрицательным электродом или катодом.

Слой между типами n (negative) и p (positive) называется p-n переходом. Диод может находиться в одном из двух состояний – открытом (когда он хорошо проводит ток) и закрытом (когда он плохо проводит ток).

На некоторых диодах катод обозначают полоской, которая отличается от цвета корпуса.

Разновидности, обозначения

Сейчас в основном применяются полупроводниковые диоды. Рассмотрим подробнее некоторые их разновидности:

• Выпрямительный диод – также известен как защитный, кремниевый. Используются для преобразования переменного тока в постоянный.

• Диод Зеннера (Стабилитрон). Используют стабилитрон для стабилизации напряжения.

• Туннельный диод (диод Лео Эсаки). Используются в генераторах, усилителях.

• Светодиод (диод Генри Раунда) – при пропускании через него прямого тока, дает оптическое излучение.

• Фотодиод. Под действием света в нем появляется значительный обратный ток, и он может генерировать небольшую электродвижущую силу.

• Диод Шоттки – диод с малым падением напряжения при прямом включении. Также известен как сигнальный, германиевый. Открывается быстро, сгорает после пробоя обратным током.

• Лавинный диод – его принцип работы основан на лавинном пробое, используется для защиты цепей от перенапряжений.

Единицы измерения и маркировка

Система обозначений активных компонентов Pro Electron, введена в 1966 году. Согласно системе, диод кодируется:
Первая буква — это материал полупроводника:

• A — Germanium (германий);
• B — Silicium (кремний);

Вторая буква – это подкласс приборов:

• A — сверхвысокочастотные диоды;
• B — варикапы;
• X — умножители напряжения;
• Y — выпрямительные диоды;
• Z — стабилитроны, например:

В результате получается:

• AA-серия — германиевые сверхвысокочастотные диоды;
• BA-серия — кремниевые сверхвысокочастотные диоды;
• BY-серия — кремниевые выпрямительные диоды;
• BZ-серия — кремниевые стабилитроны.

Система обозначений кодировки диодов

1-эл. Код материала полупроводника	2-эл. Тип подкласса	3-эл. Серийный номер	4-эл. Буква модификации
A — германий	A — детекторный, смесительный диод	100 — 999 приборы общего применения	Модификации прибора
В — кремний	B — варикап	Z10. A99 приборы промышленного и специального применения
C — арсенид галлия	C — маломощный, низкочастотный транзистор
R — сульфид кадмия	D — мощный, низкочастотный транзистор
E — туннельный диод
F — маломощный, высокочастотный транзистор
G — несколько приборов в одном корпусе
H — магнитодиод
K — генераторы Холла
L — мощный, высокочастотный транзистор
M — модуляторы и умножители Холла
P — фотодиод, фототранзистор
Q — излучающие приборы
R — прибор, работающий в области пробоя
S — маломощный переключающий транзистор
T — мощный регулирующий или переключающий прибор
U — мощный переключающий транзистор
X — умножительный диод
Y — мощный выпрямительный диод
Z — стабилитрон

Цветовая маркировка диодов

Стабилитроны. Цветовая маркировка по системе JIS-C-7012 (Япония)			Диоды и стабилитроны. Цветовая маркировка по системе JEDEC (США)					Диоды. Цветовая маркировка по европейской системе PRO ELECTRON
Цвет полосы (точки)	1-й элемент	2-й элемент	1-й элемент	2-й элемент	3-й элемент	4-й элемент	5-й элемент	1-й элемент	2-й элемент	3-й элемент	4-й элемент
Золотой
Серебряный
Черный	0	0	0	0	0	—	AA	X	0
Коричневый	1	1	1	1	1	1	A	1	1
Красный	2	2	2	2	2	2	B	BA	S	2	2
Оранжевый	3	3	3	3	3	3	C	3	3
Желтый	4	4	4	4	4	4	D	T	4	4
Зеленый	5	5	5	5	5	5	E	V	5	5
Голубой	6	6	6	6	6	6	F	W	6	6
Фиолетовый	7	7	7	7	7	7	G	7	7
Серый	8	8	8	8	8	8	H	Y	8	8
Белый	9	9	9	9	9	9	I	Z	9	9
Пример обозначения
	10 В		1N66					BAT85
Двойной второй элемент указывает на запятую между цифрами
	7,5 В		1N237A
3,9 В		1N1420G

Вольт-амперная характеристика

После того, как напряжение в прямом направлении превысит небольшой порог VF диод открывается и начинает практически беспрепятственно пропускать ток, который создаётся оставшимся напряжением.

Если напряжение подаётся в обратном направлении, диод сдерживает ток вплоть до некоторого большого напряжения VDC после чего пробивается и работает также, как в прямом направлении.

Вольт амперная характеристика полупроводникового диода зависит от материала, из которого он изготовлен, прямого и дифференциального сопротивления, теплового потенциала и других параметров.

Если в цепь постоянного тока поставить диод, будет на выходе падать напряжение? Или не будет? Или только амперов меньше?

Прямое падение на германиевом 0,4 В, на кремниевом 0,7 В, примерно. В обратном включении на любой нагрузке получишь обратный ток. У кремниевых он микроАмперы или исчезающе мал, у германиевых на порядок выше. Напряжение, разность потенциалов, эдс, не упадёт, если нет нагрузки, но если есть нагрузка и её ток, напряжение упадёт на величину падения напряжения на диоде.

Остальные ответы

Это вопрос в СМИ нада, а не в политику))

Не знаю, я гуманитарий.