Polovodičová dioda – zařízení a princip činnosti

Principem činnosti diody je její schopnost propouštět proud v určitém směru.

• anoda „+“;
• katoda „-„.

• polovodič;
• vakuum.

U prvního typu je pracovním prostředím polovodičový materiál s různými přísadami, například křemík nebo germanium.

Ve vakuu vzniká proud v důsledku emise elektronů z katody, všechny procesy probíhají, omluvte tautologii, ve vakuu. V současné době se polovodičové diody používají téměř všude.

Konstrukce a princip činnosti bude diskutován na příkladu usměrňovací diody (existují i ​​jiné typy, ale tento je častější).

Označení polovodičové diody (obr. 1a).

Anoda ve schématu je obvykle označena trojúhelníkem, katoda příčnou linií procházející vrcholem a rovnoběžnou se základnou.

Samotné označení může naznačovat pořadí připojení: vrchol trojúhelníku směřuje ve směru propustného proudu. Směr proudu je obvykle uvažován od „plus“ po „mínus“.

TYPY ZAPNUTÍ DIOD

Za přímé připojení se považuje připojení „+“ k anodě (obr. 1b). V tomto případě jsou hlavními charakteristikami takové charakteristiky jako stejnosměrný proud Ipr a napětí Upr.

Mimochodem, Upr je pokles napětí na diodě, je poměrně stabilní a pro většinu křemíkových verzí je 0,7-1,2 V. Budeme o tom mluvit podrobněji při zvažování charakteristiky proudového napětí (VAC).

Proud je určen zatěžovacím odporem a je charakterizován jmenovitými a maximálními přípustnými hodnotami.

První funguje, pokud je překročena druhá, dioda selže. Tomu se říká „rozpad“. Polovodičová součástka při poruše ztrácí svou vlastnost jednosměrné vodivosti a proud jím může protékat libovolným směrem.

Elektrický průraz je vratný a když proud klesne na normální hodnoty, výkon se obnoví.

Když se zařízení zahřeje, jde do odpadu. Elektrický průraz se po určité době může změnit v tepelný průraz. Mimochodem, porucha diody v důsledku tepelného rozpadu nastává v důsledku přehřátí krystalu a změn jeho vlastností.

Po opětovném zapnutí se na anodu aplikuje „mínus“ a na katodu „plus“ (obr. 1c).

Proud a napětí charakterizující tento provozní režim se nazývají reverzní. V tomto případě je proud Irev poměrně malý (zlomky miliampérů) a napětí se může měnit v širokém rozsahu, protože je aplikováno zvenčí a vše závisí na nás, kolik do něj „napumpujeme“.

Ale když je dosaženo maximální hodnoty zpětného napětí, určené charakteristikou diody, dojde opět k průrazu.

VOLT AMP CHARAKTERISTIKA DIODY

Proudově napěťová charakteristika ukazuje závislost proudu na napětí na svorkách polovodičové diody.

Je individuální a závisí nejen na účelu (technologii) zařízení (usměrňovač, tunel, Schottkyho atd.), ale také na jeho typu v rámci funkčního určení. Například různé typy usměrňovacích diod budou mít, i když různé, I-V charakteristiky.

Proto charakteristika uvedená na obr. 2 je určena pouze pro ilustraci principu činnosti diody.

Pravý horní kvadrant znázorňuje provoz v přímém zapojení, levý dolní – v opačném zapojení.

Věnujte pozornost několika charakteristickým bodům.

Vypínací napětí Uopen.

Jedná se o již zmíněných 07-1,2 Voltů. Dokud napětí nedosáhne této hodnoty, bude proud i v přímém zapojení malý.

Po otevření nemá výrazný nárůst proudu znatelný vliv na nárůst napětí na diodě.

Poruchový proud Ipr.

V tomto okamžiku dojde k elektrickému průrazu a dioda přestane normálně fungovat.

V zásadě se o tom píše výše, takže se u těchto charakteristik ve vztahu ke grafu jednoduše krátce zastavím.

Průrazné napětí Uprob.

Zpětné napětí způsobující poruchu polovodičové diody. Vezměte prosím na vědomí, že dokud není dosaženo této hodnoty, zpětný proud se mírně zvyšuje a poté se zvyšuje jako lavina.

Zde tedy zvažujeme pouze hlavní charakteristiky, které určují princip fungování.

Existuje mnoho dalších: teplota, frekvence atd., ale to se již týká oblasti hloubkového studia použití polovodičových diod pro různá obvodová řešení.

Pro konstrukci a realizaci jednoduchých úloh budou poskytnuté informace začátečníkovi stačit. Jako příklad si ukažme reálný obvod.

JEDNODUCHÝ OBVOD POLOVODIČOVÉ DIODY

Představte si, že máte nějaký druh zařízení napájeného baterií, například rádio. Pro jejich záchranu, pokud je v blízkosti elektrická síť, bych chtěl připojit externí napájení.

při absenci standardní schopnosti implementovat automatický přechod na externí jednotku při jejím připojení a naopak – přepnutí na bateriové napájení při odpojení adaptéru.

Schéma je až směšně jednoduché (obr. 3).

Zpočátku máme přijímač (PR) a baterii (GB) – obr. 3a.

Do napájecího jističe (A-B) umístíme diodu (libovolný usměrňovač s napětím alespoň 20 V a proudem např. 100 mA).

V bodě B připojíme konektor pro napájení „+“ ze zdroje (PSU), mínus na společný vodič „0“. Napětí zdroje a baterií musí být stejné. Dostaneme schéma na obr. 3b.

Jak to funguje.

Při absenci vnějšího napětí je dioda v otevřeném stavu a proud z vestavěných prvků proudí do přijímače. Vezměte prosím na vědomí, že v tomto případě ztratíme 0,7-1,2 V na diodě – ti, kteří si pozorně přečtou článek, by neměli mít žádné otázky.

Taková ztráta zpravidla neovlivňuje výkon přijímače.

Po připojení externí jednotky se napětí v bodě B rovná 9 V, stejně jako v bodě A. Dioda se zavře, protože není k dispozici požadované vypínací napětí (viz CVC). Baterie jsou vypnuté a napájení je napájeno z adaptéru.

Odpojit – dioda se otevře a připojí baterii, princip je jednoduchý.

Mimochodem, tímto způsobem můžete implementovat automatický přechod na záložní napájení pro jakékoli slaboproudé zařízení. Pokud dojde k výpadku síťového napětí, jednotka se vypne a napájení bude pocházet ze záložního zdroje GB.

Existuje pouze jedna nevýhoda – toto schéma neposkytuje automatické dobíjení, pokud je baterie použita jako záloha.

* * *
© 2014–2025 Všechna práva vyhrazena.
Materiály stránek mají informační charakter, mohou vyjadřovat názor autora a nesmějí být používány jako směrnice a normativní dokumenty.

Rychlý rozvoj a rozšiřování oblastí použití elektronických zařízení je dáno zdokonalováním základny prvků, jejímž základem jsou polovodičová zařízení. Proto, abychom porozuměli fungování elektronických zařízení, je nutné znát strukturu a princip fungování hlavních typů polovodičových zařízení.

Polovodičové materiály z hlediska jejich měrného odporu zaujímají mezilehlou polohu mezi vodiči a dielektrikem.

Hlavními materiály pro výrobu polovodičových součástek jsou křemík (Si), karbid křemíku (SiC), sloučeniny galia a india.

Elektrická vodivost polovodičů závisí na přítomnosti nečistot a vnějších energetických vlivů (teplota, záření, tlak atd.). Tok proudu určují dva typy nosičů náboje – elektrony a díry. V závislosti na chemickém složení se rozlišují čisté a nečisté polovodiče.

Pro výrobu elektronických zařízení se používají pevné polovodiče s krystalickou strukturou.

Polovodičová zařízení jsou zařízení, jejichž činnost je založena na využití vlastností polovodičových materiálů.

Klasifikace polovodičových součástek

Polovodičové rezistory jsou vyrobeny na bázi bezpřechodových polovodičů:

Lineární rezistor – měrný odpor závisí málo na napětí a proudu. Je to „prvek“ integrovaných obvodů.

Varistor – odpor závisí na použitém napětí.

Termistor – odpor závisí na teplotě. Existují dva typy: termistor (odpor klesá s rostoucí teplotou) a pozistory (odpor se zvyšuje s rostoucí teplotou).

Fotorezistor – odpor závisí na osvětlení (záření). Tenzometr – odolnost závisí na mechanické deformaci.

Princip činnosti většiny polovodičových součástek je založen na vlastnostech přechodu pn elektron-díra.

Jedná se o polovodičové zařízení s jedním pn přechodem a dvěma vývody, jehož činnost je založena na vlastnostech pn přechodu.

Hlavní vlastností pn přechodu je jednosměrná vodivost – proud teče pouze jedním směrem. Konvenční grafické označení (UGO) diody má tvar šipky, která udává směr toku proudu zařízením.

Konstrukčně se dioda skládá z pn přechodu uzavřeného v pouzdře (s výjimkou mikromodulárních bez obalu) a dvou vývodů: z p-oblasti – anoda, z n-oblasti – katoda.

Tito. Dioda je polovodičové zařízení, které prochází proud pouze jedním směrem – od anody ke katodě.

Závislost proudu zařízením na přiloženém napětí se nazývá proudově-napěťová charakteristika (voltampérová charakteristika) zařízení I=f(U). Jednosměrná vodivost diody je patrná z její proudově-napěťové charakteristiky (obr. 1).

Obrázek 1 – Proudově-napěťová charakteristika diody

Podle účelu se polovodičové diody dělí na usměrňovače, univerzální diody, pulsní diody, zenerovy diody a stabilizátory, tunelové a reverzní diody, LED a fotodiody.

Jednosměrná vodivost určuje usměrňovací vlastnosti diody. Při přímém připojení („+“ k anodě a „-“ ke katodě) je dioda otevřená a protéká jí poměrně velký dopředný proud. V opačném zapojení („-“ k anodě a „+“ ke katodě) je dioda zablokována, ale protéká malý zpětný proud.

Usměrňovací diody jsou určeny k přeměně nízkofrekvenčního střídavého proudu (obvykle menšího než 50 kHz) na stejnosměrný, tzn. pro narovnání. Jejich hlavními parametry jsou maximální přípustný propustný proud Ipr max a maximální přípustné zpětné napětí Uo6p max. Tyto parametry se nazývají limitní parametry – jejich překročení může zařízení částečně nebo úplně vyřadit z provozu.

Pro zvýšení těchto parametrů se vyrábí diodové sloupky, sestavy, matice, což jsou sériově paralelní, můstkové nebo jiné spoje pn přechodů.

Univerzální diody se používají k usměrnění proudů v širokém rozsahu frekvencí (až několik stovek megahertzů). Parametry těchto diod jsou stejné jako u usměrňovačů, jsou zavedeny pouze doplňkové: maximální pracovní frekvence (MHz) a kapacita diody (pF).

Pulzní diody jsou určeny pro převod pulzního signálu a používají se ve vysokorychlostních pulzních obvodech. Požadavky na tyto diody souvisí se zajištěním rychlé odezvy zařízení na pulzní charakter přiváděného napětí – krátká doba přechodu diody ze sepnutého stavu do otevřeného stavu a zpět.

Zenerovy diody jsou polovodičové diody, jejichž úbytek napětí závisí jen málo na protékajícím proudu. Slouží ke stabilizaci napětí.

Varicaps – princip činnosti je založen na vlastnosti pn přechodu měnit hodnotu kapacity bariéry, když se na něm změní zpětné napětí. Používají se jako napěťově řízené proměnné kondenzátory. V obvodech se varikapy přepínají v opačném směru.

LED jsou polovodičové diody, jejichž princip činnosti je založen na vyzařování světla pn přechodem, když jím prochází stejnosměrný proud.

Fotodiody – zpětný proud závisí na osvětlení pn přechodu.

Schottkyho diody jsou založeny na přechodu kov-polovodič, díky čemuž mají výrazně vyšší výkon než běžné diody.

Obrázek 2 – Grafické označení diod

Přečtěte si více o diodách zde:

Tranzistor je polovodičové zařízení určené k zesilování, generování a převádění elektrických signálů a také ke spínání elektrických obvodů.

Charakteristickým rysem tranzistoru je schopnost zesilovat napětí a proud – napětí a proudy působící na vstupu tranzistoru vedou k výskytu výrazně vyšších napětí a proudů na jeho výstupu.

S rozšířením digitální elektroniky a pulzních obvodů je hlavní vlastností tranzistoru jeho schopnost být v otevřeném a uzavřeném stavu pod vlivem řídicího signálu.

Tranzistor dostal svůj název podle zkratky dvou anglických slov tran(sfer) (re)sistor – řízený odpor. Tento název není náhodný, protože pod vlivem vstupního napětí aplikovaného na tranzistor lze odpor mezi jeho výstupními svorkami nastavit ve velmi širokém rozsahu.

Tranzistor umožňuje regulovat proud v obvodu od nuly do maximální hodnoty.

— podle principu působení: pole (unipolární), bipolární, kombinované.

– podle hodnoty ztrátového výkonu: nízká, střední a vysoká.

– podle hodnoty mezní frekvence: nízko-, středně-, vysoko- a ultravysokofrekvenční.

— podle provozního napětí: nízké a vysoké napětí.

— podle funkčního účelu: univerzální, zesilovač, klíč atd.

— podle provedení: nezarámované a zabalené, s pevnými a ohebnými přívody.

V závislosti na vykonávaných funkcích mohou tranzistory pracovat ve třech režimech:

1) Aktivní režim – používá se k zesílení elektrických signálů v analogových zařízeních. Odpor tranzistoru se mění z nuly na maximální hodnotu – říkají, že se tranzistor „lehce otevře“ nebo „lehce zavře“.

2) Režim saturace – odpor tranzistoru má tendenci k nule. V tomto případě je tranzistor ekvivalentní sepnutému reléovému kontaktu.

3) Režim cut-off – tranzistor je uzavřený a má vysoký odpor, tzn. je ekvivalentní otevřenému reléovému kontaktu.

Režimy saturace a cutoff se používají v digitálních, pulzních a spínacích obvodech.

Bipolární tranzistor je polovodičové zařízení se dvěma pn přechody a třemi vývody, které poskytuje výkonové zesílení elektrických signálů.

U bipolárních tranzistorů je proud způsoben pohybem nosičů náboje dvou typů: elektronů a děr, což určuje jejich název.

Na schématech mohou být tranzistory znázorněny jak v kruhu, tak bez něj (obr. 3). Šipka ukazuje směr toku proudu v tranzistoru.

Obrázek 3 – Konvenčně – grafické označení tranzistorů npn (a) a pnp (b)

Základem tranzistoru je polovodičová destička, ve které jsou vytvořeny tři sekce se střídajícími se typy vodivosti – elektronická a dírová. V závislosti na střídání vrstev se rozlišují dva typy struktury tranzistoru: npn (obr. 3, a) a pnp (obr. 3, b).

Emitor (E) – vrstva, která je zdrojem nosičů náboje (elektronů nebo děr) a vytváří proud zařízení;

Kolektor (K) – vrstva, která přijímá nosiče náboje přicházející z emitoru;

Báze (B) je střední vrstva, která řídí proud tranzistoru.

Když je tranzistor připojen k elektrickému obvodu, jedna z jeho elektrod je vstup (zdroj vstupního střídavého signálu je zapnut), druhá je výstup (zátěž je zapnuta) a třetí elektroda je společná s s ohledem na vstup a výstup. Ve většině případů se používá obvod se společným emitorem (obrázek 4). Do základny se přivádí napětí nejvýše 1 V a do kolektoru více než 1 V, například +5 V, +12 V, +24 V atd.

Obrázek 4 – Zapojovací obvody pro bipolární tranzistor se společným emitorem

Kolektorový proud se vyskytuje pouze tehdy, když teče základní proud Ib (určeno Ube). Čím více Ib, tím více Ik. Ib se měří v jednotkách mA a kolektorový proud se měří v desítkách a stovkách mA, tzn. IbIk. Proto, když je do báze přiváděn střídavý signál o malé amplitudě, malé Ib se změní a velké Ik se mění úměrně tomu. Při připojení zatěžovacího odporu na kolektorový obvod bude na něm vydán signál opakující tvar vstupu, ale s větší amplitudou, tzn. zesílený signál.

Mezi maximální přípustné parametry tranzistorů patří především: maximální přípustný výkon rozptýlený na kolektoru Pk.max, napětí mezi kolektorem a emitorem Uke.max, kolektorový proud Ik.max.

Pro zvýšení maximálních parametrů jsou vyráběny tranzistorové sestavy, které mohou čítat až několik stovek paralelně zapojených tranzistorů uzavřených v jednom pouzdře.

Bipolární tranzistory se nyní používají stále méně, zejména v technologii spínání napájení. Jejich místo zaujímají tranzistory MOSFET s efektem pole a kombinované tranzistory IGBT, které mají v této oblasti elektroniky nepochybné výhody.

U tranzistorů s efektem pole je proud určen pohybem nosičů pouze jednoho znaménka (elektronů nebo děr). Na rozdíl od bipolárních je tranzistorový proud řízen elektrickým polem, které mění průřez vodivého kanálu.

Protože ve vstupním obvodu neprotéká žádný proud, je spotřeba tohoto obvodu prakticky nulová, což je nepochybně výhoda tranzistoru s efektem pole.

Konstrukčně se tranzistor skládá z vodivého kanálu typu n nebo p, na jehož koncích jsou oblasti: zdroj emitující nosiče náboje a kolektor, který přijímá nosiče náboje. Elektroda, která slouží k regulaci průřezu kanálu, se nazývá brána.

Tranzistor s efektem pole je polovodičové zařízení, které reguluje proud v obvodu změnou průřezu vodivého kanálu.

Existují tranzistory s efektem pole s hradlem ve formě pn přechodu a s izolovaným hradlem.

U tranzistorů s efektem pole s izolovaným hradlem je mezi polovodičovým kanálem a kovovým hradlem izolační vrstva dielektrika – tranzistory MOS (kov – dielektrikum – polovodič), speciální pouzdro – oxid křemíku – tranzistory MOS.

Tranzistor MOS s vestavěným kanálem má počáteční vodivost, která je při absenci vstupního signálu (Uzi = 0) přibližně poloviční oproti maximu. U tranzistorů MOS s indukovaným kanálem není při napětí Uzi = 0 žádný výstupní proud, Ic = 0, protože zpočátku neexistuje žádný vodivý kanál.

Tranzistory MOS s indukovaným kanálem se také nazývají tranzistory MOSFET. Používají se především jako klíčové prvky například u spínaných zdrojů.

Klíčové prvky na tranzistorech MOS mají řadu výhod: signálový obvod není galvanicky spojen se zdrojem řídící činnosti, řídící obvod nespotřebovává proud a má obousměrnou vodivost. Tranzistory s efektem pole se na rozdíl od bipolárních tranzistorů nebojí přehřátí.

Přečtěte si více o tranzistorech zde:

Tyristor je polovodičové zařízení, které pracuje ve dvou stabilních stavech – nízká vodivost (tyristor zavřený) a vysoká vodivost (tyristor otevřený). Konstrukčně má tyristor tři nebo více pn přechodů a tři výstupy.

Kromě anody a katody poskytuje tyristorová konstrukce třetí svorku (elektrodu), která se nazývá řídicí svorka.

Tyristor je určen pro bezkontaktní spínání (zapínání a vypínání) elektrických obvodů. Vyznačují se vysokou rychlostí a schopností spínat proudy velmi významné velikosti (až 1000 A). Postupně jsou nahrazovány spínacími tranzistory.

Obrázek 5 – Konvenčně – grafické označení tyristorů

Dynistory (dvouelektrodové) – jako klasické usměrňovací diody mají anodu a katodu. S nárůstem propustného napětí při určité hodnotě Ua = Uon se dinistor otevře.

Tyristory (tyristory – tříelektrodové) – mají přídavnou řídicí elektrodu; Uon se mění řídicím proudem protékajícím řídicí elektrodou.

Pro převedení tyristoru do sepnutého stavu je nutné přivést zpětné napětí (- na anodu, + na katodu) nebo snížit propustný proud pod hodnotu zvanou přídržný proud Ihold.

Vypínací tyristor – lze přepnout do sepnutého stavu přivedením řídicího impulsu opačné polarity.

Triaky (symetrické tyristory) – vedou proud v obou směrech.

Tyristory se používají jako bezkontaktní spínače a řízené usměrňovače v automatizačních zařízeních a měničích elektrického proudu. V obvodech střídavého a pulzního proudu můžete měnit dobu otevření tyristoru, a tedy dobu, po kterou proud protéká zátěží. To umožňuje regulovat výkon dodávaný do zátěže.

Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře

Zjednodušte si výpočty elektrických obvodů, parametrů zařízení a dalších elektrotechnických úkolů s touto praktickou aplikací: Online kalkulačka elektrotechniky

Rozvíjejte své profesní dovednosti s katalogem specializovaných kurzů pro technické profesionály – vyberte si vhodný formát a témata.

Pokud se vám tento článek líbil, sdílejte odkaz na něj na sociálních sítích. Velmi to pomůže rozvoji našeho webu!

Nenechte si ujít aktualizace, přihlaste se k odběru našich sociálních sítí: