Какое напряжение нужно чтобы открыть диод

Электроника для всех

Блог о электронике

Диод. Часть 1

Как то я не особо расписывал эту незатейливую детальку. Ну диод и диод. Система ниппель. Пропускает в одну сторону, не пропускает в другую, чего уж проще. В принципе да, но есть нюансы. О них, да немного о прикидочном выборе данной детальки и будет эта статья.

▌Клапан
В двух словах, в нашей канализационной электрике для сантехников диод это клапан. Вот типа вот такого:

И да, будет большим допущением считать, что клапан пропускает в одну сторону, а не пропускает в другую. На самом деле все несколько сложней. На самом деле у клапана же есть некая упругость пружины, так вот пока прямое давление не преодолеет эту пружину никакого потока не будет, даже в прямом направлении.

Для диода это справедливо в той же мере. Есть у диода такой параметр как падение напряжения. Оно для диодов Шоттки составляет около 0.2…0.4вольт, а для обычных диодов порядка 0.6…0.8 вольт.

Из этого знания следует три простых вывода.

1) Чтобы ток шел через диод напряжение на диоде должно быть выше его падения напряжения.

2) Какой бы ток через диод не шел, на нем всегда будет напряжение примерно равное его падению напряжения (собственно потому его таки зовут). Т.е. сопротивление диода нелинейно и падает с ростом тока.

3) Включая в цепь диод последовательно с нагрузкой, мы потеряем на нагрузке напряжение равное падению напряжения диода. Т.е. если вы в батарейное питание на 4.5 вольт для защиты от переполюсовки поставите диод, то потеряете от батареек 0.7 вольт, что довольно существенно. Ваше устройство перестанет работать гораздо раньше чем реально сядут батарейки. А батареи не будут высажены до конца. В этом случае лучше ставить диод Шоттки. У него падение ниже чем у простого (но есть свои приколы). А лучше вообще полевой транзистор.

До кучи пусть будет еще и график:

Это вольт-амперная характеристика диода. По которой наглядно видно, что открывается он примерно от 0.7 вольт. До этого ток практически нулевой. А потом растет по параболе вверх с ростом напряжения. У резистора ВАХ была бы прямолинейной в прямом соответствии с законом Ома. А в обратку диод не то чтобы не пропускает, но ток там совсем незначительный, доли миллиампера. Но после определенного напряжения диод резко пробивает и он начинает открываться, падение напряжения устанавливается где-то на уровне предела по обратному напряжению, а после и вовсе сгорает. Ведь рост тока, да большое падение напряжения на диоде означают большие тепловые потери (P=U*I). А диод на них не рассчитан. Вот и сгорает обычно он после пробоя. Но если ограничить ток или время воздействия, чтобы тепловая мощность не превышала расчетную, то электрический пробой является обратимым. Но это касается только обычных диодов, не Шоттки. Тех пробивает сразу и окончательно.

А вот и реальная характеристика диода Vishay 1N4001

Прямая ВАХ, показан один квадрант, рабочий. Начинается гдето с 0.6 вольт. При этом ток там мизерный. А дальше, с ростом напряжения, диод начинает резко открываться. На 0.8 вольтах ток уже 0.2А, на 1 вольте уже под 2.5А и так далее, пока не сгорит 🙂

Вот вам и ответ на вопрос почему нельзя светодиоды втыкать последовательно на источник напряжения без токоограничения. Вроде бы падения скомпенсированы, ну что им будет то? А малейшее изменение напряжения вызывает резкое изменение тока. А источники питания никогда не бывают идеальными и разброс по питанию там присутствует всегда. В том числе и от температуры и нагрузки.

И обратная ВАХ, напряжение в процентах от максимального (т.к. даташит на все семейство диодов, от 4001 до 4007 и у них разное обратное напряжение). Тут токи уже в микроамперах и ощутимо зависят от температуры.

▌Выбор диодов. Быстрые прикидки.
В первом приближении у диода нам интересные три параметра — обратное напряжение, предельный ток и падение напряжения.

Т.е. если вы делаете выпрямитель в сетевое устройство, то диод вам хорошо бы вольт на 400, а лучше на 600 пробивного обратного напряжения. Чтобы с хорошим запасом было.

С предельным током все тоже просто. Он должен быть не меньше, чем через него потечет. Лучше чтобы был запас процентов в 30.

Ну, а падение обычно нужно учитывать для малых напряжений, батарейного питания.

Открываем даташит на … пусть это будет 1N4007 (обычный рядовой диод) и ищем искомые параметры. И сразу же видим искомое, табличку предельных значений Maximum Rating или как то так:

I_F(AV) прямой ток. Обозначается всегда как то так. Тут 1А. Предельный ток который этот диод тащит и не дохнет. Импульсно он протаскивает до 30А в течении 8.3мс (I_FSM), скажем заряд конденсаторов через себя переживет.

Предельное обратное напряжение определяется параметрами:
V_RRM — повторяющееся пиковое значение.
V_RMS — действующее значение синусоидального переменного напряжения. На западе принято называть его среднеквадратичным. У нас постепенно тоже приходят к такому обозначению.
V_DC — и просто обратное постоянное напряжение.

Ну, а падение смотрим по графикам в том же даташите под конкретный ток.

Есть еще диоды Шоттки, у них меньше внутренняя емкость и поэтому они во первых гораздо быстрей закрываются, что важно для импульсных преобразователей, работающих на большой частоте. А во вторых, имеют втрое ниже падение напряжение. Но, у них мало обратное пробивное напряжение. Классический диод Шоттки выглядит по даташитам примерно так:

Это 1N5819 стоящий в Pinboard II в преобразователе:

Падение напряжения можно измерить мультиметром, в режиме проверки диодов.

Он показывает падение в вольтах. И это падение обязательно надо учитывать, особенно в слаботочных цепях. Например, развязываете вы диодом какой-нибудь вывод микроконтроллера, с уходящим от него сигналом. Например, чтобы при подключении устройства в контроллер не потекло чего лишнего.

А сам контроллер (МК) должен подавать в устройство ХЗ логическую единицу. И, скажем, дает ее как 3.3 вольта. А если падение диода 0.6 вольт и у вас до Х.З. дойдет не 3.3 вольта, а меньше. А тут возникает вопрос, а воспримет ли Х.З. это как логическую единицу? Корректно ли это будет? Ну и, соответственно, решать проблемы если нет.

Светодиодов все это касается в той же мере. Только у них падение напряжения гораздо выше и зависит от цвета. Также, если хотите правильно вычислить ограничение резистора для светодиода, то измеряете его падение напряжения. Вычитаете из питания падение напряжения светодиода (или светодиодной цепи), а потом по полученному напряжению считаете по закону Ома сопротивление.

Например, имеем светодиод на с падением в 3 вольта. Его номинальный ток 10мА, а источник питания у нас 5 вольт. Итак, 5-3 = 2 вольта. Теперь на эти два вольта надо подобрать резистор, чтобы ток был 10мА. 2 / 0,01=200 ом.

Особенно важно правильно подбирать сопротивления для фонарей разных оптронов и прочих оптических датчиков. Иначе характеристики не предсказуемые.

Поэтому, кстати, нельзя включать светодиоды параллельно с общим токоограничивающим резистором. Т.к. диоды имеют разброс по характеристикам, даже если они из одной партии. А из-за малейшего отличия от соседей разница тока через один диод может быть весьма существенная. В результате один из диодов будет работать с перекалом, перегреется и сгорит. Токоограничивающий резистор ставят на каждый диод.

Во второй части этой статьи, которая уже написана, будет более детально расписаны остальные параметры и почему они образуются, исходя из полупроводниковой конструкции диода. А я пока картинки нарисую…

Спасибо. Вы потрясающие! Всего за месяц мы собрали нужную сумму в 500000 на хоккейную коробку для детского дома Аистенок. Из которых 125000+ было от вас, читателей EasyElectronics. Были даже переводы на 25000+ и просто поток платежей на 251 рубль. Это невероятно круто. Сейчас идет заключение договора и подготовка к строительству!

А я встрял на три года, как минимум, ежемесячной пахоты над статьями :)))))))))))) Спасибо вам за такой мощный пинок.

Источник

Принцип работы и назначение диодов

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

Принцип работы:

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

Устройство

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

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

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

Назначение

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

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

Прямое включение диода

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

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

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

Обратное включение диода

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

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

Прямое и обратное напряжение

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

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

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

Работа диода и его вольт-амперная характеристика

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

Подобный график можно описать следующим образом:

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

Основные неисправности диодов

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

Всего выделяют 3 основных типа распространенных неисправностей:

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

Пробой p-n-перехода

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

Обычно различается несколько видов:

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

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

Электрический пробой

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

При этом, пробои такого типа делятся на две разновидности:

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

Тепловой пробой

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

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

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

Источник