Принцип работы диода: Подробное устройство и принцип работы светодиода

Подробное устройство и принцип работы светодиода

С момента открытия красного светодиода (1962 г.) развитие твердотельных источников света не останавливалось ни на миг. Каждое десятилетие отмечалось научными достижениями и открывало для ученых новые горизонты. В 1993 году, когда японским ученым удалось получить синий свет, а затем и белый, развитие светодиодов перешло на новый уровень. Перед физиками всего мира стала новая задача, суть которой заключалась в использовании светодиодного освещения в качестве основного.

В наше время можно сделать первые выводы, свидетельствующие об успехах становления светодиодного освещения и продолжающейся модернизации светодиода. На прилавках магазинов появились светильники со светодиодами, изготовленными по технологии COB, COG, SMD, filament.

Как устроен каждый из перечисленных видов, и какие физические процессы вынуждают полупроводниковый кристалл светиться?

Что такое светодиод?

Перед разбором устройства и принципа работы, кратко рассмотрим, что светодиод из себя представляет.

Светодиод – это полупроводниковый компонент с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании электрического тока в прямом направлении.

В отличие от нити накала и люминесцентных источников света, испускаемый свет светодиодом лежит в небольшом диапазоне спектра. То есть кристалл светоизлучающего диода испускает конкретный цвет (в случае со светодиодами видимого спектра). Для получения определенного спектра излучения в светодиодах используют специальный химический состав полупроводников и люминофора.

Устройство, конструкция и технологические отличия

Существует много признаков, по которым можно классифицировать светодиоды на группы. Одним из них является технологическое отличие и небольшое различие в устройстве, которое вызвано особенностью электрических параметров и будущей сферой применения светодиода.

DIP

Цилиндрический корпус из эпоксидной смолы с двумя выводами стал первым конструктивом для светоизлучающего кристалла. Закругленный цветной или прозрачный цилиндр служит линзой, формируя направленный пучок света. Выводы вставляются в отверстия печатной платы (DIP) и с помощью пайки обеспечивают электрический контакт.

Излучающий кристалл располагается на катоде, который имеет форму флажка, и соединяется с анодом тончайшим проводом. Существуют модели с двумя и тремя кристаллами разного цвета в одном корпусе с количеством выводов от двух до четырёх. Кроме этого, внутри корпуса может быть встроен микрочип, управляющий очередностью свечения кристаллов либо задающий чистоту его мигания.

Светодиоды в DIP корпусе относятся к слаботочным, используется в подсветке, системах индикации и гирляндах.

В попытках нарастить световой поток, появился аналог с усовершенствованным устройством в DIP корпусе с четырьмя выводами, известный как «пиранья». Однако увеличенная светоотдача нивелировалась размерами светодиода и сильным нагревом кристалла, что ограничило область применения «пираньи». А с появлением SMD технологии их производство практически прекратилось.

SMD

Полупроводниковые приборы с креплением на поверхность печатной платы коренным образом отличаются от предшественников. Их появление расширило возможности конструирования систем освещения, позволило снизить габариты светильника и полностью автоматизировать монтаж. Сегодня SMD-светодиод – это самый востребованный компонент, используемый для построения источников света любых форматов.

Основа корпуса, на которую крепится кристалл, является хорошим проводником тепла, что в разы улучшило отвод тепла от светоизлучающего кристалла. В устройстве белых светодиодов между полупроводником и линзой присутствует слой люминофора для задания нужной цветовой температуры и нейтрализации ультрафиолета. В SMD-компонентах с широким углом излучения линза отсутствует, а сам светодиод имеет форму параллелепипеда.

COB

Chip-On-Board – одно из новейших практических достижений, которое в ближайшем будущем займет лидерство по производству белых светодиодов в искусственном освещении. Отличительная черта устройства светодиодов по технологии COB заключается в следующем: на алюминиевую основу (подложку) через диэлектрический клей крепят десятки кристаллов без корпуса и подложки, а затем полученную матрицу покрывают общим слоем люминофора. В результате получается источник света с равномерным распределением светового потока, исключающий появление теней.

Разновидностью COB является Chip-On-Glass (COG), которая подразумевает размещение множества мелких кристаллов на поверхности из стекла. В частности, широко известны филаментные лампы на 220 В, в которых излучающим элементом служит стеклянный стержень со светодиодами, покрытыми люминофором.

Принцип работы светодиода

Несмотря на рассмотренные технологические особенности, работа всех светодиодов базируется на общем принципе действия излучающего элемента. Преобразование электрического тока в световой поток происходит в кристалле, который состоит из полупроводников с разным типом проводимости. Материал с n­-проводимостью получают путем его легирования электронами, а материал с p-проводимостью – дырками. Таким образом, в сопредельных слоях создаются дополнительные носители заряда противоположной направленности.

В момент подачи прямого напряжения начинается движение электронов и дырок к p-n-переходу. Заряженные частицы преодолевают барьер и начинают рекомбинировать, в результате чего протекает электрический ток. Процесс рекомбинации дырки и электрона в зоне p-n-перехода сопровождается выделением энергии в виде фотона.

Вообще, данное физическое явление применимо ко всем полупроводниковым диодам. Но в большинстве случаев длина волны фотона находится за пределами видимого спектра излучения. Чтобы заставить элементарную частицу двигаться в диапазоне 400-700 нм ученым пришлось провести немало экспериментов с подбором подходящих химических элементов. В результате появились новые соединения: арсенид галлия, фосфид галлия и более сложные их формы, каждая из которых характеризуется своей длиной волны, а значит, и цветом излучения.

Кроме полезного света, испускаемого светодиодом, на p-n-переходе выделяется некоторое количество теплоты, которая снижает эффективность полупроводникового прибора. Поэтому в конструкции мощных светодиодов должна быть продумана возможность реализации эффективного отвода тепла.

устройство, принцип работы и основные виды :: SYL.ru

Когда-то, на заре развития радиотехники, одним из первых активных элементов, вызвавших настоящую революцию в создании всевозможных схем, считалась электронная лампа. Она была довольно большой и дорогой. Но уже в первые десятилетия прошлого века были изобретены детекторные приемники. Принципиальные схемы этих устройств стали весьма популярными у радиолюбителей, поскольку в каждой из них использовался сравнительно дешевый полупроводниковый диод. Именно из его первоначального названия такие радиоприемники назывались детекторными. А сейчас этот элемент попросту называют диодом. На схемах этот прибор обозначают треугольником с вертикальной черточкой у вершины, параллельной его основанию, а на вид он чем-то напоминает обычный резистор, часто имеющий на одном конце «шляпку».

Принцип работы полупроводникового диода

Устройство данного элемента состоит всего из двух слоев полупроводника, в роли которого часто используют германий либо кремний. Первый из них обладает электропроводимостью n-типа (негатив), а второй – электропроводимостью p-типа (позитив). На их границе образуется так называемый «p-n»-переход. При этом зона «р» выступает в качестве анода, а область «n» — в роли катода. Благодаря такому устройству полупроводниковый диод содержит в себе свободные частицы противоположных зарядов. В слое «р» имеются положительные ионы, которые называют «дырками», а в слое «n» – отрицательно заряженные свободные электроны.

Если на катод подать «плюс», а на анод «минус», однополярные заряды станут отталкиваться, на границе перехода между зонами возникнет движение частиц и полупроводниковый диод станет пропускать ток. Но стоит поменять полярность подключения, как ионы потянутся к минусу, а электроны будут дрейфовать к плюсу, и в итоге в «р-n»-переходе не окажется носителей зарядов. Всякое движение внутри такого элемента прекратится, и электрический ток остановится. В этом состоянии полупроводниковый диод закрыт. Данное свойство этого элемента нашло себе широчайшее применение в радиоэлектронике, но превращение тока из переменного в постоянный – это далеко не единственная его функция. Давайте рассмотрим, для чего еще использую этот прибор.

Каким бывает полупроводниковый диод

Внешне все разновидности этого радиоэлемента очень похожи друг на друга. Отличия характерны лишь для некоторых групп, которые отличаются как по ряду параметров, так и по своей конструкции. Попробуем выделить самые распространенные модификации полупроводниковых диодов:

1. Выпрямительный. Как нетрудно догадаться по названию, этот тип используется для получения постоянного тока.
2. Стабилитрон. Применяется для стабилизации выходного напряжения.
3. Полупроводниковый диод Ганна. Используется для генерирования частот диапазоном до десятков гигагерц.
4. СВЧ-диод. Отличается определенными конструктивными особенностями и применяется в устройствах, работающих на сверхвысоких и высоких частотах.
5. Импульсный диод. Для него характерно высокое быстродействие и малое время восстановления. Такой тип применяется в различных видах импульсной техники (например, в импульсном блоке питания).
6. Диод Шотки. Предназначен для работы в стабилизаторах напряжения, а также в импульсных преобразователях.
7. Лавинно-пролетный диод. Способен генерировать частоты вплоть до 180 ГГц.
8. Светодиод. У этого типа очень широкий спектр применения. Его также часто используют в различных альтернативных осветительных приборах.
9. Фотодиод. Имеет миниатюрную линзу и управляется световым потоком. В зависимости от своей разновидности может функционировать как в ультрафиолетовом, так и в инфракрасном диапазоне спектра.
10. Твердотельный лазер. Используется для считывания и записи данных на оптические диски. Пример использования: бытовые CD/DVD-плееры.

Сложно представить себе нынешнее развитие технологий без этого замечательного небольшого прибора.

принцип действия и основные параметры

Выпрямительный диод это прибор проводящий ток только в одну сторону. В основе его конструкции один p-n переход и два вывода. Такой диод изменяет ток переменный на постоянный. Помимо этого, их повсеместно практикуют в электросхемах умножения напряжения, цепях, где отсутствуют жесткие требования к параметрам сигнала по времени и частоте.

Принцип работы

Принцип работы этого устройства основывается на особенностях p-n перехода. Возле переходов двух полупроводников расположен слой, в котором отсутствуют носители заряда. Это запирающий слой. Его сопротивление велико.

При воздействии на слой определенного внешнего переменного напряжения, толщина его становится меньше, а впоследствии и вообще исчезнет. Возрастающий при этом ток называют прямым. Он проходит от анода к катоду. Если внешнее переменное напряжение будет иметь другую полярность, то запирающий слой будет больше, сопротивление возрастет.

Разновидности устройств, их обозначение

По конструкции различают приборы двух видов: точечные и плоскостные. В промышленности наиболее распространены кремниевые (обозначение — Si) и германиевые (обозначение — Ge). У первых рабочая температура выше. Преимущество вторых — малое падение напряжения при прямом токе.

Принцип обозначений диодов – это буквенно-цифровой код:

• Первый элемент – обозначение материала из которого он выполнен,
• Второй определяет подкласс,
• Третий обозначает рабочие возможности,
• Четвертый является порядковым номером разработки,
• Пятый – обозначение разбраковки по параметрам.

Вольт-амперная характеристика

Вольт-амперную характеристику (ВАХ) выпрямительного диода можно представить графически. Из графика видно, что ВАХ устройства нелинейная.

В начальном квадранте Вольт-амперной характеристики ее прямая ветвь отражает наибольшую проводимость устройства, когда к нему приложена прямая разность потенциалов. Обратная ветвь (третий квадрант) ВАХ отражает ситуацию низкой проводимости. Это происходит при обратной разности потенциалов.

Реальные Вольт-амперные характеристики подвластны температуре. С повышением температуры прямая разность потенциалов уменьшается.

Из графика Вольт-амперной характеристики следует, что при низкой проводимости ток через устройство не проходит. Однако при определенной величине обратного напряжения происходит лавинный пробой.

ВАХ кремниевых устройств отличается от германиевых. ВАХ приведены в зависимости от различных температур окружающей среды. Обратный ток кремниевых приборов намного меньше аналогичного параметра германиевых. Из графиков ВАХ следует, что она возрастает с увеличением температуры.

Важнейшим свойством является резкая асимметрия ВАХ. При прямом смещении – высокая проводимость, при обратном – низкая. Именно это свойство используется в выпрямительных приборах.

Коэффициент выпрямления

Анализируя приборные характеристики, следует отметить: учитываются такие величины, как коэффициент выпрямления, сопротивление, емкость устройства. Это дифференциальные параметры.

Он отражает качество выпрямителя.

Его можно рассчитать: он будет равен отношению прямого тока прибора к обратному. Такой расчет приемлем для идеального устройства. Значение коэффициента выпрямления может достигать нескольких сотен тысяч. Чем он больше, тем лучше выпрямитель делает свою работу.

Основные параметры устройств

Какие же параметры характеризуют приборы? Основные параметры выпрямительных диодов:

• Наибольшее значение среднего прямого тока,
• Наибольшее допустимое значение обратного напряжения,
• Максимально допустимая частота разности потенциалов при заданном прямом токе.

Исходя из максимального значения прямого тока, выпрямительные диоды разделяют на:

• Приборы малой мощности. У них значение прямого тока до 300 мА,
• Выпрямительные диоды средней мощности. Диапазон изменения прямого тока от 300 мА до 10 А,
• Силовые (большой мощности). Значение более 10 А.

Существуют силовые устройства, зависящие от формы, материала, типа монтажа. Наиболее распространенные из них:

• Силовые приборы средней мощности. Их технические параметры позволяют работать с напряжением до 1,3 килоВольт,
• Силовые, большой мощности, могущие пропускать ток до 400 А. Это высоковольтные устройства. Существуют разные корпуса исполнения силовых диодов. Наиболее распространены штыревой и таблеточный вид.

Выпрямительные схемы

Схемы включения силовых устройств бывают различными. Для выпрямления сетевого напряжения они делятся на однофазные и многофазные, однополупериодные и двухполупериодные. Большинство из них однофазные.

Ниже представлена конструкция такого однополупериодного выпрямителя и двух графиков напряжения на временной диаграмме.

Переменное напряжение U1 подается на вход (рис. а). Справа на графике оно представлено синусоидой. Состояние диода открытое. Через нагрузку Rн протекает ток. При отрицательном полупериоде диод закрыт. Поэтому к нагрузке подводится только положительная разность потенциалов. На рис. в отражена его временная зависимость. Эта разность потенциалов действует в течение одного полупериода. Отсюда происходит название схемы.

Самая простая двухполупериодная схема состоит из двух однополупериодных. Для такой конструкции выпрямления достаточно двух диодов и одного резистора.

Диоды пропускают только положительную волну переменного тока. Недостатком конструкции является то, что в полупериод переменная разность потенциалов снимается лишь с половины вторичной обмотки трансформатора.

Если в конструкции вместо двух диодов применить четыре коэффициент полезного действия повысится.

Выпрямители широко используются в различных сферах промышленности. Трехфазный прибор задействован в автомобильных генераторах. А применение изобретенного генератора переменного тока способствовало уменьшению размеров этого устройства. Помимо этого, увеличилась его надежность.

В высоковольтных устройствах широко применяют высоковольтные столбы, которые скомпонованы из диодов. Соединены они последовательно.

Импульсные приборы

Импульсным называют прибор, у которого время перехода из одного состояния в другое мало. Они применяются для работы в импульсных схемах. От своих выпрямительных аналогов такие приборы отличаются малыми емкостями p-n переходов.

Для приборов подобного класса, кроме параметров, указанных выше, следует отнести следующие:

• Максимальные импульсные прямые (обратные) напряжения, токи,
• Период установки прямого напряжения,
• Период восстановления обратного сопротивления прибора.

В быстродействующих импульсных схемах широко применяют диоды Шотки.

Импортные приборы

Отечественная промышленность производит достаточное количество приборов. Однако сегодня наиболее востребованы импортные. Они считаются более качественными.

Импортные устройства широко используются в схемах телевизоров и радиоприемников. Их также применяют для защиты различных приборов при неправильном подключении (неправильная полярность). Количество видов импортных диодов разнообразно. Полноценной альтернативной замены их на отечественные пока не существует.

Диоды выпрямительные, принцип работы, характеристики, схемы подключения

Принцип работы, основные характеристики полупроводниковых выпрямительных диодов можно рассмотреть используя их вольтамперную характеристику (ВАХ), которая схематично представлена на рисунке 1.

Она имеет две ветви, соответствующие прямому и обратному включению диода.

При прямом включении выпрямительного диода ощутимый ток через него начинает протекать при достижении на диоде определенного напряжения Uоткр. Этот ток называется прямым Iпр. Его изменения на напряжение Uоткр влияют слабо, поэтому для большинства расчетов можно принять его значение:

• 0,7 Вольт для кремниевых диодов,
• 0,3 Вольт — для германиевых.

Естественно, прямой ток диода до бесконечности увеличивать нельзя, при его определенном значении Iпр.макс этот полупроводниковый прибор выйдет из строя. Кстати, существуют две основные неисправности полупроводниковых диодов:

• пробой — диод начинает проводить ток в любом направлении, то есть станет обычным проводником. Причем, сначала наступает тепловой пробой (это состояние обратимо), затем электрический (после этого диод можно смело выбрасывать),
• обрыв — здесь, думаю, пояснения излишни.

Если диод подключить в обратном направлении, через него будет протекать незначительный обратный ток Iобр, которым, как правило, можно пренебречь. При достижении определенного значения обратного напряжения Uобр обратный ток резко увеличивается, прибор, опять же, выходит из строя.

Числовые значения рассмотренных параметров для каждого типа диода индивидуальны и являются его основными электрическими характеристиками. Должен заметить, что существует ряд других параметров (собственная емкость, различные температурные коэффициенты и пр.), но для начала хватит перечисленных.

Здесь предлагаю закончить с чистой теорией и рассмотреть некоторые практические схемы.

СХЕМЫ ПОДКЛЮЧЕНИЯ ДИОДОВ

Для начала давайте рассмотрим как работает диод в цепи постоянного (рис.2) и переменного (рис.3) тока, что следует учитывать при том или ином включении диодов.

При подаче на диод прямого постоянного напряжения через него начинает протекать ток, определяемый сопротивлением нагрузки Rн. Поскольку он не должен превышать предельно допустимого значения следует определить его величину, после чего выбрать тип диода:

Iпр=Uн/Rн — все просто — это закон Ома.

Uн=U-Uоткр — см. начало статьи. Иногда величиной Uоткр можно пренебречь, бывают случаи, когда ее необходимо учитывать, например при расчете схемы подключения светодиода.

При включении диода в цепь переменного тока, помимо прочего, на нем периодически возникает обратное напряжение Uобр. Имейте в виду, следует учитывать его амплитудное значение (Для Uпр, кстати, тоже). Например, для бытовой электрической сети привычное всем напряжение 220В является действующим, а его амплитудное значение составляет 380В. Подробнее про это можно посмотреть на этой странице.

Это самое основное, про что надо помнить.

Теперь — несколько схем подключения диодов, часто встречающихся на практике.

Вне всякого сомнения, лидером здесь является мостовая схема диодов, используемая во всевозможных выпрямителях (рисунок 4). Выглядеть она может по разному, принцип действия одинаков, думаю из рисунка все ясно. Кстати, последний вариант — условное обозначение диодного моста в целом. Применяется для упрощения обозначения двух предыдущих схем.

Далее несколько менее очевидных схем (для постоянного тока):

1. Диоды могут выступать как «развязывающие» элементы. Управляющие сигналы Упр1 и Упр2 объединяются в точке А, причем взаимное влияние их источников друг на друга отсутствует. Кстати, это простейший вариант реализации логической схемы «или».
2. Защита от переполюсовки (жаргонное — «защита от дураков»). Если существует возможность неправильного подключения полярности напряжения питания эта схема защищает устройство от выхода из строя.
3. Автоматический переход на питание от внешнего источника. Поскольку диод «открывается», когда напряжение на нем достигнет Uоткр, то при Uвнеш <Uвн+Uоткр питание осуществляется от внутреннего источника, иначе — подключается внешний.

© 2012-2020 г. Все права защищены.

Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

устройство, принцип работы, обзор конструкций

Наверняка в наше время нет таких людей, которые ни разу не сталкивались со светодиодами. Ведь сейчас они повсюду – их используют и для простых фонариков, и для ламп домашнего освещения, и для фонарных столбов на улицах, и для автомобилей, и даже для чайников с подсветкой. И это не удивительно, ведь на данный момент более экологичного и энергосберегающего, да к тому же еще и столь компактного вида осветительных приборов не существует.

Конечно, почти каждый видел свечение работающего LED-компонента и знает, что такое светодиод, но очень многие даже представления не имеют, как устроен этот элемент освещения. А ведь такие знания могут пригодиться, и потому имеет смысл попытаться разъяснить устройство светодиода и принцип его работы, рассказать о существующих в наше время видах и модификациях.

Вообще начало этим компактным световым элементам было положено в середине прошлого столетия и применялись они лишь для индикации подсветки в различных приборах, т. к. свет их был не очень ярким, можно сказать, даже тусклым. Однако все изменилось в конце ХХ века с появлением синего светового диода, а уже после появились яркие элементы подобного типа зеленого, желтого и белого цвета.

Светодиод представляет собой миниатюрный световой прибор в корпусе из литого пластика различных цветов с двумя и более контактами на основе кристалла. На сегодняшний день это довольно распространенный вид освещения.

Кто-то может сказать, что в эти дебри не стоит и лезть, что это все очень сложно, но на самом деле светодиоды просты, как все гениальное, и понять, как работает светодиод, не составит труда. Итак, приступим.

Классификация светодиодов

Две различные конструкции светодиодов

Классифицируют светодиоды по многим характеристикам, но основной из них является небольшая технологическая разница в устройстве, которая вызвана различием по электрическим параметрам, равно как и областью использования осветительного прибора на кристаллах. А из чего состоит светодиод, можно увидеть на картинке выше.

Различают несколько конструкций светодиодов в зависимости от того, как он устроен.

DIP

Имеет корпус в виде цилиндра на два контакта. Это первый из изобретенных светодиодов. Сама его оболочка из эпоксидной смолы, закругленная сверху, работает как линза, направляя световой поток в нужном направлении. Выводные контакты утапливаются ножками в специальные отверстия печатной платы и припаиваются. Сам излучатель располагается на катоде, имеющем форму флажка и присоединенном к аноду тонким проводком.

Различные модификации могут иметь и два, и три кристалла различных цветов, объединенных одним корпусом с двумя-четырьмя выводами. К тому же некоторые могут быть оборудованы и встроенным микроконтроллером, который управляет режимами включения или задает время мерцания кристаллов.

Подобные DIP-элементы являются слаботочными. Используют их в основном, как индикаторы или в качестве световых элементов гирлянд.

DIP-светодиод

Конечно, как и любой прибор, его пытались усовершенствовать с целью наращивания светового потока, в результате чего был произведен более высокотехнологичный светодиод в том же корпусе на четыре вывода. Такая конструкция светодиода была названа «пиранья».

Но увеличившийся световой поток привел, естественно, и к увеличению элемента, и к нагреву кристаллов, в результате этого «пиранья» не получила широкого применения. Ну а при появлении на рынке радиоэлектроники SMD-компонентов, имеющих другое строение, смысл в производстве подобных светодиодов и вовсе пропал.

SMD

Данный компонент на кристаллах отличен от предыдущего в первую очередь тем, что его монтаж производится непосредственно на поверхность печатной платы. По сути, его изобретение произвело прорыв в данной области. И если при монтаже DIP-светодиодов можно был крепить элементы лишь только по одной стороне платы, т. к. токопроводящие дорожки находились на другой, то с приходом SMD-компонентов появилась возможность монтировать двухсторонние печатные платы.

Это, вкупе с более мелкими габаритами элементов, позволило значительно снизить размеры приборов на их основе и полностью автоматизировать процесс сборки печатных плат.

На сегодняшний день подобные светодиоды являются самыми востребованными и используются для изготовления различных световых приборов. Основание корпуса SMD-светодиода, сверху которого закреплен кристалл, служит ему также и радиатором. К тому же слой люминофора между линзой и полупроводником (от чего зависит цвет светодиода) может иметь различный состав и позволяет нейтрализовать излучение ультрафиолета.

SMD-светодиод

Есть и такие SMD-светодиоды, у которых нет линзы. Такой элемент выпускается в форме прямоугольника или квадрата и имеет более широкий угол излучения.

СОВ (Chip-On-Board)

Расшифровка названия данного компонента в переводе с английского звучит как «чип на доске». Новейшая разработка, которая, скорее всего, очень скоро станет лидером среди светодиодов в создании искусственного освещения.

Отличаются подобные компоненты тем, что на алюминиевом основании (подложке) посредством диэлектрического клея закрепляется не один, а множество кристаллов, не имеющих корпусов, а после готовая матрица покрывается полностью люминофором.

В итоге получившийся таким образом светодиод равномерно распределяет световой поток, исключающий тенеобразование.

Существует и еще одна разновидность светодиодов СОВ – это компоненты, созданные по технологии COG (Chip-On-Glass, что означает «чип на стекле»). Кристаллы здесь размещены не на алюминиевой подложке, а на стеклянной. Как раз на основе светодиодов, созданных по такой технологии, появилась возможность производства довольно известных филаментных ламп, которые работают от сети с напряжением 220 вольт. Излучателем в них служит стержень из стекла с кристаллами, на которые нанесен слой люминофора.

СОВ-светодиод

Принцип действия светодиода

Независимо от описанных технических классификаций принцип работы всех без исключения светодиодов основан на излучающем элементе. Кристалл, который является по своей сути полупроводником, имеющим различные типы проводимости, преобразует электрический ток в свечение. N-проводимый материал получается при помощи легирования электронами, ну а p-проводимый – дырами. В итоге происходит создание новых носителей заряда с противоположной направленностью.

В результате, когда подается прямое напряжение, электроны, как и дыры, начинают движение в сторону p-n-перехода. При преодолении барьера заряженными частицами начинается их рекомбинация. В итоге это и создает возможность прохождения электрического тока. Ну а в процессе рекомбинирования электроны и дыры уже выделяют фотоны.

Применение подобного физического явления относится ко всем элементам, подпадающим под определение полупроводникового диода. Проблема в том, что пределы видимого спектра излучения расположены ближе длины фотонов. По этой причине учеными была проведена огромная работа над тем, чтобы упорядочить движение частиц, заставив их двигаться в промежутке от 400 до 700 нм.

Но зато после всех проведенных экспериментов появилось несколько новых соединений вроде арсенида галлия и фосфида галлия, ну и, конечно, их более сложных форм, которые имеют различную длину волн, т. е. цвет излучения.

Принцип излучения света полупроводником

Конечно же, при подобной работе по выделению света должно образовываться и тепло, хотя и в небольших количествах, ведь законы физики никто не отменял. По этой причине (ведь нагрев снижает производительность полупроводников) при установке светодиодов большой мощности появляется необходимость охлаждения, для чего и требуется радиатор. Роль такого охлаждающего элемента в СОВ, к примеру, и играет алюминиевое основание, на котором расположены кристаллы.

Спектры излучения

Современные светодиоды имеют шесть основных спектров, т. е. их свечение может быть желтым, зеленым, красным, синим, голубым и белым. И самым сложным для ученых оказалось создание голубого светового элемента на кристаллах.

Вообще частота исходящих от светодиодов излучений лежит в узком направлении. Опираясь на все данные, ее можно назвать монохромной. И естественно, что она имеет кардинальное отличие от частоты солнечного излучения или ламп накаливания.

Уже не первый год ведутся споры по поводу влияния подобного излучения на зрение человека, равно как и на весь организм в целом. Но проблема заключается в том, что все подобные дискуссии так до сих пор ни к чему и не привели, потому как нет ни одного документального доказательства о проведении исследований в этой области.

Преимущества

Если рассматривать преимущества светодиодов, то их наберется весьма значительное количество.

Во-первых, они очень экономичны в плане расхода электроэнергии. На сегодняшний день нет световых приборов, которые могли бы с ними соревноваться по этому параметру. Причем это никак не отражается на силе светового потока, излучаемого элементами на кристаллах.

К экономичности можно отнести и срок службы подобных LED-компонентов, т. к. частое приобретение приборов освещения негативно сказывается на финансовом состоянии. Если посмотреть на статистику, то светодиодные лампы приходится покупать в 10 раз реже, чем люминесцентные, а лампочки накаливания вообще меняются чаще в 35–40 раз. В то же время расход электроэнергии при использовании светодиодов в сравнении с «лампочкой Ильича» ниже на 87%!

Во-вторых, светодиодные лампы удобны и просты в подключении и не требуют при этом каких-то особых навыков. К тому же, к примеру, в тех же рекламных щитах при выходе из строя нескольких элементов не произойдет ничего страшного. На его работе это никак не отразится. Ну а при огромном сроке службы светодиодов решается и проблема их замены. А главное удобство – это то, что работать такие элементы могут практически при любой температуре.

В-третьих, это, конечно, их надежность. Ведь для того, чтобы расколоть лампу накаливания или люминесцентную трубку, не нужно прикладывать особых усилий. А вот со светодиодом придется повозиться. Эпоксидный корпус так легко не расколоть.

Нельзя обойти вниманием и эстетическую сторону данного вопроса, ведь возможность игры с цветом при применении этих источников освещения практически ничем не ограничена, кроме воображения, фантазии человека. Работу со светодиодами можно сравнить с искусством рисования художником своих полотен.

А потому, несмотря на то, что в наше время продажи подобных световых элементов пока не слишком внушительны, скорее всего, пройдет совсем немного времени, и светодиоды выйдут на первое место по этому показателю, вытеснив остальные виды освещения с прилавков магазинов электротехники.

Выпрямительные диоды: обозначение, принцип работы, ВАХ

Выпрямительные диоды — это полупроводниковые приборы, которые имеют один p-n переход и два металлических вывода. Вся система заключена в пластмассовом, металлическом, стеклянном или металлокерамическом корпусе. Предназначены для преобразования переменного тока в постоянный.

Обозначение и расшифровка диодов

Обозначение выпрямительного диода на схеме согласно “ГОСТ 2.730-73 ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые”. В приложении данного ГОСТа указаны размеры в модульной сетке. Выглядит это следующим образом:

Существуют различные варианты обозначения диодов.

Согласно ОСТ 11366.919-81 следующее буквенно-цифровое обозначение:

• 1) первая буква или цифра указывает на материал:
• 1 (Г) — германий Ge
• 2 (К) — кремний Si
• 3 (А) — галлий Ga
• 4 (И) — индий In
• 2) Вторая буква — это подкласс полупроводникового прибора. Для нашего случая — это буква Д.
• 3) Третья цифра — функционал элемента в зависимости от класса (диоды, варикапы, стабилитроны и др.).

Например, для выпрямительных диодов (Д):

101…199 — диоды малой мощности с постоянным или средним значением прямого тока менее 0,3А.

201…299 — диоды средней мощности с постоянным или средним значением прямого тока от 0,3 до 10А.

Также существуют диоды большой мощности с током более 10А. Отвод тепла у диодов малой мощности осуществляется через корпус, у диодов средней и большой мощности через теплоотводящие радиаторы.

До 1982 года была другая классификация:

• первая Д — характеризовала весь класс диодов
• далее шел цифровой код:
• от 1 до 100 — для точечных германиевых диодов
• от 101 до 200 — для точечных кремниевых диодов
• от 201 до 300 — для плоскостных кремниевых диодов
• от 301 до 400 — для плоскостных германиевых диодов
• от 401 до 500 — для смесительных СВЧ детекторов
• от 501 до 600 — для умножительных диодов
• от 601 до 700 — для видеодетекторов
• от 701 до 749 — для параметрических германиевых диодов
• от 750 до 800 — для параметрических кремниевых диодов
• от 801 до 900 — для стабилитронов
• от 901 до 950 — для варикапов
• от 951 до 1000 — для туннельных диодов
• от 1001 до 1100 — для выпрямительных столбов
• третья цифра — разновидность групп однотипных приборов

Система JEDEC (США)

• первая цифра — число p-n переходов (1 — диод; 2 — транзистор; 3 — тиристор)
• далее N (типа номер) и серийный номер
• после может идти пару цифр про номиналы и отдельные характеристики диода

Система Pro Electron (Европа)

По данной системе приборы делятся на промышленные и бытовые. Бытовые кодируются двумя буквами и тремя цифрами от 100 до 999. У промышленных приборов будет идти три буквы и две цифры от 10 до 99. Для диодов:

• 1) первая буква:
• A — германий Ge
• B — кремний Si
• C — галлий Ga
• R — другие полупроводники
• 2) Вторая буква — это буква A, указывающая на маломощные импульсные и универсальные диоды.
• 3) Третья буква отвечает за принадлежность элемента к сфере специального применения (промышленность, военная). “Z”, “Y”, “X” или “W”.
• 4) Четвертая — это 2х, 3х или 4х-значный серийный номер прибора.
• 5) Дополнительный код — в нем для выпрямительных диодов указывается максимальная амплитуда обратного напряжения.

Система JIS (Япония)

Применяется в странах Азии и тихоокеанского региона.

Существуют и специальные обозначения от фирм-изготовителей, которые отличаются от приведенных выше.

Принцип действия выпрямительного диода

Полупроводники по своим электрическим свойствам являются чем-то средним между проводниками и диэлектриками.

Как ведет себя диод при прямом и обратном включении

Прямое направление — направление постоянного тока, в котором диод имеет наименьшее сопротивление.

Обратное направление — направление постоянного тока, в котором диод имеет наибольшее сопротивление.

Рассмотрим поведение тока в цепи при прямом и обратном включении на переменное и постоянное напряжение. Изначально мы будем иметь синусоиду, которая получается от источника переменного тока.

При таких способах подключения отсекается половина синусоиды положительная или отрицательная. На выходе — пульсирующий переменный ток одного знака (считай, постоянный, только загвоздка в том, что им никто не пользуется).

• анод (для прямого включения подключаем к плюсу), основание треугольника
• катод (подключаем к минусу для прямого включения) палочка

Ток течет от анода к катоду, некоторые прибегают к сравнению с воронкой. В широкое горлышко жидкость проходит быстрее, чем в узкое. Принцип работы заключается в пропускании тока при прямом включении и запирании диода при обратном включении (отсутствии тока). Всё дело в запирающем слое, который испаряется или расширяется в зависимости от способа подключения диода.

Рассмотрим поведение диода в схеме постоянного тока. На левом изображении ток, напряжение проходит — лампочка горит (черная) — это прямое включение. На правом изображении диод не пропускает достаточно тока и напряжения для загорания лампочки — обратное включение.

ВАХ выпрямительных диодов (Ge, Si)

Вольт-амперные характеристики диодов представляют собой графики зависимостей прямых и обратных токов (Y) и напряжений (X) при различных температурах.

При подаче обратного напряжения, превышающего пороговое значение, величина обратного тока возрастает и происходит пробой p-n слоя. Стоит обратить внимание и на порядки чисел по осям. Величины обратного тока на порядок меньше прямого. Значения прямого напряжения на порядок меньше обратного. По достижении порогового значения прямого напряжения прямой ток начинает увеличиваться лавинообразно.

Разница между диодами в том, что обратный ток кремниевых диодов меньше, чем у германиевых. Поэтому, за счет большего тока, у Ge диодов пробой носит тепловой характер, у Si — преобладает электрический пробой. Мощность, рассеиваемая при одинаковых токах у германиевых диодов меньше.

Сохраните в закладки или поделитесь с друзьями

Самое популярное

Принцип работы стабилитрона и определение положительного и отрицательного полюсов

Теплые подсказки: эта статья содержит около 5000 слов, а время чтения составляет около 20 мин.

Введение

Стабилитрон представляет собой кристаллический диод с поверхностным контактом, изготовленный из кремниевого материала, называемый трубкой Зенера. Этот диод представляет собой полупроводниковое устройство, которое имеет очень высокое сопротивление до критического обратного напряжения пробоя.Когда регулятор напряжения находится в режиме обратного пробоя, он почти постоянен в определенном диапазоне тока (или в пределах определенного диапазона потерь мощности), а напряжение на клеммах почти постоянно, что показывает характеристики регулирования напряжения и, таким образом, широко используется в регулируемый источник питания и ограничивающая цепь. Среди них. Стабилитрон разделен по напряжению пробоя. Из-за этой характеристики, диод Зенера в основном используется в качестве регулятора напряжения или опорного напряжения компонента.Стабилитроны могут быть соединены последовательно для использования при более высоких напряжениях, а более стабильные напряжения могут быть получены последовательным соединением, называемым двунаправленными регуляторами.

Каталог

---

Ⅰ Рабочий Принцип Зенера D Диод

Чтобы понять характеристики стабилитрона , достаточно взглянуть на обратные характеристики диода . Основная характеристика всех кристаллических диодов — однонаправленная проводимость.То есть прямое нагнетание давления включено, а обратное нагнетание давления невозможно. Здесь есть условие, чтобы обратное давление не превышало обратное выдерживаемое напряжение трубки. Итак, каков результат после превышения выдерживаемого напряжения? Простой ответ — сгорела трубка. Но это еще не весь ответ. Испытание показало, что до тех пор, пока значение обратного тока ограничено (например, резистор включен последовательно между трубкой и источником питания), трубка не сгорит, хотя она и сломана.Более того, было обнаружено, что после обратного пробоя лампы ток изменился с большого на малый, а напряжение упало незначительно, а напряжение резко упало с уменьшением тока, пока не упало до определенного значения тока. Именно эта характеристика использует стабилитрон. Ключом к использованию стабилитрона является расчет его текущего значения.

Характеристики стабилитрона

Стабилитрон отличается тем, что после пробоя напряжение на нем остается практически постоянным.Таким образом, когда регулятор напряжения подключен к цепи, если напряжение в каждой точке в цепи колеблется из-за колебаний напряжения источника питания или по другим причинам, напряжение на нагрузке останется практически неизменным.

Как правило, триод бывает прямопроводящим и обратным. обратное напряжение, приложенное к диоду, если оно превышает возможности диода, диод выходит из строя. Однако есть диод, прямая характеристика которого такая же, как у обычного диода, но обратная характеристика особенная: когда обратное напряжение прикладывается до определенной степени, хотя трубка находится в состоянии пробоя, пропускается большой ток. , но он не поврежден, и это явление очень воспроизводимо; И наоборот, пока трубка находится в состоянии пробоя, хотя электричество, протекающее через трубку, сильно меняется, напряжение на трубке изменяется очень мало, чтобы стабилизировать напряжение.Этот специальный диод называется стабилитроном. Тип лампы стабилитрона имеет 2CW, 2DW и другие серии, а ее обозначение схемы показано на рисунке 1.

Рисунок 1. Обозначение стабилитрона

Характеристики стабилизации напряжения стабилитрона могут быть четко выражены кривой вольт-амперной характеристики, показанной на рисунке 2.

Рис. 2. Вольт-амперная характеристика стабилитрона

.

Стабилитрон работает с использованием характеристики регулирования напряжения многозонного обратного удара.Поэтому стабилитрон включен в цепь наоборот. Напряжение обратного пробоя стабилитрона называется стабильным напряжением, и стабильное напряжение разных типов стабилитронов также отличается. Значение регулирования напряжения определенного типа трубки регулятора напряжения фиксируется в диапазоне рта. Например, регулируемое значение 2CW11 составляет от 3,2 до 4,5 вольт, где регулируемое значение одной трубки может составлять 3,5 вольта, а другой трубки может составлять 4,2 вольта.

В практических приложениях, если напряжение регулятора не выбрано так, чтобы соответствовать требуемому регулятору напряжения, можно выбрать трубку регулятора с более низким регулируемым напряжением, а затем одну или несколько «подушек» из кремниевых диодов можно подключить последовательно для увеличения стабильность напряжения до требуемого значения.Это достигается за счет использования кремниевого диода с прямым падением напряжения от 0,6 до 0,7 вольт. Следовательно, диод должен быть подключен в прямом направлении цепи, что отличается от стабилитрона.

Стабильность стабилитрона можно выразить его динамическим сопротивлением r :

r = ΔU (изменение напряжения) / ΔI (изменение тока)

Очевидно, что для того же изменения тока ΔI, чем меньше изменение напряжения ΔU на стабилитроне, тем меньше динамическое сопротивление и тем лучше рабочие характеристики стабилитрона.

Динамическое сопротивление стабилитрона зависит от рабочего тока, и рабочий ток больше. Чем меньше динамическое сопротивление. Следовательно, чтобы добиться хорошего эффекта регулирования напряжения, следует выбрать рабочий ток. Рабочий ток выбирается большим, чтобы уменьшить динамическое сопротивление, но не превышать максимально допустимый ток (или максимальную мощность рассеивания) лампы. Рабочий ток и максимально допустимый ток для различных типов ламп можно найти в руководстве.

На стабильность трубки Зенера может влиять температура. При изменении температуры меняется и его стабильное напряжение. Температурный коэффициент стабильного напряжения обычно используется для обозначения этой характеристики. Например, стабильное напряжение трубки регулятора типа 2CW19 Uw = 12 вольт, температура Коэффициент составляет 0,095% ° C, что указывает на то, что устойчивое напряжение повышается на 11,4 милливольт на каждый 1 ° C повышения температуры. Чтобы улучшить стабильность цепи, часто используются соответствующие меры температурной компенсации.Когда характеристики стабильности очень высоки, требуются регуляторы напряжения с температурной компенсацией, такие как 2DW7A, 2DW7W, 2DW7C и т. Д.

Ⅱ Основной P Параметры стабилитрона D iode

(1) Стабильное напряжение Vz: Стабильное напряжение — это значение напряжения на обоих концах трубки, когда стабилитрон находится в нормальном режиме работы. Это значение немного зависит от рабочего тока и температуры.Это тот же тип стабилитрона, и стабильное значение напряжения также имеет определенный разброс. Например, стабильное напряжение кремниевого стабилитрона 2CW14 составляет от 6 до 7,5 В.

(2) Рассеиваемая мощность PM: когда обратный ток проходит через PN переход стабилитрона, генерируются определенные потери мощности, и температура PN перехода также повышается. Рассеиваемая мощность трубки определяется на основе допустимой рабочей температуры PN-перехода.Обычно лампы малой мощности имеют порядок от нескольких сотен милливатт до нескольких ватт.

Максимальная рассеиваемая мощность PZM: Максимальная мощность потерь стабилитрона зависит от площади PN-перехода и тепловыделения. При работе в обратном направлении потери мощности PN перехода составляют:

PZ = VZ * IZ, IZmax можно определить по PZM и VZ.

(3) Стабильный ток IZ, минимальный стабильный ток IZmin, большой стабильный ток IZmax Стабильный ток: обратный ток, когда рабочее напряжение равно стабильному напряжению; минимальный стабильный ток: минимальный обратный ток, необходимый, когда стабилитрон работает при стабильном напряжении; Максимальный установившийся ток: Максимальный обратный ток, допустимый для стабилитрона.

(4) Динамическое сопротивление rZ: Концепция такая же, как и динамическое сопротивление обычного диода, за исключением того, что динамическое сопротивление стабилитрона получается из его обратной характеристики. Чем меньше rZ, тем круче пробивные характеристики стабилитрона.

Rz = △ VZ / △ IZ

(5) Температурный коэффициент стабильного напряжения: изменение температуры будет

вызывает изменение VZ, в трубке Зенера,

Когда | VZ | > 7 В, ВЗ имеет положительный температурный коэффициент, а обратный пробой — это лавинный пробой;

Когда | VZ | <4V, VZ имеет отрицательный температурный коэффициент, а обратный пробой - это пробой Зенера;

Когда 4V <| VZ | <7V, трубка Зенера может получить температурный коэффициент, близкий к нулю.

Такой стабилитрон можно использовать как стандартный стабилизатор.

Ⅲ Стабилитрон D Диод C Характеристики

Стабилитроны

обычно работают в состоянии обратного пробоя.

Прямые характеристики стабилитрона аналогичны характеристикам обычного диода.

Обратная характеристика заключается в том, что когда обратное напряжение ниже, чем обратное напряжение пробоя, обратное сопротивление велико, а обратный ток утечки чрезвычайно мал.Однако, когда обратное напряжение близко к критическому значению обратного напряжения, обратный ток внезапно увеличивается, что называется пробоем, при котором обратное сопротивление внезапно падает до небольшого значения.

Хотя ток изменяется в широком диапазоне, напряжение на диоде по существу стабилизируется около напряжения пробоя, тем самым обеспечивая функцию стабилизации диода.

На рисунке ниже показана вольт-амперная характеристика стабилитрона

.

Рисунок 3.Вольт-амперная характеристика

Ⅳ Стабилитрон D iode C ircuit D iagram

(1) Простая схема регулятора напряжения, состоящая из кремниевого стабилитрона, показана на рисунке 4. Кремниевый стабилизатор напряжения DW подключен параллельно нагрузке Rfz, а R1 является токоограничивающим резистором.

Рисунок 4. Схема кремниевого стабилитрона

• Как регулируется эта схема?

Если напряжение сети повышается, выходное напряжение Usr схемы выпрямителя также повышается, вызывая повышение напряжения нагрузки Usc.Поскольку стабилитрон DW подключен параллельно нагрузке Rfz, по мере того, как корень становится меньше, ток, протекающий через стабилитрон, будет резко увеличиваться, так что I1 также увеличивается, а падение напряжения на токоограничивающем резисторе R1 увеличивается. , тем самым смещая рост Usr, по существу, неизменным напряжение нагрузки Usc. И наоборот, если напряжение в сети падает, вызывая падение Usr, вызывая также падение Usc, ток в стабилитроне резко уменьшается, вызывая уменьшение I1 и падение напряжения на R1, тем самым компенсируя падение Usr и поддерживая нагрузка.Напряжение Usc практически не изменилось.

Если Usr является постоянным и ток нагрузки увеличивается, падение напряжения на R1 увеличивается, вызывая падение напряжения нагрузки Usc. Как только Usc немного падает, ток в стабилитроне быстро уменьшается, так что падение напряжения на R1 снова уменьшается, сохраняя падение напряжения на R1 практически постоянным, что стабилизирует напряжение нагрузки Usc.

Рисунок 5. Схема кремниевого стабилитрона

(2) Приобретение сигнала опорного напряжения, наиболее примитивной схемы, то есть, простая схема регулятора напряжения, состоящий из токоограничивающий резистор и диод Зенера, как показано на блок-схеме, показанной на фиг.6.

Рисунок 6. Простая схема стабилитрона R, D

Рисунок 7. Схема стабилитрона с усилением тока / мощности

В схеме, показанной на рисунке, из-за максимального тока пробоя стабилитрона, выходная мощность схемы по току крайне мала. Поэтому в обычных приложениях добавляется повторитель напряжения, как показано на рисунке 7, для увеличения тока / мощности. Выходные возможности.

В схеме на рисунке 6 правильный выбор значения сопротивления токоограничивающего резистора R является предпосылкой для нормальной работы схемы стабилизации напряжения.Когда цепь нагрузки разгружена, ток, протекающий через стабилитрон Dz, не превышает его максимального выдерживаемого значения и выходит из строя; при максимальной нагрузке по-прежнему необходимо следить за тем, чтобы ток, протекающий через Dz, превышал минимальное значение тока пробоя, и он по-прежнему находится на уровне «Прорыв через рабочую зону». С точки зрения безопасности стабилитрона, если ток, протекающий через него, не превышает максимального обратного выдерживаемого тока стабилитрона, нет опасности повреждения компонентов схемы.Нормальная рабочая область стабилитрона относится к его состоянию обратного пробоя при определенных текущих условиях. В это время в области большого изменения тока значение изменения напряжения на клеммах относительно невелико и даже незначительно.

Ⅴ Положительное и отрицательное решение стабилитрона

5,1 положительный и отрицательный стабилитрон

Стабилитрон, использующий состояние обратного пробоя p-n перехода, ток может изменяться в широком диапазоне, а напряжение по существу постоянное, поэтому изготавливается диод, который действует как регулятор напряжения.Этот диод представляет собой полупроводниковое устройство, которое имеет очень высокое сопротивление до критического обратного напряжения пробоя.

В этой критической точке пробоя обратное сопротивление снижается до небольшого значения. В этой области с низким сопротивлением ток увеличивается, а напряжение остается постоянным. Из-за этой характеристики стабилитрон разделен по напряжению пробоя. Стабилитрон в основном используется в качестве регулятора напряжения или опорного напряжения компонента. Стабилитроны могут быть соединены последовательно для использования при более высоких напряжениях, что приводит к более высоким регулируемым напряжениям в серии.

Разберитесь в стабилитроне, давайте подробно объясним, как следует оценивать положительный и отрицательный полюсы стабилитрона, а также соединение положительных и отрицательных выводов стабилитрона.

5.2 Определение полярности

Проще всего посмотреть на логотип снаружи. Отрицательный полюс обычно печатается черным или серебряным кольцом, а положительный — нет. См. Ниже:

5.3 Метод идентификации

(1). По внешнему виду положительный конец корпуса стабилитрона с металлической упаковкой плоский, а отрицательный конец имеет полукруглую форму.

(2). Один конец корпуса диода с пластиковой изоляцией с нанесенной на него цветной меткой является отрицательным полюсом, а другой конец — положительным полюсом.

(3). Для стабилитрона с нечетким знаком вы также можете использовать мультиметр, чтобы определить его полярность. Установите мультиметр в положение измерительного диода.Поместите две ручки на концы диода. Вызывается зуммер, затем конец красной ручки положительный, а черный — отрицательный.

5.4 Положительное и отрицательное соединение стабилитрона

Многие друзья сомневаются в положительном и отрицательном подключении стабилитронов, потому что некоторые направления противоположны принципу работы

PIN диода — Instrumentation Tools

Пин-диод состоит из сильно легированных областей p и n, разделенных внутренней областью (i), как показано на рисунке (a).При обратном смещении пин-диод действует как почти постоянная емкость. При прямом смещении он действует как регулируемое по току переменное сопротивление. Это показано на рисунках (b) и (c). Низкое прямое сопротивление внутренней области уменьшается с увеличением тока.

PIN-диод работает точно так же, как обычный диод. Единственная реальная разница заключается в том, что область обеднения, которая обычно существует между областями P и N в несмещенном или обратном смещенном диоде, больше.

В любом PN-переходе P-область содержит дырки, поскольку она была легирована, чтобы гарантировать преобладание дырок. Точно так же N-область была легирована, чтобы содержать избыточные электроны. Область между P- и N-областями не содержит носителей заряда, так как любые дырки или электроны объединяются. Поскольку обедненная область не имеет носителей заряда, она действует как изолятор.

Внутри PIN-диода существует область истощения, но если диод смещен в прямом направлении, носители входят в область истощения (включая внутреннюю область), и когда два типа несущих встречаются, начинает течь ток.

Когда диод смещен в прямом направлении, концентрация носителей заряда, то есть дырок и электронов, намного выше, чем концентрация носителей на собственном уровне. Из-за этого высокого уровня инжекции электрическое поле распространяется глубоко (почти на всю длину) в область. Это электрическое поле помогает ускорить перенос носителей заряда из области p в область n, что приводит к более быстрой работе диода, что делает его подходящим устройством для высокочастотных операций.

Характеристики PIN диода VI

Характеристика прямого последовательного сопротивления и характеристика обратной емкости графически показаны на рисунке ниже для типичного pin-диода.Штыревой диод используется как управляемый постоянным током микроволновый переключатель, управляемый быстрыми изменениями смещения, или как модулирующее устройство, которое использует переменную характеристику прямого сопротивления.

Поскольку выпрямление на pn переходе не происходит, высокочастотный сигнал может модулироваться (изменяться) посредством изменения смещения более низкой частоты. Штыревой диод также можно использовать в аттенюаторах, потому что его сопротивление можно регулировать силой тока. Некоторые типы pin-диодов используются в качестве фотоприемников в волоконно-оптических системах.

Преимущества PIN-диода

PIN-диод используется во многих областях в результате его структуры, демонстрирующей некоторые свойства, которые особенно полезны.

• Высоковольтный выпрямитель: PIN-диод может использоваться как высоковольтный выпрямитель. Внутренняя область обеспечивает большее разделение между областями PN и N, позволяя допускать более высокие обратные напряжения.
• Радиочастотный переключатель: PIN-диод является идеальным радиочастотным переключателем.Внутренний слой между областями P и N увеличивает расстояние между ними. Это также уменьшает емкость между ними, тем самым повышая уровень изоляции при обратном смещении диода.
• Фотодетектор: Поскольку преобразование света в ток происходит в области истощения фотодиода, увеличение области истощения путем добавления внутреннего слоя улучшает характеристики за счет увеличения объема, в котором происходит преобразование света.

Это три основных области применения PIN-диодов, хотя они также могут использоваться в некоторых других областях.

PIN-диод — идеальный компонент для переключения электроники во многих областях электроники. Это особенно полезно для приложений проектирования ВЧ и для обеспечения переключающего или ослабляющего элемента в переключателях ВЧ и аттенюаторах ВЧ. PIN-диод может обеспечить гораздо более высокий уровень надежности, чем высокочастотные реле, которые часто являются единственной альтернативой.

Недостатки PIN-диода

• Имеет время обратного восстановления, которое способствует потере мощности

диод | Принцип работы и типы диода

Что такое диод?

Диод — это простое электрическое устройство, которое позволяет току течь только в одном направлении. Можно сказать, что он действует как переключатель. Специальная схема из диодов может преобразовывать переменный ток в пульсирующий постоянный ток, поэтому его иногда также называют выпрямителем.Оно происходит от слова «диод», что означает устройство с двумя электродами. Символ диода с p-n переходом показан ниже, стрелка указывает в направлении обычного электрического тока.
P-n-переход является основным строительным блоком в любом полупроводниковом устройстве. Он формируется путем соединения полупроводников p-типа (собственный полупроводник, легированный трехвалентной примесью) и полупроводника n-типа (собственный полупроводник, легированный пятивалентной примесью) вместе со специальной технологией изготовления, так что образуется p-n-переход.Следовательно, это устройство с двумя элементами: p-тип образует анод, а n-тип — катод. Эти клеммы выведены для выполнения внешних подключений.

Принцип работы диода

Что происходит внутри p-n-переходного диода?

На стороне n будет большое количество электронов и очень мало дырок (из-за теплового возбуждения), тогда как на стороне p будет высокая концентрация дырок и очень мало электронов. Благодаря этому происходит процесс, называемый диффузией.В этом процессе свободные электроны со стороны n будут диффундировать (распространяться) в сторону p и объединяться с дырками, присутствующими там, оставляя положительный неподвижный (неподвижный) ион на стороне n. Следовательно, несколько атомов на стороне p превращаются в отрицательные ионы. Точно так же несколько атомов на n-стороне преобразуются в положительные ионы. Из-за этого большое количество положительных и отрицательных ионов будет накапливаться на n-стороне и p-стороне соответственно. Образованная таким образом область называется областью истощения. Из-за присутствия этих положительных и отрицательных ионов на p-n переходе диода создается статическое электрическое поле, называемое «барьерным потенциалом».Его называют «барьерным потенциалом», потому что он действует как барьер и препятствует потоку положительных и отрицательных ионов через переход.

Чтобы использовать этот диод с p-n переходом, мы должны подать на него внешнее постоянное напряжение. Подача внешнего постоянного напряжения на диод называется смещением. Если сторона p (анод) подключена к положительной клемме источника питания, а сторона n (катод) — к отрицательной клемме источника питания, диод считается смещенным в прямом направлении. Таким же образом, если сторона n подключена к положительной клемме источника питания, а сторона p — к отрицательной клемме источника питания, диод считается смещенным в обратном направлении.В большинстве случаев сопротивление должно быть подключено последовательно с ним, чтобы ограничить электрический ток, протекающий через диод. Это принцип работы диода .

Что происходит, когда диод смещен в прямом направлении?

Когда диод смещен в прямом направлении, из-за отрицательного вывода на n-стороне электроны со стороны n выталкиваются в p-область. Точно так же из-за положительного напряжения на p-стороне диода отверстия от p-области смещаются к n-стороне.Из-за этого электроны начнут преобразовывать положительные ионы в p-области в нейтральные атомы, а дырки начнут преобразовывать отрицательные ионы в n-области в нейтральные атомы. Следовательно, ширина обедненной области начинает уменьшаться из-за уменьшения барьерного потенциала. (Поскольку атомы в области обеднения превращаются в нейтральные атомы, все меньше и меньше заряженных ионов остаются в этой области с увеличением напряжения питания, следовательно, ширина уменьшается.) Это продолжает происходить, и в определенный момент область обеднения схлопывается, и нет противодействие потоку тока.Следовательно, большое количество электронов и дырок пересекает переход и заставляет электрический ток течь от анода к катоду.
Следовательно, прямое смещенное электрическое сопротивление диода очень мало, и, следовательно, на нем есть небольшое падение напряжения (практическое условие, в идеале прямое сопротивление должно быть 0). Его значение для кремниевого диода составляет около 0,7 В.
Таким образом, диод с p-n переходом позволит электрическому току проходить через него только при прямом смещении.

Что происходит в условиях обратного смещения?

Когда диод смещен в обратном направлении, отверстие со стороны p будет притягиваться к отрицательному выводу источника питания, а электроны со стороны n притягиваются к положительному выводу.Следовательно, имеет место процесс расширения области истощения и, следовательно, имеет место все большее и большее сопротивление потоку электрического тока.

Следовательно, в идеале сопротивление диода с обратным смещением бесконечно, и электрический ток не течет от диода, когда он смещен в обратном направлении. Из-за большого обратного смещенного напряжения внезапно через обратное смещенное напряжение будет протекать большой электрический ток. Из-за этого большая мощность рассеивается на диоде , что может привести к его необратимому повреждению.

Типы диодов

Типы диода следующие:
1) Стабилитрон
2) P-N диод
3) Туннельный диод
4) Варракторный диод
5) Диод Шоттки
6) Фотодиод
7) PIN диод
8) Лазерный диод
9) Лавинный диод
10) Светодиод

.