Що таке діод, принцип дії і робота в схемі

діод – це елемент, який має різну провідність. Таке його властивість має застосування в різних електротехнічних і радіоелектронних схемах. На його основі створюються пристрої, що мають застосування в різних областях.

Типи діодів: електровакуумні й напівпровідникові. Останній тип в даний час застосовується в переважній більшості випадків. Ніколи не буде зайвим знати про те, як працює діод, для чого він потрібен, як позначається на схемі, які існують типи діодів, застосування діодів різних видів.

електровакуумні діоди

Прилади цього типу виконані у вигляді електронних ламп. Лампа виглядає як скляний балон, всередину якого вміщено два електроди. Один з них анод, інший катод. Вони знаходяться в вакуумі. Конструктивно анод виконаний у вигляді тонкостінної циліндра. Всередині розташований катод. Він має зазвичай циліндричну форму. Ізольована нитка розжарення прокладена всередині катода. Всі елементи мають висновки, які з'єднані зі штирями (ніжками) лампи. Ніжки лампи виведені назовні.

Принцип роботи

При проходженні електричного струму по спіралі вона нагрівається і розігріває катод, всередині якого знаходиться. З поверхні розігрітого катода електрони, які покинули його, без додаткового прискорює поля накопичуються в безпосередній близькості від нього. Частина з них потім назад повертається на катод.

При подачі на анод позитивної напруги електрони, що випускаються катодом, спрямовуються до нього, створюючи анодний струм електронів.

Катод має межею емісії електронів. При досягненні цієї межі анодний струм стабілізується. Якщо на анод подати невелике негативне напруга по відношенню до катода, то електрони припинять свій рух.

Матеріал катода, з якого він виготовлений, має високий ступінь емісії.

Вольт амперна характеристика (ВАХ)

ВАХ діодів цього типу графічно показує залежність струму анода від прямого напруги, прикладеного до висновків катода і анода. Вона складається з трьох ділянок:

• Повільне нелінійне наростання струму;
• Робоча частина характеристики;
• Область насичення струму анода.

Нелінійний ділянку починається після області відсічення анодного струму. Його нелінійність пов'язана з невеликим позитивним потенціалом катода, який покинули електрони при його розігріві ниткою розжарення.

Активний ділянку визначає з себе майже вертикальну лінію. Він характеризує залежність анодного струму від зростаючої напруги.

Ділянка насичення є лінією постійного значення струму анода при зростаючому напруженні між електродами лампи. Електронну лампу на цій ділянці можна порівняти з провідником електричного струму. Емісія катода досягла свого найвищого значення.

напівпровідникові діоди

Властивість p – n переходу пропускати електричний струм одного напрямку знайшло застосування при створенні приладів цього типу. Пряме включення – це подача на n -область переходу негативного потенціалу, по відношенню до p-області, потенціал якої позитивний. При такому включенні прилад знаходиться у відкритому стані. При зміні полярності прикладеної напруги він виявиться в замкненому стані, і струм крізь нього не проходить.

Класифікацію діодів можна вести за їх призначенням, за особливостями виготовлення, за типом матеріалу, що використовується при його виготовленні.

В основному для виготовлення напівпровідникових приладів використовуються пластини кремнію або германію, які мають електропровідність n-типу. У них присутній надлишок негативно заряджених електронів.

Застосовуючи різні технології виготовлення, можна на виході отримати точкові або пластинчасті діоди.

При виготовленні точкових приладів до платівці n-типу приварюють загострений провідник (голку). На його поверхню нанесена певна домішка. Для германієвих пластин голка містить індій, для кремнієвих пластин голка покрита алюмінієм. В обох випадках створюється область p – n переходу. Її форма нагадує півсферу (точку).

Для площинних приладів застосовують метод дифузії або сплаву. Площа переходів, одержуваних таким методом, варіюється в широких межах. Від її величини залежить в подальшому призначення виробу. До областей p – n переходу припаюють зволікання, які у вигляді висновків з корпусу готового виробу використовують при монтажі різних електричних схем.

На схемах напівпровідникові діоди позначаються у вигляді рівностороннього трикутника, до верхнього кута якого приєднана вертикальна риса, паралельна його основи. Висновок риси називається катодом, а висновок підстави трикутника анодом.

Прямим називається таке включення, при якому позитивний полюс джерела живлення з'єднаний з анодом. При зворотному включенні «плюс» джерела підключається до катода.

Вольт амперна характеристика

ВАХ визначає залежність струму, що протікає через напівпровідниковий елемент, від величини і полярності напруги, яке докладено до його висновків.

В області прямих напруг виділяють три області: невеликого прямого струму і прямого робочого струму через діод. Перехід з однієї області в іншу відбувається при досягненні прямим напругою порога провідності. Ця величина складає близько 0,3 вольт для германієвих діодів і 0,7 вольт для діодів на основі кремнію.

При додатку до висновків діода зворотної напруги струм через нього має дуже незначну величину і називається зворотним струмом або струмом витоку. Така залежність спостерігається до певного значення величини зворотної напруги. Воно називається напругою пробою. При його перевищенні зворотний струм наростає лавиноподібно.

Граничні значення параметрів

Для напівпровідникових діодів існують величини їх параметрів, які не можна перевищувати. До них відносяться:

• Максимальний прямий струм;
• Максимальна зворотна напруга пробою;
• Максимальна потужність розсіювання.

Напівпровідниковий елемент може витримати прямий струм через нього обмежених маршрутів. При його перевищенні відбувається перегрівання p-n переходу і вихід його з ладу. Найбільший запас по цьому параметру мають площинні силові прилади. Величина прямого струму через них може досягати десятків ампер.

Перевищення максимального значення напруги пробою може перетворити діод, що має односпрямовані властивості, в звичайний провідник електричного струму. Пробій може мати незворотній характер і варіюється в широких межах, в залежності від конкретного використовуваного приладу.

потужність – це величина, яка напряму залежить від струму і напруги, яке докладено при цьому до висновків діода. Як і перевищення максимального прямого струму, перевищення граничної потужності розсіювання призводить до незворотних наслідків. Діод просто вигорає і перестає виконувати своє призначення. Для запобігання такій ситуації силові прилади встановлюють прилади на радіатори, які відводять (розсіюють) надлишок тепла в навколишнє середовище.

Види напівпровідникових діодів

Властивість діода пропускати струм в прямому напрямі і не пропускати його в зворотному знайшло застосування в електротехніці і радіотехніці. Розроблено та спеціальні види діодів для виконання вузького кола завдань.

Випрямлячі та їх властивості

Їх застосування засноване на випрямних властивості цих приладів. Їх використовують для отримання постійної напруги шляхом випрямлення вхідного змінного сигналу.

Одиночний випрямний діод дозволяє отримати на його виході пульсуюче напруга позитивної полярності.Використовуючи їх комбінацію, можна отримати форму вихідної напруги, що нагадує хвилю. При використанні в схемах випрямлячів додаткових елементів, таких як електролітичні конденсатори великої ємності і котушки індуктивності з електромагнітними сердечниками (дроселі), на виході пристрою можна отримати постійну напругу, що нагадує напруга гальванічної батареї, таке необхідне для роботи більшості апаратури споживача.

напівпровідникові стабілітрони

Ці діоди мають ВАХ зі зворотним гілкою великої крутості. Тобто, приклавши до висновків стабілітрона напруга, полярність якого зворотна, можна за допомогою обмежувальних резисторів ввести його в режим керованого лавин пробою. Напруга в точці лавинного пробою має постійне значення при значній зміні струму через стабілітрон, величину якого обмежують залежно від застосованого в схемі приладу. Так отримують ефект стабілізації вихідної напруги на потрібному рівні.

Технологічними операціями при виготовленні стабилитронов домагаються різних величин напруги пробою (напруги стабілізації). Діапазон цих напруг (3-15) вольт. Конкретне значення залежить від обраного приладу з великого сімейства стабилитронов.

Принцип роботи детекторів

Для детектування високочастотних сигналів застосовують діоди, виготовлені по точкової технології. Завдання детектора полягає в тому, щоб обмежити одну половину модульованого сигналу. Це дозволяє в подальшому за допомогою високочастотного фільтру залишити на виході пристрою тільки модулюючий сигнал. Він містить звукову інформацію низької частоти. Цей метод використовується в радіоприймальних пристроях, що приймають сигнал, модульований за амплітудою.

особливості світлодіодів

Ці діоди характеризуються тим, що при протіканні через них струму прямого напрямки кристал випускає потік фотонів, які є джерелом світла. Залежно від типу кристала, застосованого в светодиоде, спектр світла може знаходитися як у видимому людським оком діапазоні, так і в невидимому. Невидимий світ – це інфрачервоне або ультрафіолетове випромінювання.

При виборі цих елементів необхідно представляти мету, яку необхідно досягти. До основних характеристик світлодіодів відносяться:

• Споживана потужність;
• Номінальну напругу;
• Струм споживання.

Струм споживання світлодіода, що застосовується для індикації в пристроях широкого застосування, не більше 20 мА. При такому струмі світіння світлодіода є оптимальним. Початок світіння починається при струмі, що перевищує 3 мА.

Номінальна напруга визначається внутрішнім опором переходу, яке є величиною непостійною. При збільшенні струму через світлодіод опір поступово зменшується. Напруга джерела живлення, що використовується для живлення світлодіода, необхідно застосовувати не менше напруги, зазначеного в паспорті на нього.

Споживана потужність – це величина, що залежить від струму споживання і номінальної напруги. Вона збільшується при збільшенні величин, її визначають. Слід врахувати, що потужні світлові діоди можуть мати в своєму складі 2 і навіть 4 кристала.

Перед іншими освітлювальними приладами світлодіоди мають незаперечні переваги. Їх можна перераховувати довго. Основними з них є:

• Висока економічність;
• Велика довговічність;
• Високий рівень безпеки через низькі напруги живлення.

До недоліку їх експлуатації відноситься необхідність наявності додаткового стабілізованого джерела живлення постійного струму, а це збільшує вартість.