Еще в 1939 году было обнаружено, что переход между полупроводниками с различными типами проводимостью пропускает электрический ток только в одном направлении. Это открытие позволило создать полупроводниковый диод – несложный прибор, без которого невозможно представить твердотельную электронику и в наше время высоких технологий.
- Значение и применение диодов в электронике
- Внешний вид и определение полярности
- Описание структуры и принципа работы диода
- Основные технические параметры
- Маркировка и обозначение на схеме
- Разновидности диодов
- Силовые диоды
- Импульсные и высокочастотные диоды
- Диоды Шоттки
- Стабилитроны
- Варикапы
- Светодиоды
- Фотодиоды
- Примеры включения диода в электрических цепях
Значение и применение диодов в электронике
Способность проводить ток только в одном направлении широко используется в силовой электронике для выпрямления тока в источниках питания, преобразующих переменное напряжение в постоянное. Это применение диода самое очевидное, но не единственное.
Можно применить полупроводниковый прибор для развязки электрических цепей – там, где ток должен течь в определенных направлениях (ниже будет описана схема проверки ламп, основанная на подобном принципе). Обратная ветвь характеристики, где напряжение мало зависит от тока, может использоваться для стабилизации напряжений.
В слаботочной технике (электронике) часто используется нелинейность вольт-амперной характеристики диодов. Используя это свойство, можно построить детекторы или модуляторы для радиоприемной или передающей аппаратуры. Так как области с различной проводимостью образуют своеобразный конденсатор (и его характеристики зависит от приложенного напряжения), диоды можно использовать для изменения емкости в резонансных цепях. А еще диоды пригодятся в цепях переключения.
Внешний вид и определение полярности
Внешне эти полупроводниковые приборы могут выглядеть совершенно по-разному. Например, отечественный КД102 похож на стеклянную капельку, а КД105 выглядит, как пластиковый кирпичик. Устаревшие Д226 похожи на свое условно-графическое обозначение. Бывают диоды и в «транзисторных» корпусах.
При всем различии внешнего вида, у всех диодов есть характерный признак – количество выводов всегда равно двум. Бывает, что в один корпус помещается несколько диодов (диодная сборка). У сборки может быть три или более выводов.
Один вывод подключается к положительному полюсу питания и называется анодом, а другой – к минусу, и называется катодом. Если корпус имеет достаточные размеры, для определения расположения выводов на него наносится рисунок в виде УГО диода в соответствующем направлении.
Во многих случаях на корпусе нет места для нанесения полноценной графики, поэтому выводы помечают цветной точкой или кольцевой полоской. У зарубежных приборов и у некоторых отечественных метка ставится в районе катодного вывода. У многих отечественных диодов (КД102 и т.п.) помечается, наоборот, анод.
Некоторые типы полупроводниковых диодов (в основном, стабилитроны) имеют две метки разных цветов. Например, КС156 в стеклянном корпусе имеет две кольцевых полоски:
- Оранжевую со стороны катода.
- Белую со стороны анода.
По этим же полоскам и по окраске во многих случаях можно определить номинал (тип) диода. Если есть сомнения в цоколевке или маркировка отсутствует совсем, надо проверить прибор тестером в режиме прозвонки диодов. Если положительный вывод подключить к плюсовому щупу тестера, а отрицательный – к минусу, то тестер покажет какое-то сопротивление, зависящее от конструкции диода. При обратном подключении сопротивление будет бесконечным.
Еще проще для определения цоколевки воспользоваться специальным тестером.
Описание структуры и принципа работы диода
Полупроводниковый диод состоит из двух контактирующих участков полупроводника:
- n-типа (с избытком электронов);
- p-типа (с недостатком электронов) – на месте недостающих электронов образуются места с положительным зарядом, называемые дырками.
В месте контакта участков электроны и дырки частично рекомбинируют («лишние» электроны занимают пустые места), и здесь образуется область с высоким сопротивлением, в которой нет носителей заряда.
Если приложить к выводам диода напряжение в прямом направлении, электроны будут двигаться в сторону положительного электрода, а дырки – в сторону отрицательного.
На самом деле «дырки», конечно, двигаться не могут. Двигаться будут электроны, перемещаясь с одного пустого места на другое.
В этом случае в области контакта будет увеличиваться концентрация основных носителей, и через диод потечет ток. Если напряжение приложено в обратном направлении, носители заряда движутся в обратном направлении – от области контакта. В результате участок с повышенным сопротивлением будет расти, ток будет практически отсутствовать. Так работает диод.
Основные технические параметры
Для выбора диода в первую очередь обращают внимание на два основных параметра:
- Максимальный ток.
- Максимальное обратное напряжение.
В некоторых случаях этого достаточно.
Для специальных типов диодов или для работающих в специальных условиях могут потребоваться дополнительные параметры:
- обратный ток;
- падение напряжения;
- цвет свечения (для светодиодов);
- пределы изменения емкости (для варикапов);
- напряжение стабилизации (для стабилитронов);
- другие параметры.
Помимо электрических характеристик, важным может оказаться тип корпуса диода (например, для подбора аналога для замены неисправного прибора).
Маркировка и обозначение на схеме
Условно-графическое отображение диода на схеме символизирует его одностороннюю проводимость. Основой изображения диода служит равнобедренный треугольник, вершина которого направлена по направлению прохождения тока (в принятом в технической литературе направлении – от плюса к минусу). Каждый прибор имеет буквенный индекс (VD, D и т.п.) и порядковый номер (VD1, VD2 и т.д.).
Разновидности диодов
Диоды даже одинаковой конструкции могут выполнять в схемах различные задачи. Во многих случаях в зависимости от типа полупроводникового прибора его УГО дополняется небольшим элементом.
Силовые диоды
Эти приборы предназначены для выпрямления переменного тока в блоках питания. Они имеют большие (иногда очень большие) габариты, а их корпуса часто имеют возможность установки на теплоотводящий радиатор. УГО силовых диодов особенностей не имеет.
Импульсные и высокочастотные диоды
Этот тип приборов предназначен для работы на высоких частотах. Они имеют пониженную емкость перехода и небольшое время переключения из закрытого состояния в открытое и наоборот. Могут быть как миниатюрными, так и иметь достаточно большие размеры – в зависимости от мощности.
Диоды Шоттки
Диод Шоттки применяют там, где нужно пониженное падение напряжения в открытом состоянии. Достигается это применением перехода полупроводник-металл, вместо перехода p-полупроводника и n-полупроводника. Одновременно это увеличивает скорость переключения диода, но снижает выпрямительные свойства (благодаря повышенному обратному току).
Стабилитроны
Этот тип приборов предназначен для работы в режиме лавинного пробоя, который возникает при приложении обратного напряжения. В этом случае диод работает на обратной ветви характеристики, которая расположена достаточно круто к оси абсцисс. При этом ток может изменяться в широких пределах, а напряжение на переходе будет оставаться примерно постоянным. УГО такого диода имеет дополнительный элемент.
В данном качестве может применяться любой полупроводниковый диод. Отличие стабилитрона только в том, что его напряжение пробоя и угол наклона характеристики нормированы.
Варикапы
Варикапы используются в качестве конденсаторов, емкость которых зависит от приложенного обратного напряжения. Таким способом можно, например, изменять настройку резонансных цепей. Символ варикапа содержит объединенное изображение диода и конденсатора.
В этом качестве тоже можно использовать практически любой диод. Но у варикапов емкость и ее зависимость от напряжения нормирована.
Светодиоды
При прохождении тока через p-n переход происходит рекомбинация носителей заряда. В некоторых случаях она сопровождается излучением видимого, инфракрасного или ультрафиолетового света. Приборы, в которых эта способность является преобладающим свойством, определяющим их применение, называются светодиодами или LED. К их УГО добавляются две стрелки, символизирующие излучение изнутри прибора.
Фотодиоды
Обратное направление стрелок имеет обозначение фотодиода. В нем под действием световой энергии образуются носители заряда. Фотодиод может применяться, как светочувствительный элемент для обнаружения освещенности или для преобразования световой энергии в электрическую.
Существуют и другие типы диодов – лавинно-пролетные, туннельные, p-i-n диоды и т.д. Каждый такой прибор имеет свою область применения.
Примеры включения диода в электрических цепях
Самое очевидное применение полупроводниковых вентилей – выпрямитель переменного тока. В простейшем случае такое устройство состоит из одного диода, который проводит ток в одну сторону и «срезает» волны обратной полярности.
Эта схема не оптимальна. Она не позволяет полностью использовать мощность источника питания и требует громоздкого фильтра для сглаживания пульсаций. Чаще применяют двухполупериодную (мостовую) схему.
Здесь форма напряжения на выходе гораздо ближе к прямой. И эффективность использования мощности источника намного выше.
Работу диода по разделению цепей демонстрирует система сигнализации с контролем исправности ламп. Если одна из ламп выходит из строя, персонал не заметит появления аварийного сигнала, поэтому состояние ламп надо периодически контролировать. Для этого предусмотрена кнопка контроля, подключаемая через диоды. В результате при ее нажатии напряжение через диоды VD1, VD2..VDn поступит на соответствующие лампы. Без диодов срабатывание хотя бы одной линии сигнализации привело бы к зажиганию всех лампочек (через схему контроля).
Если источник сигнала — контакты реле, элементы VD01, VD02..VD0n можно не устанавливать. Они нужны лишь для защиты выходов аварийных датчиков в электронном исполнении.
Следующий пример использования диодов – параметрический стабилизатор. Стабилитрон здесь включен через балластное сопротивление R1, а нагрузкой служит резистор R2. В пределах, определяемых характеристиками стабилитрона, напряжение на R2 будет стабильным, вне зависимости от входного напряжения и номинала R2.
Из видео узнаете об обратном подключении диода.
Приведенными схемами применение полупроводниковых диодов, конечно, не исчерпывается. Область использования элементов с односторонней проводимостью и нелинейной ВАХ гораздо шире. По мере повышения квалификации специалиста можно осваивать и другие применения диодов.
