Полупроводниковый диод. Что такое диод, принцип действия и работа в схеме Назначение диода в электрической цепи

Что не представляем своей жизни без них. Эти жужжащие ящики на наших столах собраны из множества различных «железок». Интересно отметить, что ни один из этих составных «кирпичиков» сам по себе не может похвастаться теми свойствами, которыми обладает компьютер.

А собранные вместе, они являют собой нечто совершенно уникальное!

Какой кирпич не возьми – это только кусок обожженной глины; не сразу и понятно, к какому делу его – самого по себе — можно приспособить.

Это как дом, построенный из кирпичей.

Но несколько тысяч собранных определенным образом таких кусков глины — это жилище, которое защищает от непогоды и предоставляет крышу над головой.

Разумеется, можно пользоваться компьютером (и жить в доме) и не представлять себе, как эти штуки устроены.

Но если вы хотите научиться «лечить» ваши компьютеры, то придется разбираться, как устроены их составные части.

Поэтому сегодня мы поговорим об одном из компьютерных «кирпичиков» чуть более подробно. Мы попытаемся кратко познакомиться с тем, что такое полупроводниковые диоды и зачем они нужны.

Что такое диод?

Диоды применяются в компьютерных для выпрямления переменного тока.

Выпрямительный диод – это деталь, имеющая в своем составе соединенные вместе полупроводники двух типов – p-типа (positive – положительный) и n–типа (negative – отрицательный).

При их соединении (сплавлении) образуется так называемый p-n переход. Этот переход обладает разным сопротивлением при различной полярности приложенного напряжения.

Если напряжение приложено в прямом направлении (положительная клемма источника напряжения подключена к p-полупроводнику — аноду, а отрицательная – к n-полупроводнику — катоду), то сопротивление диода невелико.

В этом случае говорят, что диод открыт. Если полярность подключения изменить на противоположную, то сопротивление диода будет очень большим. В таком случае говорят, что диод закрыт (заперт).

Когда диод открыт, то на нем падает какое-то напряжение.

Это падение напряжения создается протекающим через диод так называемым прямым током и зависит от величины этого тока.

Причем зависимость эта нелинейная .

Конкретное значение падения напряжения в зависимости от протекающего тока можно определить по вольт-амперной характеристике.

Эта характеристика обязательно приводится в полном техническом описании (data sheets, справочных листах).

Например, на распространенном диоде 1N5408, применяемом в компьютерном блоке питания, при изменении тока от 0,2 до 3 А падение напряжения изменяется от 0,6 до 0,9 В. Чем больше протекающий через диод ток, тем больше падение напряжения на нем и, соответственно, рассеиваемая на нем мощность (P = U * I). Чем большая мощность рассеивается на диоде, тем сильнее он греется.

В компьютерном при выпрямлении сетевого напряжения применяется обычно мостовая схема выпрямления – 4 диода, включенные определенным образом.

Если клемма 1 имеет положительный относительно клеммы 2 потенциал, то ток пойдет через диод VD1, нагрузку и диод VD3.

Если клемма 1 имеет отрицательный клеммы 2 потенциал, то ток потечет через диод VD2, нагрузку и диод VD4. Таким образом, ток через нагрузку хоть и меняется по величине (при переменном напряжении), но протекает всегда в одном направлении – от клеммы 3 к клемме 4.

В этом и заключается эффект выпрямления. Если бы не было диодного моста – ток по нагрузке протекал бы в разных направлениях. С мостом же он протекает в одном. Такой ток называется пульсирующим.

В курсе высшей математики доказывается, что пульсирующее напряжение содержит в себе постоянную составляющую и сумму гармоник (частот, кратных основной частоте переменного напряжения 50 Герц). Постоянная составляющая выделяется фильтром (конденсатором большой емкости), который не пропускает гармоники.

Выпрямительные диоды присутствуют и в низковольтной части блока питания. Только схема включения состоит там не из 4-х диодов, а из двух.

Внимательный читатель может спросить: «А почему это используются разные схемы включения? Нельзя ли применить диодный мост и в низковольтной части?»

Можно, но это будет не лучшее решение. В случае диодного моста ток проходит через нагрузку и два последовательно включенных диода.

В случае использования диодов 1N5408 общее падение напряжения на них может составить величину 1,8 В. Это очень немного по сравнению с сетевым напряжением 220 В.

А вот если такая схема будет применена в низковольтной части, то это падение будет весьма заметным по сравнению с напряжениями +3,3, +5 и +12 В. Применение схемы из двух диодов уменьшает потери вдвое, так как последовательно с нагрузкой включен один диод, а не два.

К тому же, ток во вторичных цепях блока питания гораздо больше (в разы), чем в первичной.

Следует отметить, для этой схемы трансформатор должен иметь две одинаковые обмотки, а не одну. Схема выпрямления из двух диодов использует оба полупериода переменного напряжения, также как и мостовая.

Если потенциал верхнего конца вторичной обмотки трансформатора (см схему) положителен по отношению к нижнему, то ток протекает через клемму 1, диод VD1, клемму 3, нагрузку, клемму 4 и среднюю точку обмотки. Диод VD2 в это время заперт.

Если потенциал нижнего конца вторичной обмотки положителен по отношению к верхнему, то ток протекает через клемму 2, диод VD2, клемму 3, нагрузку, клемму 4 и среднюю точку обмотки. Диод VD1 в это время заперт. Получается тот же пульсирующий ток, что и при мостовой схеме.

Теперь давайте покончим со скучной теорией и перейдем к самому интересному – к практике.

Для начала скажем, что перед началом проверки диодов, хорошо бы ознакомиться с тем, как работать с цифровым тестером.

Об этом рассказывается в соответствующих статьях , и .

Диод на электрических схемах изображается символически в виде треугольника (стрелочки) и палочки.

Палочка – это катод, стрелочка (она указывает направление тока, т.е. движения положительных зарядов) – анод.

Проверить диодный мост можно цифровым тестером, установив переключатель работы в положении проверки диодов (указатель переключателя диапазонов тестера должен стоять напротив символического изображения диода).

Если присоединить красный щуп тестера к аноду, а черный — к катоду отдельного диода, то диод будет открыт напряжением с тестера.

Дисплей покажет величину 0,5 – 0,6 В.

Если изменить полярность щупов, диод будет заперт.

Дисплей при этом покажет единицу в крайнем левом разряде.

Диодный мост часто имеет символическое обозначение вида напряжения на корпусе (~ переменное напряжение, +, — постоянное напряжение).

Диодный мост можно проверить, установив один щуп на одну из клемм «~», а второй – поочередно на выводы «+» и «-».

При этом один диод будет открыт, а другой закрыт.

Если поменять полярность щупов – то тот диод, который был закрыт, теперь откроется, а другой закроется.

Следует обратить внимание на то, что катод – это плюсовой вывод моста.

Если какой-то из диодов закорочен, тестер покажет нулевое (или очень небольшое напряжение).

Такой мост, естественно, непригоден для работы.

В закоротке диода можно убедиться, если тестировать диоды в режиме измерения сопротивления.

При закороченном диоде тестер покажет небольшое сопротивление в обоих направлениях.

Как уже говорилось, во вторичных цепях используется схема выпрямления из двух диодов.

Но даже на одном диоде падает достаточно большое напряжение по сравнению с выходными напряжениями +12 В, +5 В, +3,3 В.

Токи потребления могут достигать 20 А и более, и на диодах будет рассеиваться большая мощность.

Вследствие этого они будут сильно греться.

Мощность рассеяния уменьшится, если будет меньшим прямое напряжение на диоде.

Поэтому в таких случаях применяют так называемые диоды Шоттки, у которых прямое падение напряжения меньше .

Диоды Шоттки

Диод Шоттки состоит не из двух различных полупроводников, а из металла и полупроводника.

Получающийся при этом так называемый потенциальный барьер будет меньше.

В компьютерных блоках питания применяют сдвоенные диоды Шоттки в трехвыводном корпусе.

Типичным представителем такой сборки является SBL2040. Падение напряжения на каждом из ее диодов при максимальном токе не превысит (по даташиту) 0,55 В. Если проверить ее тестером (в режиме проверки диодов), то он покажет величину около 0,17 В.

Меньшая величина напряжения обусловлена тем, что через диод протекает очень небольшой ток, далекий от максимального.

В заключение скажем, что у диода есть такой параметр, как предельно допустимое обратное напряжение. Если диод заперт – к нему приложено обратное напряжение. При замене диодов надо учитывать эту величину.

Если в реальной схеме обратное напряжение превысит предельно допустимое – диод выйдет из строя!

Диод – важная «железка» в электронике. Чем бы еще мы выпрямляли напряжение?

Купить диоды для экспериментов можно

До встречи на блоге!

– электронный прибор с двумя (иногда тремя) электродами, обладающий односторонней проводимостью. Электрод, подключенный к положительному полюсу прибора, называют анодом, к отрицательному – катодом. Если к прибору приложено прямое напряжение, то он находится в открытом состоянии, при котором сопротивление мало, а ток протекает беспрепятственно. Если прикладывается обратное напряжение, прибор, благодаря высокому сопротивлению, является закрытым. Обратный ток присутствует, но он настолько мал, что условно принимается равным нулю.

Общая классификация

Диоды делятся на большие группы – неполупроводниковые и полупроводниковые.

Неполупроводниковые

Одной из наиболее давних разновидностей являются ламповые (электровакуумные) диоды . Они представляют собой радиолампы с двумя электродами, один из которых нагревается нитью накала. В открытом состоянии с поверхности нагреваемого катода заряды движутся к аноду. При противоположном направлении поля прибор переходит в закрытую позицию и ток практически не пропускает.

Еще одни вид неполупроводниковых приборов – газонаполненные , из которых сегодня используются только модели с дуговым разрядом. Газотроны (приборы с термокатодами) наполняются инертными газами, ртутными парами или парами других металлов. Специальные оксидные аноды, используемые в газонаполненных диодах, способны выдерживать высокие нагрузки по току.

Полупроводниковые

В основе полупроводниковых приборов лежит принцип p-n перехода. Существует два типа полупроводников – p-типа и n-типа. Для полупроводников p-типа характерен избыток положительных зарядов, n-типа – избыток отрицательных зарядов (электронов). Если полупроводники этих двух типов находятся рядом, то возле разделяющей их границы располагаются две узкие заряженные области, которые называются p-n переходом. Такой прибор с двумя типами полупроводников с разной примесной проводимостью (или полупроводника и металла) и p-n-переходом называется полупроводниковым диодом . Именно полупроводниковые диодные устройства наиболее востребованы в современных аппаратах различного назначения. Для разных областей применения разработано множество модификаций таких приборов.

Полупроводниковые диоды

Виды диодов по размеру перехода

По размерам и характеру p-n перехода различают три вида приборов – плоскостные, точечные и микросплавные.

Плоскостные детали представляют одну полупроводниковую пластину, в которой имеются две области с различной примесной проводимостью. Наиболее популярны изделия из германия и кремния. Преимущества таких моделей – возможность эксплуатации при значительных прямых токах, в условиях высокой влажности. Из-за высокой барьерной емкости они могут работать только с низкими частотами. Их главные области применения – выпрямители переменного тока, устанавливаемые в блоках питания. Эти модели называются выпрямительными .

Точечные диоды имеют крайне малую площадь p-n перехода и приспособлены для работы с малыми токами. Называются высокочастотными, поскольку используются в основном для преобразования модулированных колебаний значительной частоты.

Микросплавные модели получают путем сплавления монокристаллов полупроводников p-типа и n-типа. По принципу действия такие приборы – плоскостные, но по характеристикам они аналогичны точечным.

Материалы для изготовления диодов

При производстве диодов используются кремний, германий, арсенид галлия, фосфид индия, селен. Наиболее распространенными являются первые три материала.

Очищенный кремний – относительно недорогой и простой в обработке материал, имеющий наиболее широкое распространение. Кремниевые диоды являются прекрасными моделями общего назначения. Их напряжение смещения – 0,7 В. В германиевых диодах эта величина составляет 0,3 В. Германий – более редкий и дорогой материал. Поэтому германиевые приборы используются в тех случаях, когда кремниевые устройства не могут эффективно справиться с технической задачей, например в маломощных и прецизионных электроцепях.

Виды диодов по частотному диапазону

По рабочей частоте диоды делятся на:

• Низкочастотные – до 1 кГц.
• Высокочастотные и сверхвысокочастотные – до 600 мГц. На таких частотах в основном используются устройства точечного исполнения. Емкость перехода должна быть невысокой – не более 1-2 пФ. Эффективны в широком диапазоне частот, в том числе низкочастотном, поэтому являются универсальными.
• Импульсные диоды используются в цепях, в которых принципиальным фактором является высокое быстродействие. По технологии изготовления такие модели разделяют на точечные, сплавные, сварные, диффузные.

Области применения диодов

Современные производители предлагают широкий ассортимент диодов, адаптированных для конкретных областей применения.

Выпрямительные диоды

Эти устройства служат для выпрямления синусоиды переменного тока. Их принцип действия основывается на свойстве устройства переходить в закрытое состояние при обратном смещении. В результате работы диодного прибора происходит срезание отрицательных полуволн синусоиды тока. По мощности рассеивания, которая зависит от наибольшего разрешенного прямого тока, выпрямительные диоды делят на три типа – маломощные, средней мощности, мощные.

• Слаботочные диоды могут использоваться в цепях, в которых величина тока не превышает 0,3 А. Изделия отличаются малой массой и компактными габаритами, поскольку их корпус изготавливается из полимерных материалов.
• Диоды средней мощности могут работать в диапазоне токов 0,3-10,0 А. В большинстве случаев они имеют металлический корпус и жесткие выводы. Производят их в основном из очищенного кремния. Со стороны катода изготавливается резьба для фиксации на теплоотводящем радиаторе.
• Мощные (силовые) диоды работают в цепях с током более 10 А. Их корпусы изготавливают из металлокерамики и металлостекла. Конструктивное исполнение – штыревое или таблеточное. Производители предлагают модели, рассчитанные на токи до 100 000 А и напряжение до 6 кВ. Изготавливаются в основном из кремния.

Диодные детекторы

Такие устройства получают комбинацией в схеме диодов с конденсаторами. Они предназначены для выделения низких частот из модулированных сигналов. Присутствуют в большинстве аппаратов бытового применения – радиоприемниках и телевизорах. В качестве детекторов излучения используются фотодиоды, преобразующие свет, попадающий на светочувствительную область, в электрический сигнал.

Ограничительные устройства

Защиту от перегруза обеспечивает цепочка из нескольких диодов, которые подключают к питающим шинам в обратном направлении. При соблюдении стандартного рабочего режима все диоды закрыты. Однако при выходе напряжения сверх допустимого назначения срабатывает один из защитных элементов.

Диодные переключатели

Переключатели, представляющие собой комбинацию диодов, которые применяются для мгновенного изменения высокочастотных сигналов. Такая система управляется постоянным электрическим током. Высокочастотный и управляющие сигналы разделяют с помощью конденсаторов и индуктивностей.

Диодная искрозащита

Эффективную искрозащиту создают с помощью комбинирования шунт-диодного барьера, ограничивающего напряжение, с токоограничительными резисторами.

Параметрические диоды

Используются в параметрических усилителях, которые являются подвидом резонансных регенеративных усилителей. Принцип работы основан на физическом эффекте, который заключается в том, что при поступлении на нелинейную емкость разночастотных сигналов часть мощности одного сигнала можно направить на рост мощности другого сигнала. Элементом, предназначенным для содержания нелинейной емкости, и является параметрический диод.

Смесительные диоды

Смесительные устройства используются для трансформации сверхвысокочастотных сигналов в сигналы промежуточной частоты. Трансформация сигналов осуществляется, благодаря нелинейности параметров смесительного диода. В качестве смесительных СВЧ-диодов используются приборы с барьером Шоттки, варикапы, обращенные диоды, диоды Мотта.

Умножительные диоды

Эти СВЧ устройства используются в умножителях частоты. Они могут работать в дециметровом, сантиметровом, миллиметровом диапазонах длин волн. Как правило, в качестве умножительных приборов используются кремниевые и арсенид-галлиевые устройства, часто – с эффектом Шоттки.

Настроечные диоды

Принцип работы настроечных диодов основан на зависимости барьерной емкости p-n перехода от величины обратного напряжения. В качестве настроечных используются приборы кремниевые и арсенид-галлиевые. Эти детали применяют в устройствах перестройки частоты в сверхчастотном диапазоне.

Генераторные диоды

Для генерации сигналов в сверхвысокочастотном диапазоне востребованы устройства двух основных типов – лавинно-пролетные и диоды Ганна. Некоторые генераторные диоды при условии включения в определенном режиме могут выполнять функции умножительных устройств.

Виды диодов по типу конструкции

Стабилитроны (диоды Зенера)

Эти устройства способны сохранять рабочие характеристики в режиме электрического пробоя. В низковольтных устройствах (напряжение до 5,7 В) используется туннельный пробой, в высоковольтных – лавинный. Стабилизацию невысоких напряжений обеспечивают стабисторы.

Стабисторы

Стабиистор, или нормистор, - это полупроводниковый диод, в котором для стабилизации напряжения используется прямая ветвь вольт-амперной характеристики (то есть в области прямого смещения напряжение на стабисторе слабо зависит от тока). Отличительной особенностью стабисторов по сравнению со стабилитронами является меньшее напряжение стабилизации (примерно 0,7-2 V).

Диоды Шоттки

Устройства, применяемые в качестве выпрямительных, умножительных, настроечных, работают на базе контакта металл-полупроводник. Конструктивно они представляют собой пластины из низкоомного кремния, на которые наносится высокоомная пленка с тем же типом проводимости. На пленку вакуумным способом напыляется металлический слой.

Варикапы

Варикапы выполняют функции емкости, величина которой меняется с изменением напряжения. Основная характеристика этого прибора – вольт-фарадная.

Туннельные диоды

Эти полупроводниковые диоды имеют падающий участок на вольтамперной характеристике, возникающий из-за туннельного эффекта. Модификация туннельного устройства – обращенный диод, в котором ветвь отрицательного сопротивления выражена мало или отсутствует. Обратная ветвь обращенного диода соответствует прямой ветви традиционного диодного устройства.

Тиристоры

В отличие от обычного диода, тиристор, кроме анода и катода, имеет третий управляющий электрод. Для этих моделей характерны два устойчивых состояния – открытое и закрытое. По устройству эти детали разделяют на динисторы, тринисторы, симисторы. При производстве этих изделий в основном используется кремний.

Симисторы

Симисторы (симметричные тиристоры) – это разновидность тиристора, используется для коммутации в цепях переменного тока. В отличие от тиристора, имеющего катод и анод, основные (силовые) выводы симистора называть катодом или анодом некорректно, так как в силу структуры симистора они являются тем и другим одновременно. Симистор остаётся открытым, пока протекающий через основные выводы ток превышает некоторую величину, называемую током удержания.

Динисторы

Динистором, или диодным тиристором, называется устройство, не содержащее управляющих электродов. Вместо этого они управляются напряжением, приложенным между основными электродами. Их основное применение – управление мощной нагрузкой при помощи слабых сигналов. Также динисторы используют при изготовлении переключающих устройств.

Диодные мосты

Это 4, 6 или 12 диодов, которые соединяются между собой. Число диодных элементов определяется типом схемы, которая бывает – однофазной, трехфазной, полно- или полумостовой. Мосты выполняют функцию выпрямления тока. Часто используются в автомобильных генераторах.

Фотодиоды

Предназначены для преобразования световой энергии в электрический сигнал. По принципу работы аналогичны солнечным батареям.

Светодиоды

Эти устройства при подключении к электрическому току излучают свет. Светодиоды, имеющие широкую цветовую гамму свечения и мощность, применяются в качестве индикаторов в различных приборах, излучателей света в оптронах, используются в мобильных телефонах для подсветки клавиатуры. Приборы высокой мощности востребованы в качестве современных источников света в фонарях.

Инфракрасные диоды

Это разновидность светодиодов, излучающая свет в инфракрасном диапазоне. Применяется в бескабельных линиях связи, КИП, аппаратах дистанционного управления, в камерах видеонаблюдения для обзора территории в ночное время суток. Инфракрасные излучающие устройства генерируют свет в диапазоне, который не доступен человеческому взгляду. Обнаружить его можно с помощью фотокамеры мобильного телефона.

Диоды Ганна

Эта разновидность сверхчастотных диодов изготавливается из полупроводникового материала со сложной структурой зоны проводимости. Обычно при производстве этих устройств используется арсенид галлия электронной проводимости. В этом приборе нет p-n перехода, то есть характеристики устройства являются собственными, а не возникающими на границе соединения двух разных полупроводников.

Магнитодиоды

В таких приборах ВАХ изменяется под действием магнитного поля. Устройства используются в бесконтактных кнопках, предназначенных для ввода информации, датчиках движения, приборах контроля и измерения неэлектрических величин.

Лазерные диоды

Эти устройства, имеющие сложную структуру кристалла и сложный принцип действия, дают редкую возможность генерировать лазерный луч в бытовых условиях. Благодаря высокой оптической мощности и широким функциональным возможностям, приборы эффективны в высокоточных измерительных приборах бытового, медицинского, научного применения.

Лавинные и лавинно-пролетные диоды

Принцип действия устройств заключается в лавинном размножении носителей заряда при обратном смещении p-n перехода и их преодолении пролетного пространства за определенный временной промежуток. В качестве исходных материалов используются арсенид галлия или кремний. Приборы в основном предназначаются для получения сверхвысокочастотных колебаний.

PIN-диоды

PIN-устройства между p- и n-областями имеют собственный нелегированный полупроводник (i-область). Широкая нелегированная область не позволяет использовать этот прибор в качестве выпрямителя. Однако зато PIN-диоды широко применяются в качестве смесительных, детекторных, параметрических, переключательных, ограничительных, настроечных, генераторных.

Триоды

Триоды – это электронные лампы. Он имеет три электрода: термоэлектронный катод (прямого или косвенного накала), анод и управляющую сетку. Сегодня триоды практически полностью вытеснены полупроводниковыми транзисторами. Исключение составляют области, где требуется преобразование сигналов с частотой порядка сотен МГц - ГГц высокой мощности при маленьком числе активных компонентов, а габариты и масса не имеют большого значения.

Маркировка диодов

Маркировка полупроводниковых диодных устройств включает цифры и буквы:

• Первая буква характеризует исходный материал. Например, К – кремний, Г – германий, А – арсенид галлия, И – фосфид индия.
• Вторая буква – класс или группа диода.
• Третий элемент, обычно цифровой, обозначает применение и электрические свойства модели.
• Четвертый элемент – буквенный (от А до Я), обозначающий вариант разработки.

Пример: КД202К – кремниевый выпрямительный диффузионный диод.

Была ли статья полезна?

(0)

Что вам не понравилось?

Часто нам приходится слышать, что тот или иной прибор работает на диодах. Что такое диод?

Диод - это электронный элемент, который хорошо пропускает ток в одном направлении и оказывает сильное сопротивление при попытке пропустить через него ток в противоположном направлении.

Как устроены современные диоды

В настоящее время используются диоды полупроводникового типа из германия или кремния. Такой диод представляет собой пластинку, разделенную на две части. В одной части искусственно создан недостаток электронов. Это область с проводимостью p-типа (от слова positive). Положительный вывод диода называется анодом.

В другой части имеется избыток электронов. Это область с проводимостью n-типа (от слова negaive). Отрицательный контакт диода называется катодом.

Граница между этими областями называется p-n переходом.

Как работает диод

Если к аноду диода подсоединить положительный полюс источника питания, а к катоду - отрицательный, то через такую цепь пойдет электрический ток. Если в состав цепи будет входить еще и лампочка, она загорится. Что сделает диод, если положительный и отрицательный контакты источника питания поменять местами? Он будет оказывать току сильное сопротивление. Ток станет таким слабым, что лампочка гореть не будет.

Для чего нужны диоды

Главная сфера применения диодов - преобразование переменного тока в постоянный. Диод - основной конструктивный элемент всех блоков питания, в том числе и того, который стоит сейчас на вашем компьютере.

Также диоды широко применяются в логических цепях, в которых необходимо обеспечить прохождение тока в нужном направлении. Такие цепи используются в устройствах аналогового типа.

Диод - это элемент, имеющий различную проводимость. Такое его свойство имеет применение в различных электротехнических и радиоэлектронных схемах. На его основе создаются устройства, имеющие применение в различных областях.

Типы диодов: электровакуумные и полупроводниковые . Последний тип в настоящее время применяется в подавляющем большинстве случаев. Никогда не будет лишним знать о том, как работает диод, для чего он нужен, как обозначается на схеме, какие существуют типы диодов, применение диодов разных видов.

Электровакуумные диоды

Приборы этого типа выполнены в виде электронных ламп. Лампа выглядит как стеклянный баллон, внутрь которого помещены два электрода. Один из них анод, другой катод. Они находятся в вакууме. Конструктивно анод выполнен в виде тонкостенного цилиндра. Внутри расположен катод. Он имеет обычно цилиндрическую форму. Изолированная нить накала проложена внутри катода. Все элементы имеют выводы, которые соединены со штырьками (ножками) лампы. Ножки лампы выведены наружу.

Принцип работы

При прохождении электрического тока по спирали она нагревается и разогревает катод, внутри которого находится. С поверхности разогретого катода электроны, покинувшие его, без дополнительного ускоряющего поля накапливаются в непосредственной близости от него. Часть из них затем обратно возвращается на катод.

При подаче на анод положительного напряжения электроны, испускаемые катодом, устремляются к нему, создавая анодный ток электронов.

Катод обладает пределом эмиссии электронов. При достижении этого предела анодный ток стабилизируется. Если на анод подать небольшое отрицательное напряжение по отношению к катоду, то электроны прекратят своё движение.

Материал катода, из которого он изготовлен, обладает высокой степенью эмиссии.

Вольт- амперная характеристика (ВАХ)

ВАХ диодов этого типа графически показывает зависимость тока анода от прямого напряжения, приложенного к выводам катода и анода. Она состоит из трёх участков:

• Медленное нелинейное нарастание тока;
• Рабочая часть характеристики;
• Область насыщения тока анода.

Нелинейный участок начинается после области отсечки анодного тока. Его нелинейность связана с небольшим положительным потенциалом катода, который покинули электроны при его разогреве нитью накала.

Активный участок определяет из себя почти вертикальную линию. Он характеризует зависимость анодного тока от возрастающего напряжения.

Участок насыщения представляет собой линию постоянного значения тока анода при увеличивающемся напряжении между электродами лампы. Электронную лампу на этом участке можно сравнить с проводником электрического тока. Эмиссия катода достигла своего наивысшего значения.

Полупроводниковые диоды

Свойство p - n перехода пропускать электрический ток одного направления нашло применение при создании приборов этого типа. Прямое включение - это подача на n -область перехода отрицательного потенциала, по отношению к p -области, потенциал которой положительный. При таком включении прибор находится в открытом состоянии. При изменении полярности приложенного напряжения он окажется в запертом состоянии, и ток сквозь него не проходит.

Классификацию диодов можно вести по их назначению, по особенностям изготовления, по типу материала, используемого при его изготовлении.

В основном для изготовления полупроводниковых приборов используются пластины кремния или германия, которые имеют электропроводность n -типа. В них присутствует избыток отрицательно заряженных электронов.

Применяя разные технологии изготовления, можно на выходе получить точечные или пластинчатые диоды.

При изготовлении точечных приборов к пластинке n -типа приваривают заострённый проводник (иглу). На его поверхность нанесена определённая примесь. Для германиевых пластин игла содержит индий, для кремниевых пластин игла покрыта алюминием. В обоих случаях создаётся область p - n перехода. Её форма напоминает полусферу (точку).

Для плоскостных приборов применяют метод диффузии или сплавления. Площадь переходов, получаемых таким методом, варьируется в широких пределах. От её величины зависит в дальнейшем назначение изделия. К областям p - n перехода припаивают проволочки, которые в виде выводов из корпуса готового изделия используют при монтаже различных электрических схем.

На схемах полупроводниковые диоды обозначаются в виде равностороннего треугольника, к верхнему углу которого присоединена вертикальная черта, параллельная его основанию. Вывод черты называется катодом, а вывод основания треугольника анодом.

Прямым называется такое включение, при котором положительный полюс источника питания соединён с анодом. При обратном включении «плюс» источника подключается к катоду.

Вольт- амперная характеристика

ВАХ определяет зависимость тока, протекающего через полупроводниковый элемент, от величины и полярности напряжения, которое приложено к его выводам.

В области прямых напряжений выделяют три области: небольшого прямого тока и прямого рабочего тока через диод. Переход из одной области в другую происходит при достижении прямым напряжением порога проводимости. Эта величина составляет порядка 0,3 вольт для германиевых диодов и 0,7 вольт для диодов на основе кремния.

При приложении к выводам диода обратного напряжения ток через него имеет очень незначительную величину и называется обратным током или током утечки. Такая зависимость наблюдается до определённого значения величины обратного напряжения. Оно называется напряжением пробоя. При его превышении обратный ток нарастает лавинообразно.

Предельные значения параметров

Для полупроводниковых диодов существуют величины их параметров, которые нельзя превышать. К ним относятся:

• Максимальный прямой ток;
• Максимальное обратное напряжение пробоя;
• Максимальная мощность рассеивания.

Полупроводниковый элемент может выдержать прямой ток через него ограниченной величины. При его превышении происходит перегревание p-n перехода и выход его из строя. Наибольший запас по этому параметру имеют плоскостные силовые приборы. Величина прямого тока через них может достигать десятков ампер.

Превышение максимального значения напряжения пробоя может превратить диод, имеющий однонаправленные свойства, в обычный проводник электрического тока. Пробой может иметь необратимый характер и варьируется в широких пределах, в зависимости от конкретного используемого прибора.

Мощность - это величина, напрямую зависящая от тока и напряжения, которое приложено при этом к выводам диода. Как и превышение максимального прямого тока, превышение предельной мощности рассеивания приводит к необратимым последствиям. Диод просто выгорает и перестаёт выполнять своё предназначение. Для предотвращения такой ситуации силовые приборы устанавливают приборы на радиаторы, которые отводят (рассеивают) избыток тепла в окружающую среду.

Виды полупроводниковых диодов

Свойство диода пропускать ток в прямом направлении и не пропускать его в обратном нашло применение в электротехнике и радиотехнике. Разработаны и специальные виды диодов для выполнения узкого круга задач.

Выпрямители и их свойства

Их применение основано на выпрямительных свойствах этих приборов. Их используют для получения постоянного напряжения путём выпрямления входного переменного сигнала.

Одиночный выпрямительный диод позволяет получить на его выходе пульсирующее напряжение положительной полярности. Используя их комбинацию, можно получить форму выходного напряжения, напоминающую волну. При использовании в схемах выпрямителей дополнительных элементов, таких как электролитические конденсаторы большой емкости и катушки индуктивности с электромагнитными сердечниками (дроссели), на выходе устройства можно получить постоянное напряжение, напоминающее напряжение гальванической батареи, столь необходимое для работы большинства аппаратуры потребителя.

Полупроводниковые стабилитроны

Эти диоды имеют ВАХ с обратной ветвью большой крутизны. То есть, приложив к выводам стабилитрона напряжение, полярность которого обратная, можно с помощью ограничительных резисторов ввести его в режим управляемого лавин пробоя. Напряжение в точке лавинного пробоя имеет постоянное значение при значительном изменении тока через стабилитрон, величину которого ограничивают в зависимости от применённого в схеме прибора. Так получают эффект стабилизации выходного напряжения на нужном уровне.

Технологическими операциями при изготовлении стабилитронов добиваются различных величин напряжения пробоя (напряжения стабилизации). Диапазон этих напряжений (3−15) вольт. Конкретное значение зависит от выбранного прибора из большого семейства стабилитронов.

Принцип работы детекторов

Для детектирования высокочастотных сигналов применяют диоды, изготовленные по точечной технологии. Задача детектора состоит в том, чтобы ограничить одну половину модулированного сигнала. Это позволяет в последующем с помощью высокочастотного фильтра оставить на выходе устройства только модулирующий сигнал. Он содержит звуковую информацию низкой частоты. Этот метод используется в радиоприёмных устройствах, принимающих сигнал, модулированный по амплитуде.

Особенности светодиодов

Эти диоды характеризуются тем, что при протекании через них тока прямого направления кристалл испускает поток фотонов, которые являются источником света. В зависимости от типа кристалла, применённого в светодиоде, спектр света может находиться как в видимом человеческим глазом диапазоне, так и в невидимом. Невидимый свет - это инфракрасное или ультрафиолетовое излучение.

При выборе этих элементов необходимо представлять цель, которую необходимо достигнуть. К основным характеристикам светодиодов относятся:

• Потребляемая мощность;
• Номинальное напряжение;
• Ток потребления.

Ток потребления светодиода, применяемого для индикации в устройствах широкого применения, не более 20 мА. При таком токе свечение светодиода является оптимальным. Начало свечения начинается при токе, превышающем 3 мА.

Номинальное напряжение определяется внутренним сопротивлением перехода, которое является величиной непостоянной. При увеличении тока через светодиод сопротивление постепенно уменьшается. Напряжение источника питания, используемое для питания светодиода, необходимо применять не меньше напряжения, указанного в паспорте на него.

Потребляемая мощность - это величина, зависящая от тока потребления и номинального напряжения. Она увеличивается при увеличении величин, её определяющих. Следует учесть, что мощные световые диоды могут иметь в своём составе 2 и даже 4 кристалла.

Перед другими осветительными приборами светодиоды имеют неоспоримые преимущества. Их можно перечислять долго. Основными из них являются:

• Высокая экономичность;
• Большая долговечность;
• Высокий уровень безопасности из-за низких питающих напряжений.

К недостатку их эксплуатации относится необходимость наличия дополнительного стабилизированного источника питания постоянного тока, а это увеличивает стоимость .

Официальное определение диода гласит, что это элемент, который имеет различную проводимость, в зависимости от того, в каком направлении течёт электрический ток. Его использование необходимо в цепях, нуждающихся в ограничении пути его следования. Данная статья более подробно расскажет об устройстве диода, а также о том, какие существуют виды и как их различать.

История появления

Работы, связанные с диодами, начали вести параллельно сразу два учёных — британец Фредерик Гутри и немец Открытия первого были основаны на ламповых диодах, второго — на твердотельных. Однако развитие науки того времени не позволило совершить большой рывок в этом направлении, но дали новую пищу для ума.

Затем через несколько лет открытие диодов заново произвёл Томас Эдисон и в дальнейшем запатентовал изобретение. Однако по каким-то причинам, в своих работах применения ему на нашлось. Поэтому развитие диодной технологии продолжали другие учёные в разные годы.

Кстати, до начала 20 века диоды назывались выпрямителями. Затем учёный Вильям Генри Иклс применил два корня слов - di и odos. Первое с греческого переводится как "два", второе — "путь". Таким образом, слово "диод" означает «два пути».

Принцип работы и основные сведения о диодах

Диод имеет два электрода — анод и катод. Если анод обладает положительным потенциалом по отношению к катоду, то диод становится открытым. То есть, ток проходит и имеет малое сопротивление диода.

Если же на катоде находится положительный потенциал, то значит диод не раскрыт, обладает большим сопротивлением и не пропускает электрический ток.

Как устроен диод?

В основном, корпус элемента изготовлен из стекла, металла или керамических соединений. Под покрытием расположены два электрода. Самый простой диод содержит в себе нить малого диаметра.

Внутри катода может находится особая проволока. Она обладает свойством нагреваться под воздействием электрического тока и называется «подогреватель».

Вещества, используемые при изготовлении, чаще всего кремний или германий. Одна сторона элемента обладает нехваткой электронов, вторая — наоборот их переизбытком. Между ними существует граница, которая и обеспечивает p-n переход. Именно он позволяет проводить ток в нужном направлении.

Характеристики диодов

При выборе элемента в основном ориентируются на два показателя — предельное обратное напряжение и максимальная сила тока.

Использование диодов в быту

Один из ярких примеров использования диодов — автомобильный генератор. В нем размещён комплекс из нескольких таких элементов, который называется «диодный мост».

Также элементы активно применяются в телевизорах или радиоприёмниках. В соединении с конденсаторами диоды могут выделять частоты из разнообразных модулированных сигналов.

Очень часто комплекс из диодов используется в схемах для защиты потребителей от поражения электрическим током.

Также стоит сказать о том, что любой блок питания многих электронных устройств обязательно содержит диоды.

Виды диодов

В основном, элементы можно разделить на две группы. Первая — вид полупроводниковых диодов, вторая — не полупроводниковые.

Широкое распространение получила именно первая группа. Название происходит от материалов, из которых изготовлен диод: два полупроводника либо полупроводник с металлом.

Также имеется целый ряд специальных видов диодов, которые применяются в особых схемах и приборах.

Диод Зенера или стабилитрон

Данный вид характерен тем, что при возникновении пробоя происходит резкое увеличение тока с высокой точностью. Эту особенность применяют в стабилизации напряжения.

Туннельный

Если говорить простыми словами, то данный вид диодов образует отрицательное сопротивление на вольт-амперной характеристике. Применяется в основном в усилителях и генераторах.

Обращённый диод

Обладает свойством значительно понижать напряжение в открытом режиме. Это также основано на туннельном эффекте, подобному предыдущему диоду.

Варикап

Относится к виду диодов полупроводниковых, которые обладают повышенной ёмкостью, управляемой электрически в случае изменения обратного напряжения. Используется в настройке и калибровке колебательных контуров.

Светодиод

Особенность данного заключается в том, что он излучает свет при течении тока в прямом направлении. В современном мире применяется практически везде, где требуется освещение с экономичным источником света.

Фотодиод

Имеет обратные предыдущему экземпляру свойства. То есть, начинает вырабатывать электрический заряд при попадании на него света.

Маркировка

Для того чтобы определить вид, узнать характеристику полупроводникового диода, производители наносят специальные обозначения на корпус элемента. Она состоит из четырёх частей.

На первом месте - буква или цифра, означающая материал, из которого изготовлен диод. Может принимать следующие значения:

• Г (1) — германий;
• К (2) — кремний;
• А (3) — арсенид галлия;
• И (4) — индий.

На втором - типы диода. Они тоже могут иметь разное значение:

• Д — выпрямительные;
• В — варикап;
• А — сверхвысокочастотные;
• И — туннельные;
• С — стабилитроны;
• Ц — выпрямительные столбы и блоки.

На третьем месте располагается цифра, указывающая на область применения элемента.

Четвёртое место — числа от 01 до 99, означающее порядковый номер разработки.

Также на корпус могут быть нанесены и дополнительные обозначения. Но, как правило, они используются в специализированных приборах и схемах.

Для удобства восприятия диоды могут маркироваться также и разнообразными графическими символами, например, точками и полосками. Особой логики в таких рисунках нет. То есть, чтобы определить, что это за диод, придется заглянуть в специальную таблицу соответствия.

Триоды

Данный вид электронных элементов чем-то схож с диодом, однако выполняет другие функции и имеет свою конструкцию.

Основное различие между диодом и триодом в том, что последний имеет три вывода и в его отношении чаще используется название «транзистор». Принцип работы основан на управлении токами в выходных цепях с помощью небольшого сигнала.

(транзисторы) применяются практически в каждом электронном устройстве. В том числе и процессорах.

Плюсы и минусы

Перед заключением можно обобщить всю информацию о диодах и составить список их преимуществ и недостатков.

• Невысокая цена диодов.
• Отличный КПД.
• Высокий ресурс работы.
• Маленькие размеры, что позволяет удобно их размещать на схемах.
• Возможность использования диода в переменном токе.

Из минусов, пожалуй, можно выделить то, что не существует полупроводникового типа для высоких напряжений в несколько киловольт. Поэтому придется применять более старые ламповые аналоги. Также воздействие высоких температур неблагоприятно сказывается на работе и состоянии элемента.

Первые экземпляры выпускались с применением малой точности. Поэтому разброс получившихся характеристик диодов был очень большим, вследствие чего уже готовые приборы приходилось, что называется, «разбраковывать». То есть, некоторые диоды, казалось бы, одной серии могли получить совершенно разные свойства. После отсева, элементы маркировались в соответствии с фактическими характеристиками.

Диоды, изготовленные в стеклянном корпусе, имеют одну интересную особенность — чувствительность к свету. То есть если прибор, в составе которого имеется такой элемент, имеет открывающуюся крышку, то работать вся схема может по-разному в закрытом и открытом состоянии.

Заключение

В общем, чтобы полностью понять и разобраться, как правильно применять и где использовать диоды, нужны изучить больше литературы. Для определения типа элемента на глазок потребуется соответствующий опыт. Ну а новичкам в этом могут помочь таблицы и справочники по маркировкам.

Также необходимо иметь хотя бы базовые представления об электрическом токе, его свойствах. Конечно, это все проходилось в школе, но кто сейчас навскидку сможет вспомнить даже закон Ома?

Поэтому без базовых знаний нырять в мир электроники будет очень проблематично.