Диоды

Вольт-амперная характеристика

Диод характеризуется вольт-амперной кривой, которую можно разделить на 2 ветви: прямую и обратную. В обратном направлении ток утечки близок к 0, но с ростом напряжения он медленно увеличивается и при достижении напряжения пробоя начинает резко возрастать. В прямом направлении ток быстро нарастает с увеличением приложенного напряжения выше порога проводимости, который составляет 0,7 В для диодов из кремния и 0,4 В из германия. Элементы, в которых используются другие материалы, имеют другие вольт-амперные характеристики и напряжения порога проводимости и пробоя.

Диод c р-n-переходом можно рассматривать как устройство базового уровня. Он широко используется во многих приложениях – от сигнальных цепей и детекторов до ограничителей или подавителей переходных процессов в индукционных или релейных катушках и выпрямителей высокой мощности.

Катод — диод

При наличии объемного заряда у катода диода изменяются условия выхода и движения электронов.
 

Разность потенциалов между анодом и катодом диода создает электрическое поле, которое затрачивает энергию на перенос электронов от катода к аноду. Кинетическая энергия, приобретенная электронами на пути к аноду, отдается аноду при ударах электронов и выделяется в виде тепла. Так как в вакуумном промежутке энергия выделяться не может, то вся энергия, затраченная электрическим полем, выделяется на аноде.
 

Согласно рисунку между анодом и катодом диода напряжение будет отрицательным в течение времени, проходящего от точки в до точки г. Таким образом, в течение этого отрезка времени диод окажется запертым и ток в его пепи, а следовательно, и по нагрузке протекать не будет. Эго и отображают ломаные линии 4 для огибающих импульсов диода и 2 для постоянной составляющей тока диода.
 

Разность потенциалов между анодом и катодом диода создает электрическое поле, которое затрачивает энергию на перенос электронов от катода к аноду. Кинетическая энергия, приобретенная электронами на пути к аноду, при ударах электронов отдается аноду и выделяется в виде тепла. Так как в вакуумном промежутке энергии выделяться не может, то вся энергия, затраченная электрическим полем, выделяется на аноде.
 

Разность потенциалов между анодом и катодом диода создает электрическое поле, которое затрачивает энергию на перенос электронов от катода к аноду.
 

В результате детектирования ВЧ-напряжения на катодах диода Л6 возникает положительная относительно шасси прибора постоянная составляющая ВЧ-напряжения. В зависимости от положения переключателей Пг, расположенных на одной оси, постоянная составляющая может быть различным способом подана на индикатор. Так, если П1 находится в положении 7, то микроамперметр включен между левым катодом Лв и землей ( через сопротивление 7.6), и его показания будут пропорциональны напряжению на компенсационном контуре. В положении S переключатель Пг соединяет микроамперметр с катодом Л6 и землей; сопротивление Ив служит для предотвращения шунтирования индикаторным прибором катодных цепей двойного диода.
 

Отрицательный выходной сигнал усилителя поступает на катод диода, увеличивая тем самым напряжение, заряжающее накопительный конденсатор.
 

Усиленный сигнал после смесителя поступает на катод диода Д4, образующего вместе с резисторами R12, R13 и конденсатором С8 диодный детектор. При отсутствии приемного сигнала величина опорного сигнала на катоде диода Д4 устанавливается резистором R26, равным примерно 1 5 В, что на порядок выше величины принятого сигнала. При этом обеспечивается правильная работа смесителя и диодного детектора. Технологический резистор R12 служит для установки величины сигнала с детектора при заводской регулировке прибора.
 

Напряжение с конденсатора С1 прикладывается к катоду диода Д1, запирая его. При этом снимается отрицательное напряжение с базы транзистора Т1, который переходит в закрытое состояние.
 

При насыщении все электроны, излучаемые катодом диода, достигают анода, и, следовательно, величина анодного тока не будет постоянной даже при строго постоянных напряжениях Еа и Еп. Спектр переменных составляющих этого шумового тока равномерен в очень широком диапазоне частот. Малые амплитуды этих составляющих позволяют иногда, например в измерителях напряженности поля, обойтись без аттенюаторов.
 

Форма напряжения на коллекторе TI и катоде диода Д при запуске ждущего мультивибратора одиночным импульсом ( рис. 6.69, а) показана на рис. 6.69, б, в. Можно, однако, видеть, что сокращение длительности среза выходного импульса достигнуто за счет еще большего увеличения времени восстановления.
 

Это значит, все электроны, испускаемые катодом диода при данной температуре, притягиваются анодом.
 

При управляемом запуске на базы по раздельным входам катоды диодов дифференцирующих цепей подключаются к входам, а резисторы R11 к выходам триггера. В этом случае запускающий импульс может поступить на базу только открытого транзистора.
 

Принцип работы

Проще всего объяснить принцип действия выпрямительных диодов на примере. Для этого смоделируем схему простого однополупериодного выпрямителя (см. 1 на рис. 6), в котором питание поступает от источника переменного тока с напряжением U_IN (график 2) и идет через VD на нагрузку R.

Рис. 6. Принцип работы однодиодного выпрямителя

Во время положительного полупериода, диод находится в открытом положении и пропускает через себя ток на нагрузку. Когда приходит очередь отрицательного полупериода, устройство запирается, и питание на нагрузку не поступает. То есть происходит как бы отсечение отрицательной полуволны (на самом деле это не совсем верно, поскольку при данном процессе всегда имеется обратный ток, его величина определяется характеристикой I_обр).

В результате, как видно из графика (3), на выходе мы получаем импульсы, состоящие из положительных полупериодов, то есть, постоянный ток. В этом и заключается принцип работы выпрямительных полупроводниковых элементов.

К числу недостатков однодиодного выпрямителя можно отнести:

• Низкий уровень КПД, поскольку отсекаются отрицательные полупериоды, эффективность устройства не превышает 50%.
• Напряжение на выходе примерно вдвое меньше, чем на входе.
• Высокий уровень шума, что проявляется в виде характерного гула с частотой питающей сети. Его причина – несимметричное размагничивание понижающего трансформатора (собственно именно поэтому для таких схем лучше использовать гасящий конденсатор, что также имеет свои отрицательные стороны).

Заметим, что эти недостатки можно несколько уменьшить, для этого достаточно сделать простой фильтр на базе высокоемкостного электролита (1 на рис. 7).

Рис. 7. Даже простой фильтр позволяет существенно снизить пульсации

Принцип работы такого фильтра довольно простой. Электролит заряжается во время положительного полупериода и разряжается, когда наступает черед отрицательного. Емкость при этом должна быть достаточной для поддержания напряжения на нагрузке. В этом случае импульсы несколько сгладятся, примерно так, как продемонстрировано на графике (2).

Приведенное решение несколько улучшит ситуацию, но ненамного, если запитать от такого однополупериодного выпрямителя, например, активные колонки компьютера, в них будет слышаться характерный фон. Для устранения проблемы потребуются более радикальное решение, а именно диодный мост. Рассмотрим принцип работы этой схемы.

Ток утечки I обр.

В идеальном диоде обратного тока не должно быть. Но в реальных р-n-переходах он есть из-за присутствия в полупроводнике неосновных носителей заряда. Сила тока утечки зависит от трех факторов. Очевидно, что наиболее значимым из них является обратное напряжение. Также ток утечки зависит от температуры – с ее ростом он значительно повышается. Кроме того, он сильно зависит от типа полупроводникового материала. В этом отношении кремний намного лучше германия.

Ток утечки определяется при определенном обратном напряжении и конкретной температуре. Обычно он указывается в микроамперах (μA) или пикоамперах (pA).

Определение полярности источником питания

Для быстрого тестирования понадобится источник тока с напряжением от 3 до 6 вольт (батарейка или аккумулятор), резистор сопротивлением 300–470 Ом любой мощности и, непосредственно, светодиод. Ввиду малого значения обратного напряжения, не рекомендуется проверять светодиод от источника с напряжением больше 6 В. Резистор нужно подпаять к одной из ножек и затем коснутся контактов источника питания. Дотрагиваясь анодом к плюсу, а катодом к минусу, исправный излучающий диод будет светиться. Работники ремонтных мастерских часто вооружаются севшими трёхвольтовыми батарейками из системной платы компьютера или настенных электронных часов (CR2032). Убедившись, что ток такой батарейки не превышает 30 мА, её кратковременно вставляют между выводами светодиода без резистора. Плюс и минус определяют по его свечению.

Старая система обозначений

В соответствии с системой обозначений, разработанной до 1964 г., сокращенное обозначение диодов состояло из двух или трех элементов
.

Первый элемент
буквенный, Д — диод.

Второй элемент
— номер, соответствующий типу диода: 1…100 — точечные германиевые, 101…200— точечные кремниевые, 201…300 — плоскостные кремниевые, 801…900 — стабилитроны, 901…950 — варикапы, 1001…1100 — выпрямительные столбы. Третий элемент
— буква, указывающая разновидность прибора. Этот элемент может отсутствовать, если разновидностей диода нет.

В настоящее время
существует система обозначений, соответствующая ГОСТ 10862-72. В новой, как и в старой системе, принято следующее разделение на группы по предельной (граничной) частоте усиления (передачи тока) на:

• низкочастотные НЧ (до 3 МГц),
• средней частоты СЧ (от 3 до 30 МГц),
• высокочастотные ВЧ (свыше 30 МГц),
• сверхвысокочастотные СВЧ;

По рассеиваемой мощности:

• маломощные (до 0,3 Вт),
• средней мощности (от 0,3 до 1,5 Вт),
• большой (свыше 1,5 Вт) мощности.

Принцип действия

Устройство полупроводниковых диодов очень разное. Это является причиной того, что существует много их типов, которые различаются как по номиналу, так и по исполняемым ими функциям. Тем не менее в большинстве случаев основной принцип работы полупроводниковых диодов одинаков. Они содержат р-n-переход, который и обеспечивает их базовую функциональность.

Этот термин обычно используется по отношению к стандартной форме диода. В действительности же он применим практически к любому их типу. Диоды составляют основу современной электронной промышленности. Все – от простых элементов и транзисторов до современных микропроцессоров – базируется на полупроводниках. Принцип действия полупроводникового диода основан на свойствах полупроводников. Технология опирается на группу материалов, внесение примесей в кристаллическую решетку которых позволяет получить участки, в которых носителями заряда являются дырки и электроны.

Характеристики и параметры диодов

В зависимости от применяемого материала, диоды могут быть выполнены из кремния или германия. Кроме того, для их изготовления используется фосфид индия и арсенид галлия. Диоды из германия обладают более высоким коэффициентом передачи, по сравнению с кремниевыми изделиями. У них большая проводимость при сравнительно невысоком напряжении. Поэтому, они широко используются в производстве транзисторных приемников.

В зависимости от технологических признаков и конструкции, диоды бывают плоскостными или точечными, импульсными, универсальными или выпрямительными. Среди них следует отметить отдельную группу, куда входят , фотодиоды и тиристоры.

Характеристики диодов определяются такими параметрами, как прямые и обратные токи и напряжения, диапазоны температур, максимальное обратное напряжение и другие значения. В зависимости от этого, производится нанесение соответствующих обозначений.

Новая система обозначений

Новая система маркировки диодов
более совершенна. Она состоит из четырех элементов.

Первый элемент
(буква или цифра) указывает исходный полупроводниковый материал, из которого изготовлен диод: Г или 1 — германий

* К или 2 — кремний

, А или 3 — арсенид галлия

, И или 4 — фосфид индия
.

Второй элемент
— буква, показывающая класс или группу диода.

Третий элемент
— число, определяющее назначение или электрические свойства диода.

Четвертый элемент
указывает порядковый номер технологической разработки диода и обозначается от А до Я.

Например:

• диод КД202А расшифровывается: К — материал, кремний, Д — диод выпрямительный, 202 — назначение и номер разработки, А — разновидность;
• 2C920 — кремниевый стабилитрон большой мощности разновидности типа А;
• АИ301Б — арсенид галлиевый туннельный диод переключающей разновидности типа Б.

Иногда встречаются диоды, обозначенные по устаревшим системам: ДГ-Ц21, Д7А, Д226Б, Д18. Диоды Д7 отличаются от диодов ДГ-Ц цельнометаллической конструкцией корпуса, вследствие чего они надежнее работают во влажной атмосфере.

Германиевые диоды типа ДГ-Ц21…ДГ-Ц27 и близкие к ним по характеристикам диоды Д7А…Д7Ж обычно используют в выпрямителях для питания радиоаппаратуры от сети переменного тока.

В условное обозначение диода не всегда входят некоторые технические данные, поэтому их необходимо искать в справочниках по полупроводниковым приборам.

Одним из исключений является обозначение для некоторых диодов с буквами КС или цифрой вместо К (например, 2С) — кремниевые стабилитроны и стабисторы.

После этих обозначений стоит три цифры, если это первые цифры: 1 или 4, то взяв последние две цифры и разделив их на 10 получим напряжение стабилизации Uст.

Например:

• КС107А — стабистор, Uст = 0,7 В,
• 2С133А — стабилитрон, Uст = 3,3 В.

Если первая цифра 2 или 5, то последние две цифры показывают Uст, например:

• КС 213Б — Uст = 13 В,
• 2С 291А — Uст = 91 В.

Еесли цифра 6, то к последним двум цифрам нужно прибавить 100 В, например: КС 680А — Uст = 180 В.

Р-n-переход

Диод р-n-типа получил свое название потому, что в нем используется р-n-переход, который позволяет току течь только в одном направлении. Элемент обладает и другими свойствами, которые также находят широкое применение. Полупроводниковые диоды, например, способны излучать и регистрировать свет, изменять емкость и регулировать напряжение.

P-n-переход является базовой полупроводниковой структурой. Как следует из названия, он представляет собой соединение между областями p- и n-типа. Переход позволяет носителям заряда двигаться только в одном направлении, что, например, дает возможность преобразовывать переменный ток в постоянный.

Стандартные диоды обычно производятся из кремния, хотя также используется германий и другие полупроводниковые материалы, в основном для специальных целей.

Классификация диодов

По исходному полупроводниковому материалу диоды делят на четыре группы:

• германиевые,
• кремниевые,
• из арсенида галлия,
• из фосфида индия.

Германиевые диоды
используются широко в транзисторных приемниках, так как имеют выше коэффициент передачи, чем кремниевые
.

Это связано с их большей проводимостью при небольшом напряжении (около 0,1…0,2 В) сигнала высокой частоты на входе детектора и сравнительно малом сопротивлении нагрузки (5…30 кОм).

По конструктивно-технологическому признаку
различают диоды:

• точечные,
• плоскостные.

По назначению
полупроводниковые диоды делят на следующие основные группы:

• выпрямительные,
• универсальные,
• импульсные,
• варикапы,
• стабилитроны (опорные диоды),
• стабисторы,
• туннельные диоды,
• обращенные диоды,
• лавинно-пролетные (ЛПД),
• тиристоры,
• фотодиоды, с
• ветодиоды и оптроны.

Диоды характеризуются такими основными электрическими параметрами
:

• током, проходящим через диод в прямом направлении (прямой ток Іпр);
• током, проходящим через диод в обратном направлении (обратный ток Іобр);
• наибольшим допустимым выпрямленным ТОКОМ Івыпр.макс;
• наибольшим допустимым прямым током Іпр.доп.;
• прямым напряжением Unp;
• обратным напряжением иобР;
• наибольшим допустимым обратным напряжением иобр.макс
• емкостью Сд между выводами диода;
• габаритами и диапазоном рабочих температур.

Обозначения и цветовая маркировка диодов

Современные обозначения диодов соответствуют новым стандартам. Они разделяются на группы, в зависимости от предельной частоты, при которой происходит усиление передачи тока. Поэтому, диоды бывают низкой, средней, высокой и сверхвысокой частоты. Кроме того, у них различная рассеиваемая мощность: малая, средняя и большая.

Маркировка диодов должна учитывать параметры и технические особенности проводника. Материал, из которого изготовлен полупроводник, обозначается на корпусе соответствующими буквенными обозначениями. Эти обозначения проставляются вместе с назначением, типом, электрическими свойствами прибора и его условным обозначением. Это помогает, в дальнейшем, правильно подключить диод в электронную схему устройства. Выводы анода и катода обозначаются стрелкой или знаками плюс или минус. Цветовые код ы и метки в виде точек или полосок, наносятся возле анода. Все обозначения и цветовая маркировка позволяют быстро определить тип устройства и правильно использовать его в различных схемах.

Катод — диод

При прямом направлении тока напряжение между анодом и катодом диода сравнительно невелико. Но при обратном направлении обратное напряжение достигает значения амплитуды переменного напряжения. У современных выпрямительных диодов, называемых часто кенотронами, [ / Об.
 

По мере увеличения входного сигнала положительное напряжение на катоде диода возрастает, и в момент (, когда вх — Е, диод закрывается.
 

Такая схема включения диода оказывается единственно возможной, если катод диода должен быть заземлен или шунтирован большой емкостью на землю.
 

Электрическая схема включения диода приведена на рис. XI 1.59. Катод диода питают от аккумулятора или сухих батарей типа ЗС, обладающих хорошей стабильностью.
 

При включении перемычки между гнездом 3 и гнездом 0 катод диода заземляется и диодный элемент отключается.
 

Перед поступлением следующего сигнального импульса подается разрядный сигнал на катод диода ( вход 2), который отпирает диод и происходит быстрый разряд конденсатора. Вторая половина запоминающего элемента работает аналогичным образом. В результате этого на выходе получается ступенчатый сигнал обеих полярностей.
 

Если любое из входных напряжений равно нулю, то катод соответствующего диода замкнут на корпус и выходное напряжение также равно нулю.
 

На анод диода подается большой положительный потенциал; не заземлен катод диода.
 

Этот параметр показывает, каксе сопротивление сказывает участок анод — катод диода внешней цепи при изменяющемся анодном напряжении.
 

Напряжение, созданное источником Еа и приложенное между анодом и катодом диода, заставляет электроны, вылетевшие из катода, двигаться по направлению к аноду с достаточно большой скоростью. При соударении электронов с анодом энергия, запасенная электронами при движении, переходит в тепло, нагревающее анод. Следовательно, на аноде диода рассеивается некоторая электрическая мощность, величина которой зависит от величины напряжения Ua и величины тока, протекающего через диод.
 

При выпрямлении токов очень высокой частоты вредно влияет емкость анод — катод диода Сл.х. Она состоит из емкости между электродами и емкости между выводными проводниками. На низких частотах шунтирующего влияния эта емкость не оказывает, так как ее сопротивление составляет миллионы ом. А на частотах в десятки мегагерц и выше сопротивление емкости становится соизмеримым с внутренним сопротивлением диода и даже меньше его. Тогда переменный ток проходит через эту емкость и выпрямляющее действие диода ухудшается.