Что такое полупроводниковый диод и где его используют

Необходимость направить ток в нужном направлении или выпрямить переменное напряжение часто возникает в электронных устройствах и электротехнике в целом. Когда-то для этого использовались игнитроны (ртутные выпрямители) и вакуумные диоды, но в некоторых случаях их использование было ограничено или затруднено. С развитием полупроводниковых приборов были разработаны и диоды. Они получили применение в детекторах, выпрямителях, снабберных цепях и прочем. В этой статье мы рассмотрим что такое полупроводниковый диод и сферу его применения.

Отечественные диоды 2Д202
Отечественные диоды 2Д202

Полупроводниковый диод: определение и назначение

Диод – это неуправляемый полупроводниковый ключ. Неуправляемый он потому, что вы не можете контролировать момент, когда через него начинает протекать ток. Основное его свойство – пропускать ток в одном направлении. Полупроводниковый диод, очевидно, состоит из полупроводникового материала. Ранее для этого использовали германий. В современной электронике в большинстве случаев он был вытеснен кремнием.

Отечественные кремниевые диоды
Отечественные кремниевые диоды

Итак полупроводниковый диод состоит из кремния, но этого недостаточно чтобы он выполнял основные функции выпрямления. Кремний здесь разделен на две части, это так называемые n- и p-области.

Внутреннее устройство диода, запирающий слой и потенциальный барьер
Внутреннее устройство диода, запирающий слой и потенциальный барьер

Они отличаются тем, что n-область насыщена отрицательными носителями зарядов (электронами), а p-область — положительными (дырками). Вносят дополнительные носители зарядов с помощью легирования, другими словами — обогащения, к кремнию добавляют примеси — мышьяк и индий.

Интересно:

Положительные заряды называют дырками. Фактически, положительным зарядом называют отсутствие отрицательного заряда. Поэтому и название такое — дырка. Не отрицательный — значит положительный.

Обозначение на схеме

Условное графическое обозначение (УГО) полупроводникового диода на схеме выполняется в виде треугольника, который вершиной касается вертикальной линии, согласно ГОСТ размеры УГО – 5х5 мм.

УГО диода по гост
УГО диода по гост

При этом оно также напоминает стрелку, которая указывает направление протекания тока — от плюса к минусу. Подписываются на схемах эти элементы латинскими буквами VD.

Принцип работы

Между n- и p-областью находится запирающий слой и потенциальный барьер. Если к нему приложить прямое напряжение — к p-области плюс (аноду), а к n-области (катоду) минус источника питания то запирающий слой сужается и начинает протекать ток. А если приложить напряжение обратной полярности (плюс к катоду, а минус к аноду) — запирающий слой расширяется и носители заряда не могут его преодолеть, соответственно ток не протекает.

n- и p-области и анод-катод
n- и p-области и анод-катод

На практике катод реального полупроводникового диода помечается точкой или кольцом.

обозначение катода
обозначение катода

В этой статье мы не будем рассматривать подробно что происходит внутри полупроводниковых элементов, когда к ним прикладывают напряжение, а именно процессы рекомбинации носителей заряда и особенности их поведения — поскольку это тема для нескольких статей.

У полупроводникового диода есть два включения — прямое и обратное. Прямое — проводит, обратное — не проводит.

Схемы включение слева - прямая, справа - обратная
Схемы включение слева — прямая, справа — обратная

Но приложить напряжение к выводам элемента недостаточно, нужно, чтобы его величина была достаточной для перехода носителей зарядов через запрещенную зону из валентной в зону проводимости. Это называется зонной теорией.

Величина прикладываемого напряжения зависит от материалов из которых изготовлен полупроводниковый прибор. Для кремния это 0,7-0,8 вольт и больше, а для германия — 0,3-0,4 вольта. На рисунке ниже изображены энергетические уровни и зоны полупроводника, проводника и диэлектрика.

Зонная теория
Зонная теория

ВАХ

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода состоит из двух ветвей — первая отражает отношение Iпр к приложенному прямому Uпит и повторяет по форме ветвь параболы, а вторая характеризует ток в обратном включении.

Вольт-амперная характеристика полупроводниковых диодов
Вольт-амперная характеристика полупроводниковых диодов

Такая форма говорит о том, что когда к полупроводниковому диоду приложено прямое напряжение ток не протекает до тех пор пока оно не начнет приближаться к 0.7 вольтам (для кремниевых приборов), после чего рост тока нелинейно зависит от напряжения. Простыми словами при малом приращении напряжения ток увеличивается значительно.

прямая ветвь ВАХ
прямая ветвь ВАХ

Эту часть графика можно разделить на два участка:

  1. Когда диод еще закрыт.
  2. Когда через него начинает протекать ток — открытое состояние.

Обратная ветвь ВАХ диода условно состоит из четырёх участков:

  1. Не проводит ток. Вернее он есть, но его значения очень малы — это Iобратный или Iутечки по поверхности кристалла.
  2. Лавинный пробой — диод начинает пропускать ток. Если на этом этапе отключить напряжения — элемент останется целым.
  3. Туннельный пробой. Два этих эффекта используют в стабилитронах (другой вид полупроводниковых двухэлектродных компонентов), их специально включают в обратном смещении, а этот участок ВАХ у стабилитронов значительно шире, по сравнению с обычным диодом.
  4. Тепловой пробой — необратимое разрушение pn-перехода, в результате он либо становится подобным проводнику либо перегорает — обрыв цепи.

Сфера применения и схемы

Полупроводниковые диоды используют в качестве:

  • детекторов в радиоприемниках;
  • выпрямителей, как отдельные полупроводниковые диоды, так и диодные мосты и сборки;
  • в снабберах — для защиты ключей от всплесков ЭДС-самоиндукции;
  • для защиты от переполюсовки;
  • редко и более экзотическое применение — как источник опорного напряжения.

Давайте разберемся как вышесказанное выглядит на схеме

Схемы выпрямителей

Если нужно из переменного напряжения сделать постоянное – используют одну из трёх схем выпрямления для однофазной цепи:

  1. Однополупериодный выпрямитель (1ф1п).
  2. Двухполупериодный выпрямитель или схема Гретца (2ф2п).
  3. Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой.
Схемы выпрямителей однофазного напряжения
Схемы выпрямителей однофазного напряжения

Принцип работы этих схем мы рассмотрим в отдельной статье.

Для трёхфазной цепи также есть разные схемы выпрямления:

  1. трёхполупериодная или трёхпульсная – Миткевича (3ф3п).
  2. шестиполупериодная или шестипульсная – Ларионова (3ф6п).
  3. Двенадцатипульсная (3ф12п).
Схемы выпрямителей трёхфазного напряжения
Схемы выпрямителей трёхфазного напряжения
Двенадцатипульсная схема выпрямления
Двенадцатипульсная схема выпрямления

В снабберной цепи

Для защиты от всплесков ЭДС в цепях с высокой индуктивностью параллельно коммутирующим ключам устанавливают снабберные цепи. Их цель — снизить скорость роста фронтов и погасить скачек напряжения. Например, это RCD или RCL-цепочка.

RCD-снаббер
RCD-снаббер

Для защиты от переполюсовки

Простейший способ защитить устройство которое работает от постоянки – установить на его вход полупроводниковый диод. При этом его подключают анодом к источнику питания, а катодом к устройству.

Защита от переполюсовки
Защита от переполюсовки

Как выбрать диод — основные характеристики

При выборе деталей для выпрямителя или для других целей в первую очередь обращают внимание на следующие характеристики:

  1. Обратное напряжение Uобр. Это то напряжение которое выдержит диод в обратном смещении, для выпрямителей 220В переменки используют элементы с Uобр больше амплитудного — 310. А это 400, 600 и 1000-вольтовые модели.
  2. Прямой ток Iпр. Подбирается с запасом по параметрам подключаемого устройства. Чем больше запас тем лучше, но 20-50% вполне хватает для большинства случае.

Также в даташитах указывают и другие характеристики, это может быть и импульсный ток, и емкость (в микрофарадах, как у конденсаторов) и прочие. Для новичков, которым нужно заменить диод на входе в блоке питания или сделать выпрямитель для трансформатора — будет достаточно выбрать полупроводниковый диод по току и напряжению.

Обычные полупроводниковые диоды, типа распространенных 1n4007 используют в низкочастотных цепях, для выпрямления напряжения частотой 50-60 герц, хотя они рассчитаны на большее. Для работы в высокочастотных цепях, например на выходе импульсного блока питания — диод должен быть рассчитан на десятки и сотни килогерц. Обычный диод будет греться и быстро сгорит (если не сразу)

Для примера рассмотрим скриншот из справочника отечественных полупроводниковых диодов.

Отечественный справочник
Отечественный справочник

Здесь всё по-русски и всё понятно, но стоит взглянуть на иностранный даташит, возьмём ту же серию 1n400x, возникает ряд вопросов.

Зарубежный даташит серии 1n400x
Зарубежный даташит серии 1n400x

Расшифруем некоторые пункты, я их выделил красными цифрами.

  1. Vrpm – пиковое или максимальное обратное напряжение — опасно эксплуатировать около этого уровня.
  2. Vr(rms) – среднее обратное напряжение — нормальное для работы, то же что и Uобр
  3. Io – средний выпрямленный ток, то же что и Iпр.
  4. Ifsm – пиковый выпрямленный.
  5. Vfm – падение напряжения в прямом смещении (в открытом проводящем состоянии)
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (1 оценок, среднее: 3,00 из 5)
Загрузка...

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *