Типы диодов
Диоды бывают электровакуумными (кенотроны), газонаполненными (газотроны, игнитроны, стабилитроны), полупроводниковыми и др. В настоящее время в подавляющем большинстве случаев применяются полупроводниковые диоды.
Полупроводниковые диоды
Полупроводниковые диоды используют свойство односторонней проводимости p-n перехода — контакта между полупроводниками с разным типом примесной проводимости, либо между полупроводником и металлом (Диод Шоттки).
Ламповые диоды
Ламповые диоды представляют собой радиолампу с двумя рабочими электродами, один из которых подогревается нитью накала. Благодаря этому, часть электронов покидает поверхность разогретого электрода (катода) и под действием электрического поля движется к другому электроду — аноду. Если же поле направлено в противоположную сторону, электрическое поле препятствует этим электронам и тока (практически) нет.
Специальные типы диодов
- Стабилитроны (диод Зенера). Используют обратную ветвь характеристики диода с обратимым пробоем для стабилизации напряжения.
- Туннельные диоды (диоды Лео Эсаки). Диоды, существенно использующие квантовомеханические эффекты. Имеют область т. н. «отрицательного сопротивления» на вольт-амперной характеристике. Применяются как усилители, генераторы и пр.
- Варикапы (диоды Джона Джеумма). Используется то, что запертый p—n-переход обладает большой ёмкостью, причём ёмкость зависит от приложенного обратного напряжения. Применяются в качестве конденсаторов переменной ёмкости.
- Светодиоды (диоды Генри Раунда). В отличие от обычных диодов, при рекомбинации электронов и дырок в переходе излучают свет в видимом диапазоне, а не в инфракрасном. Однако, выпускаются светодиоды и с излучением в ИК диапазоне, а с недавних пор — и в УФ.
- Полупроводниковые лазеры. По устройству близки к светодиодам, однако имеют оптический резонатор, излучают когерентный свет.
- Фотодиоды. Запертый фотодиод открывается под действием света.
- Солнечный элемент. Подобен фотодиоду, но работает без смещения. Падающий на p-n переход свет вызывает движение электронов и генерацию тока.
- Диоды Ганна. Используются для генерации и преобразования частоты в СВЧ диапазоне.
- Диод Шоттки. Диод с малым падением напряжения при прямом включении.
- Лавинный диод — диод, основанный на лавинном пробое обратного участка вольт-амперной характеристики. Применяется для защиты цепей от перенапряжений
- Лавинно-пролётный диод — диод, основанный на лавинном умножении носителей заряда. Применяется для генерации колебаний в СВЧ-технике.
- Магнитодиод. Диод, вольт-амперная характеристика которого существенно зависит от значения индукции магнитного поля и расположения его вектора относительно плоскости p-n-перехода.
- Стабисторы. При работе используется участок ветви вольт-амперной характеристики, соответствующий «прямому напряжению» на диоде.
- Смесительный диод — предназначен для перемножения двух высокочастотных сигналов.
- pin диод — содержит область собственной проводимости между сильнолегированными областями. Используется в СВЧ-технике, силовой электронике, как фотодетектор.
Применение диодов
Диодные выпрямители
Диоды широко используются для преобразования переменного тока в постоянный (точнее, в однонаправленный пульсирующий). Диодный выпрямитель или диодный мост (То есть 4 диода для однофазной схемы, 6 для трёхфазной полумостовой схемы или 12 для трёхфазной полномостовой схемы, соединённых между собой по схеме) — основной компонент блоков питания практически всех электронных устройств. Диодный трёхфазный выпрямитель по схеме Ларионова А. Н. на трёх параллельных полумостах применяется в автомобильных генераторах, он преобразует переменный трёхфазный ток генератора в постоянный ток бортовой сети автомобиля. Применение генератора переменного тока в сочетании с диодным выпрямителем вместо генератора постоянного тока с щёточно-коллекторным узлом позволило значительно уменьшить размеры автомобильного генератора и повысить его надёжность.
В некоторых выпрямительных устройствах до сих пор применяются селеновые выпрямители. Это вызвано той особенностью данных выпрямителей, что при превышении предельно допустимого тока, происходит выгорание селена (участками), не приводящее (до определенной степени) ни к потере выпрямительных свойств, ни к короткому замыканию — пробою.
В высоковольтных выпрямителях применяются селеновые высоковольтные столбы из множества последовательно соединённых селеновых выпрямителей и кремниевые высоковольтные столбы из множества последовательно соединённых кремниевых диодов.
Если соединено последовательно и согласно(в одну сторону) несколько диодов, пороговое напряжение, необходимое для отпирания всех диодов, увеличивается.
Диодные детекторы
Диоды в сочетании с конденсаторами применяются для выделения низкочастотной модуляции из амплитудно-модулированного радиосигнала или других модулированных сигналов. Диодные детекторы применяются в радиоприёмных устройствах: радиоприёмниках, телевизорах и т.п. Используется квадратичный участок вольт-амперной характеристики диода.
Диоды применяются для защиты устройств от неправильной полярности включения, защиты входов схем от перегрузки, защиты ключей от пробоя ЭДС самоиндукции, возникающей при выключении индуктивной нагрузки и т. п.
Для защиты входов аналоговых и цифровых схем от перегрузки используется цепочка из двух диодов, подключенных к шинам питания в обратном направлении, защищаемый вход подключается к средней точке этой цепочки. При нормальной работе диоды закрыты и почти не оказывают влияния на работу схемы. При уводе потенциала входа за пределы питающего напряжения один из диодов открывается и шунтирует вход схемы, ограничивая таким образом допустимый потенциал входа диапазоном в пределах питающего напряжения плюс прямое падение напряжения на диоде. Такие цепочки могут быть уже включены в состав ИС на этапе проектирования кристалла, либо предусматриваться при разработке схем узлов, блоков, устройств. Выпускаются готовые защитные сборки из двух диодов в трёхвыводных «транзисторных» корпусах.
Для сужения или расширения диапазона защиты вместо потенциалов питания необходимо использовать другие потенциалы в соответствии с требуемым диапазоном. При защите от мощных помех, возникающих на длинных проводных линиях, например, при грозовых разрядах, может потребоваться использование более сложных схем, вместе с диодами включающих в себя резисторы, варисторы, разрядники.
Два входа защищены диодными цепочками. Внизу — трёхвыводная защитная диодная сборка в сравнении со спичечной головкой.
При выключении индуктивных нагрузок (таких как реле, электромагниты, магнитные пускатели, электродвигатели) возникает ЭДС самоиндукции:
где — индуктивность, — ток через индуктивность, — время.
ЭДС самоиндукции препятствует уменьшению силы тока через индуктивность и «стремится» поддержать ток на прежнем уровне. При выключении тока энергия магнитного поля, созданного индуктивностью, должна где-то рассеяться. Магнитное поле, создаваемое индуктивной нагрузкой, обладает энергией:
где — индуктивность — ток через индуктивность.
Таким образом, после отключения индуктивность сама становится источником тока и напряжения, а возникающее на закрытом ключе напряжение может достигать высоких значений и приводить к искрению и обгоранию контактов механических и пробою полупроводниковых ключей поскольку в этих случаях энергия будет рассеиваться непосредственно на само́м ключе. Диодная защита является простой и одной из широко распространённых схем, позволяющих защитить ключи с индуктивной нагрузкой. Диод включается параллельно катушке так, что в рабочем состоянии диод закрыт. При отключении тока возникающая ЭДС самоиндукции направлена против ранее приложенного к индуктивности напряжения, эта противо-ЭДС открывает диод, ранее шедший через индуктивность ток продолжает течь через диод и энергия магнитного поля рассеется на нём, не вызывая повреждения ключа.
В схеме защиты с одним только диодом напряжение на катушке будет равным падению напряжения на диоде в прямом направлении — порядка 0,7–1,2 В, в зависимости от величины тока. Из-за малости этого напряжения ток будет спадать довольно медленно и для ускорения выключения нагрузки может потребоваться использование более сложной защитной схемы: стабилитрон последовательно с диодом, диод в комбинации с резистором, варистором или резисторно-ёмкостной цепочкой.
Диодные переключатели
Применяются для коммутации высокочастотных сигналов. Управление осуществляется постоянным током, разделение ВЧ и управляющего сигнала с помощью конденсаторов и индуктивностей.
Ход лабораторной работы
ВА характеристики диодов
Диод №1
Прямое Вк Обратное ВК
| U | I mA | U | I mA |
| 3,6 | 0,01 | 16,8 | 0,06 |
| 0,01 | 0,04 | ||
| 2,1 | 0,009 | 0,03 | |
| 1,8 | 0,005 | 0,02 | |
| 0,01 |
Диод №2
Прямое Вк Обратное ВК
| U | I mA | U | I mA |
| 0,32 | 0,86 | 16,7 | 0,06 |
| 0,3 | 0,68 | 0,05 | |
| 0,26 | 0,37 | 0,04 | |
| 0,2 | 0,13 | 0,03 | |
| 0,1 | 0,02 | 0,01 |
Диод №3
Прямое Вк Обратное ВК
| U | I mA | U | I mA |
| 0,59 | 0,76 | 0,1 | |
| 0,57 | 0,46 | 0,08 | |
| 0,5 | 0,11 | 0,06 | |
| 0,44 | 0,05 | 0,04 | |
| 0,22 | 0,02 | 0,02 |
Диод №4
Прямое Вк Обратное ВК
| U | I mA | U | I mA |
| 3,5 | 0,07 | 1,3 | |
| 2,9 | 0,06 | 1,2 | |
| 1,8 | 0,04 | 0,96 | 0,12 |
| 1,3 | 0,03 | 0,56 | 0,06 |
| 0,01 | 0,11 | 0,01 |
