Назначение диода в электрической цепи

Особенности, назначение, устройство и принцип работы диода

Время на чтение:

Диод — это электронный элемент, который обладает различной проводимостью. Он изготовлен на полупроводниковой основе и предназначен для выполнения разнообразных действий с поступающими электрическими сигналами. Применяется это приспособление не только в промышленности, электронике, но и в повседневной жизни. Большинство современного оборудования имеет в своём составе несколько таких элементов.

Общие сведения

Прежде чем рассматривать, как работает диод, необходимо подробно изучить его устройство, разновидности и узнать, зачем он применяется. Это поможет лучше понять принцип действия и выбрать максимально эффективное приспособление для определённого оборудования.

Устройство диода

Диод (от англ. diode) выглядит просто и имеет конструкцию, состоящую из небольшого количества элементов. Это позволяет мастерам не приобретать дорогостоящие изделия, а изготавливать их своими руками. Самодельные приспособления хоть и стоят намного дешевле, но выполняют те же функции, что и покупные.

Так как диоды часто изображаются на электросхемах, то определение их параметров считается довольно важным мероприятием. Обозначением для этих элементов служит комбинация символов VD1, VD2 и так далее.

Схема диода предусматривает наличие следующих элементов:

1. Корпус. Он представляет собой стеклянный, керамический или металлический вакуумный баллон.
2. Два электрода (катод и анод). Они располагаются внутри баллона и используются для обеспечения эмиссии электронов. Чаще всего применяются электроды косвенного накала, которые имеют цилиндрическую форму, и обладают специальным слоем, испускающим электроны. В некоторых старых конструкциях можно встретить эти элементы в виде тонкой нити, накаливающейся в процессе работы приспособления.
3. Подогреватель. Он находится внутри катода и устроен в виде проволоки, которая накаливается из-за прохождения электрического тока.
4. Диодный кристалл. Для изготовления этого элемента применяется германий или кремний. Одна его часть проводит электричество и имеет недостаточное количество электронов, а вторая — избыток.
5. P-n переход — область между первой и второй частью диодного кристалла.

Принцип действия

Принцип работы диода довольно простой и разобраться в нём сможет не только профессионал, но и новичок. Для этого не нужно иметь специальное образование или навыки работы с таким приспособлением, а достаточно обладать общим представлением об устройстве.

Принцип действия диода:

1. Электрический ток проходит через устройство и воздействует на катод диода.
2. Из-за этого подогреватель постепенно накаляется, а электрод начинает испускать электроны.
3. Следствием этого становится образование электрического поля между двумя электродами, которое является катализатором процесса притяжения электронов к аноду, обладающему положительным зарядом. Благодаря этому образуется эмиссионный ток.
4. Пространственный отрицательный заряд, который появляется между двумя электродами, препятствует движению электронов к аноду. Из-за этого часть их меняет своё направление, и начинает двигаться к катоду.
5. Попавшие на анод электроны образуют анодный ток, параметры которого соответствуют катодному.
6. Если электрическое поле, возникшее между электродами, препятствует возвращению частиц на катод, то электродиод остаётся в запертом состоянии. Всё это приводит к размыканию цепи.

Разновидности приспособлений

Производители электронных элементов делают несколько типов диодов. Все они немного отличаются друг от друга, имеют различные свойства, а также используются для достижения определённых целей.

Диоды бывают:

1. Выпрямительные. Это наиболее распространённый тип приспособлений, который используется в устройствах, способствующих преобразованию переменного тока промышленной частоты в постоянный.
2. Высокочастотные. Большинство моделей современного оборудования функционируют при рабочей частоте в несколько гигагерц. В таких конструкциях применяются специальные диоды, рассчитанные на высокую частоту.
3. Переключающие. Эти приспособления используются в тех схемах, где диод должен работать в различных режимах. В одном из них он оказывается смещённым в прямом направлении, а в другом — в обратном.
4. Стабилитроны. Такие элементы применяются только в конструкциях, помогающих стабилизировать напряжение, поступающее к оборудованию.
5. Варикапы. Они используются в параметрических усилителях и прочих подобных устройствах. С их помощью происходит коррекция частотной модуляции и автоматическая подстройка частоты.
6. Диоды Шоттки. Назначение этого приспособления — малое падение напряжения при прямом включении. Область их применения ограничивается низковольтными электрическими цепями.
7. Тиристоры (управляемые диоды). Они часто применяются в схемах, которые предназначены для плавного пуска двигателя, регулировки мощности или включения лампочки.
8. Симисторы. Эта разновидность диодов используется для обеспечения работы систем, питающихся от переменного напряжения, так как способна пропускать электричество в обоих направлениях. Они представляют собой 2 тиристора, соединённые между собой.

Область применения

Диоды широко применяются по всему миру и входят в состав различных приспособлений. В большинстве случаев несколько таких элементов объединяются в общую конструкцию. Их количество выбирается исходя из типа и особенностей каждой схемы.

Использование диодов в электротехнике:

1. Диодные мосты. В их составе может находиться от 4 до 12 диодов, которые последовательно соединены друг с другом. Они применяются для однофазных и трёхфазных схем, где выполняют функцию выпрямителей. В большинстве случаев такие диодные мосты устанавливаются на генераторах автомобилей. Благодаря им не только увеличивается надёжность устройства, но и уменьшаются его размеры.
2. Диодные детекторы. Они представляют собой конструкцию, которая сочетает в себе не только несколько диодов, но и конденсаторы. Благодаря этому достигается способность выделять модуляцию с низкими частотами из соответствующих сигналов. Такие детекторы часто используются при изготовлении радиоприёмников и телевизоров.
3. Диодная искрозащита. Для её создания применяются специальные диодные барьеры, которые ограничивают напряжение в имеющейся электрической цепи. Вместе с ними используются специальные токоограничительные резисторы, необходимые для контроля за величиной параметров проходящего электрического тока.
4. Переключатели на основе диодов. Эти устройства дополняются конденсаторами и коммутируют высокочастотные сигналы. При этом контроль за работой осуществляется с помощью подачи управляющего сигнала, разделения высоких частот и применения постоянного тока.

Способы подключения

Существует несколько стандартных вариантов подключения диода в электрическую цепь. Все они используются в определённых схемах и позволяют достичь требуемого результата.

Прямой вариант

Этот способ включения диода в электрическую цепь называют наиболее простым и часто используемым. В его основе лежит подсоединение положительного полюса к области p-типа, а отрицательного — к n-типа.

Описание работы диода при прямом подключении:

1. На устройство подаётся электрический ток, под воздействием которого образуется электрическое поле в области между двумя электродами. Его направление будет противоположным по отношению к внутреннему диффузионному полю.
2. Затем происходит резкое сужение запирающего слоя, которое получается из-за значительного снижения напряжения электрического поля.
3. Следствием этого станет способность большинства электронов свободно перемещаться из одной области (n-типа) в другую (p-типа).
4. Во время этого процесса показатели дрейфового тока не изменятся, так как они зависят только от количества заряженных частиц, находящихся в области p-n перехода.
5. Электроны способны перемещаться из n-области в p-область, что приводит к дисбалансу их концентрации. В одной из областей будет недостаток частиц, а в другой — избыток.
6. Из-за этого часть электронов перемещается вглубь полупроводника, что становится причиной разрушения его электронейтральности.
7. В этом случае полупроводник стремится к восстановлению своей нейтральности и начинает получать заряд от подключённого источника питания. Всё это приводит к образованию тока во внешней электроцепи.

Обратный метод

Этот способ подключения диода к общей схеме используется гораздо реже. В его основе лежит изменение полярности внешнего источника питания, который участвует в процессе передачи напряжения.

Особенности функционирования диода при обратном включении:

1. После включения источника питания в области p-n перехода образуется электрическое поле. Его направление будет одинаковым с внутренним диффузионным полем.
2. Из-за этого будет происходить расширение запирающего слоя.
3. Находящееся в области p-n перехода поле будет ускорять движение электронов, но оставлять неизменными показатели дрейфующего тока.
4. Из-за всех этих действий будет постепенно нарастать обратное напряжение, которое поспособствует стремлению электрического тока к максимальным значениям.

Возможные неисправности

Во время работы устройств с диодами могут возникать различные поломки. Это происходит из-за старения элементов или их амортизации.

Специалисты по ремонту различают 4 вида неисправностей.

Среди них такие:

1. Электрический пробой. Это одна из наиболее распространённых поломок, которые встречаются у диодов. Она является обратимой, так как не приводит к разрушению диодного кристалла. Исправить её можно путём постепенного снижения подаваемого напряжения.
2. Тепловой пробой. Такая неисправность более губительна для диода. Она возникает из-за плохого теплоотвода или перегрева в области p-n перехода. Последний образуется только в том случае, если устройство питается от тока с чрезмерно высокими показателями. Без проведения ремонтных мероприятий проблема только усугубится. При этом произойдёт рост колебания атомов диодного кристалла, что приведёт к его деформации и разрушению.
3. Обрыв. При возникновении этой неисправности устройство прекращает пропуск электрического тока в обоих направлениях. Таким образом, он становится изолятором, блокирующим всю систему. Для устранения поломки нужно точно определить её местонахождение. Для этого следует применять специальные высокочувствительные тестеры, которые повысят шанс обнаружить обрыв.
4. Утечка. Под этой поломкой понимают нарушение целостности корпуса, вызванного физическим или иным воздействием на прибор.

Диод — важный элемент конструкции, который обеспечивает исправную и бесперебойную работу устройства. При правильном выборе этого элемента и обеспечении оптимальных условий работы можно избежать каких-либо неисправностей.

Устройство и принцип работы диода при прямом и обратном включении

Диоды – самые простые полупроводники с двумя электродами, проводящие ток в одном направлении.

Они способны стабилизировать, выпрямлять, модулировать, ограничивать, преобразовать ток, поэтому установлены почти во всех бытовых электроприборах.

Основные характеристики диода: постоянный прямой и обратный электроток, прямое и обратное напряжение, прямое и обратное сопротивление, их максимально допустимые значения.

При монтаже в любом устройстве учитываются максимально допустимые значения параметров.

Устройство

В корпус, изготовленный в виде вакуумного баллона из керамики, стекла или металла, устанавливается:

• кристалл;
• анод;
• катод;
• подогреватель.

Кристаллы производятся из кремния или германия. Анод (плюс) и катод (минус) цилиндрической формы, помещаются внутри баллона. Подогреватель – нить внутри катода, которая раскаляется при подаче электротока, нагревая его. После достижения определенного уровня температуры активный слой на катоде генерирует нужные для работы электроны.

Сферы применения и назначение

По выполняемой работе диоды разделяются на универсальные, СВЧ, импульсные, выпрямительные, переключающие, стабилитроны, варикапы.

Они устанавливаются в электрооборудование:

• преобразователи частоты, детекторы, логарифматоры;
• выпрямители тока;
• стабилизаторы;
• ограничители колебаний вольтажа;
• переключатели;
• цепи, проводящие ток в единственном направлении;
• лампочки индикации;
• приборы, требующие отображения информации на дисплеях;
• LED телевизоры.

Справка! Светодиоды монтируется в осветительные матрицы (ленты, лампы).

Работа диода и его вольт амперная характеристика

По конструкции диод является кристаллом с двумя областями, обладающими различной проводимостью (p и n). Область с p-проводимостью анод (+), с n-проводимостью – катод (-). В аноде заряд в дырках, в катоде – в электронах. Кристалл покрыт металлом с выводами.

Строение определяет 2 положения:

• открытое;
• закрытое.

В открытом положении проводимость электротока хорошая, в закрытом – очень плохая.

Вольт-амперной характеристикой называется график. На вертикальной оси отражается основной и противоположный ток, на горизонтальной – основной и противоположный вольтаж.

Прямой электроток повышается быстро параллельно увеличению вольтажа. Противоположный ток увеличивается медленнее.

При слишком большом прямом электротоке молекулы кристалла нагреваются. Если нет системы охлаждения, существует вероятность разрушения кристаллической решетки. В схемах прямой поток ограничивается резистором, подключенным последовательно.

Справка! От электротока прямое напряжение не зависит. Для кремневых полупроводников оно не превышает 1,5 В, для изделий из германия – 1 В.

Прямое включение диода

Диод открывается после подключения напряжения, параметры основного тока зависят от характеристик кристалла и вольтажа. Из n-области в p-область устремляются электроны, из p-области в n-область — дырки. Частицы встречаются на границе (p-n переходе), запускается процесс поглощения (рекомбинации), сопротивление и вольтаж снижаются.

Вокруг p-n образуется поле, которое направляется в противоположную сторону. Электроны перемещаются и возвращаются, появляется дрейфующий ток с неизменными параметрами, зависящими только от количества заряженных частиц. Одновременно растет обратное напряжение, переходя в стадию насыщения.

Основной ток увеличивается стремительнее при повышении температуры во время работы прибора.

Обратное включение диода

Если плюс блока питания присоединяется к минусу полупроводника, а минус – к плюсу, работа диода прекращается (он закрывается). Заряженные частицы начинают отдаляться от области p-n, она расширяется, повышается сопротивление

При увеличении обратного напряжения до 100 В растет электроток в противоположном направлении. Рост резко увеличивается, если вольтаж превышает максимально допустимый для границы p-n. Обратный ток нагревает кристалл в диоде, переход пробивается, нормальная работа прибора прекращается. После выключения напряжения рядом с полюсами образуется диффузия.

Внимание! Во время нормальной работы противоположный электроток небольшой, поэтому им пренебрегают, считая полупроводниковый диод элементом с односторонней проводимостью.

Прямое и обратное напряжение

Во время работы (в открытом состоянии) в диоде основное напряжение, от его величины зависит сопротивление и величина электротока. В процессе закрывания через полупроводник проходит ток в противоположном направлении, создается напряжение, способствующее росту сопротивления до нескольких тысяч кОм.

Если работа полупроводника проходит на переменном напряжении, он открывается на плюсовой полуволне и закрывается на минусовой. Это свойство позволяет использовать полупроводники в выпрямителях.

Основные неисправности диодов

Внимание! Если диодные полупроводники перестали работать, сначала необходимо выяснить, не закончился ли срок их эксплуатации.

Если это не так, неисправность вызвала другая причина:

• нарушение герметичности;
• разрыв перехода, превративший прибор в изолятор:
• тепловой пробой;
• электрический пробой:
• туннельный;
• лавинный.

При нарушении герметичности возникает протечка, мешающая нормальному функционированию.

Пробой p-n перехода

Пробоем называют увеличение электротока в противоположном направлении после достижении во время работы показателя обратного напряжения, являющегося максимально допустимым для прибора. Если он превышается, противоположный поток электротока резко увеличивается при незначительном изменении вольтажа. После обрыва перехода направление потока всего одно, полупроводник превращается в проводник.

Определить эту неисправность можно при помощи мультиметра, определяющего сопротивление и подающего сигнал при прохождении электротока.

Электрический пробой

Электрический туннельный или лавинный пробой можно устранить, если вовремя принять необходимые меры.

Причина электрического пробоя – сильный электроток в переходе или перегрев при отсутствии отвода тепла.

Туннельный пробой образуется, если во время работы на диод подается слишком высокое напряжение. Растет значение противоположного электротока, вольтаж снижается, электроны проходят через барьер, если его высота меньше их энергии.

Эту неисправность может вызвать:

• слишком маленькая толщина области p-n (меньше длины пробега электрона);
• обратный ток насыщения более 108 В/м;
• наличие свободных мест в области дырок, в которую переходят электроны.

Лавинный пробой – увеличение во время работы противоположного электротока при небольшом увеличении вольтажа. Причина образования – повышение ионизации в p-n области, вызывающее увеличение количества частиц, носящих заряд. Электроны теряют свои обычные характеристики.

Важно! Пробои туннельного и лавинного типа обратимы, так как не повреждают полупроводник (при своевременном уменьшении вольтажа свойства сохраняются).

Тепловой пробой

Эту неисправность чаще всего вызывает недостаточный отвод тепла, способствующего перегреву перехода во время работы.

• в кристалле растет амплитуда колебаний атомов;
• электроны взаимодействуют с проводимой областью;
• быстро повышается температура;
• запускается процесс изменения структуры кристалла.

Полупроводник разрушается, причем процесс необратимый.

Основные выводы

Полупроводниковые диоды – радиоэлементы с единственным p-n переходом, присутствующие практически во всех бытовых электроприборах. Чтобы работа полупроводников длилась дольше, необходимо обладать знаниями о принципе работы диодов, причинах неисправностей и способах их предотвращения.

Чаще всего работа полупроводников нарушается при изменениях температуры в окружающей среде или переходе. Если температура слишком высокая, увеличивается количество энергоносителей в переходе, снижается сопротивление, растет объем противоположного тока. После достижения максимально допустимого уровня запускается процесс разрушения кристалла.

Чтобы предотвратить сокращение сроков работы, необходимо следить за температурой среды и чистотой приборов. При необходимости следует организовать дополнительную систему отвода тепла. Повышение температуры в переходе предотвращается соблюдением требований к уровню вольтажа и тока, определенному для конкретного прибора. Даже при малейшем превышении существует вероятность разрушения кристалла.

Устройство и принцип работы диода

Диод — простейший полупроводниковый прибор, который можно встретить сегодня на печатной плате любого электронного устройства. В зависимости от внутренней структуры и технических характеристик, диоды классифицируются на нескольких видов: универсальные, выпрямительные, импульсные, стабилитроны, туннельные диоды и варикапы. Они применяются для выпрямления, ограничения напряжения, детектирования, модуляции и т. д. — в зависимости от назначения устройства, в котором применяются.

Основа диода — p-n-переход, сформированный полупроводниковыми материалами с двумя разными типами проводимости. К кристаллу диода присоединены два вывода, называемые катод (минусовой электрод) и анод (плюсовой электрод). На стороне анода находится область полупроводника p-типа, а на стороне катода — область n-типа. Данное устройство диода обеспечивает ему уникальное свойство — он проводит ток лишь в одном (прямом) направлении, от анода — к катоду. В обратном направлении обычный исправный диод ток не проводит.

В области анода (p-типа), основными носителями заряда являются положительно заряженные дырки, а в области катода (n-типа) — отрицательно заряженные электроны. Выводы диода представляют собой контактные металлические поверхности к которым и припаяны выводы.

Когда диод проводит ток в прямом направлении, это значит что он находится в открытом состоянии. Если ток через p-n-переход не идет, значит диод закрыт. Таким образом, диод может находиться в одном из двух устойчивых состояний: или открыт или закрыт.

Включив диод в цепь источника постоянного напряжения, анодом к плюсовой клемме, а катодом — к минусовой, получим смещение p-n-перехода в прямом направлении. И если напряжение источника окажется достаточным (для кремниевого диода хватит 0,7 вольт), то диод откроется и начнет проводить ток. Величина этого тока будет зависеть от величины приложенного напряжения и от внутреннего сопротивления диода.

Почему диод перешел в проводящее состояние? Потому что при правильном включении диода, электроны из n-области, под действием ЭДС источника, устремились к его положительному электроду, навстречу дыркам из p-области, которые теперь движутся в сторону отрицательного электрода источника, навстречу электронам.

На границе областей (на самом p-n-переходе) в это время происходит рекомбинация электронов и дырок, их взаимное поглощение. А источник вынужден непрерывно поставлять новые электроны и дырки в область p-n-перехода, увеличивая их концентрацию.

А что случится если диод включить наоборот, катодом к плюсовой клемме источника, а анодом — к минусовой?Дырки и электроны разбегутся в разные стороны — к выводам — от перехода, и в окрестности перехода возникнет зона обедненная носителями заряда — потенциальный барьер. Ток обусловленный основными носителями заряда (электронами и дырками) попросту не возникнет.

Но кристалл диода не идеален, в нем кроме основных носителей заряда присутствуют еще и неосновные носители заряда, которые и создадут очень незначительный обратный ток диода, измеряемый микроамперами. Но диод в данном состоянии закрыт, так как p-n-переход его смещен в обратном направлении.

Напряжение, при котором диод переходит из закрытого состояния в открытое, называется прямым напряжением диода (смотрите — Основные параметры диодов), которое по сути является падением напряжения на p-n-переходе. Сопротивление диода току в прямом направлении не постоянно, оно зависит от величины тока через диод и имеет размер порядка единиц Ом. Напряжение обратной полярности, при котором диод закрывается, называется обратным напряжением диода. Обратное сопротивление диода в этом состоянии измеряется тысячами Ом.

Очевидно, диод может переходить из открытого состояния в закрытое и обратно при смене полярности приложенного к нему напряжения. На данном свойстве диода основана работа выпрямителя. Так, в цепи синусоидального переменного тока диод будет проводить ток лишь во время положительной полуволны, а во время отрицательной — будет заперт.

Назначение диода в электрической цепи

Диод это – полупроводниковый прибор, который пропускает электрический ток только в одном направлении. Это очень краткое описание свойства диода и его работы и самое точное. Теперь давай разберемся подробнее, тем более, что с диода ты начинаешь свое знакомство с огромным семейством полупроводников. Что такое полупроводник? Из самого названия полупроводник, понятно, это проводящий на половину. В конкретном случае диод пропускает электрический ток только в одну сторону и не пропускает его в обратном направлении. Работает как система ниппель или золотник в камере автомобиля или велосипеда. Воздух, нагнетаемый насосом через золотник или ниппель поступает в камеру автомобиля и не выходит обратно за счет запирания его золотником. На рисунке изображен диод так как его обозначают на электрических схемах.

В соответствии с рисунком, треугольник (анод) показывает в какую сторону проходит электрический ток от плюса к минусу диод будет «открыт», соответственно со стороны вертикальной полосы (катода) диод будет «заперт».

Это свойство диода используется для преобразования переменного тока в постоянный для этого из диодов собирается диодный мост.

Диодный мост

Как работает диодный мост. На следующем рисунке изображена принципиальная схема диодного моста. Обрати внимание, что на вход диодного моста подается переменный ток, на выходе уже получаем постоянный ток. Теперь давай разберемся как происходит преобразование переменного тока в постоянный.

Если ты читал мою статью “Что такое переменный ток” ты должен помнить, что переменный ток меняет свое направление с определенной частотой. Проще говоря, на входных клеммах диодного моста, плюс с минусом будут меняться местами с частотой сети (в России эта частота составляет 50 Герц), значит (+) и (–) меняются местами 50 раз в секунду. Допустим в первом цикле на клемме “А” будет положительный потенциал (+) на клемме “Б”отрицательный (–) . Плюс от клеммы “А” может пройти только в одном направлении по красной стрелке, через диод “Д1” на выходную клемму со знаком (+) и далее через резистор (R1) через диод “Д3” на минус клеммы “Б”. В следующем цикле когда плюс и минус поменяются местами, все произойдет с точностью до наоборот. Плюс с клеммы “Б” через диод “Д2” пройдет на выходную клемму со знаком (+) и далее через резистор (R1) через диод “Д4” на минус клеммы “А”. Таким образом получаем на входе выпрямителя постоянный электрический ток который движется только в одном направлении от плюса к минусу (как в обычной батарейке). Этот способ преобразования переменного тока в постоянный используется во всех электронных устройствах которые питаются от электрической сети 220Вольт. Кроме диодных мостов собранных из отдельных диодов применяют электронные компоненты в которых для удобства монтажа выпрямительные диоды заключены в один компактный корпус. Такое устройство называют “диодная сборка”.

Диоды бывают не только выпрямительные. Есть диоды проводимость которых зависит от освещенности их называют “фотодиоды” обозначаются они так –

Выглядеть могут так —

Светодиоды, тебе хорошо известны, они встречаются и в елочной гирлянде и в мощных прожекторах и фарах автомобилей. Н схеме они обозначаются так –

Выглядят светодиоды так —

Как проверить диод

Проверить диод можно обычным мультиметром – как пользоваться мультиметром в этой статье , для проверки переключаем тестер в режим прозвонки . Подключаем щупы прибора к электродам диода, черный щуп к катоду

(на корпусах современных диодах катод обозначен кольцевой меткой), красный щуп подключаем к аноду (как ты уже знаешь диод пропускают напряжение только в одну сторону) сопротивление диода будет маленьким т.е. цифры на приборе будут иметь значение большое значение.

Переключаем щупы прибора наоборот —

сопротивление будет очень большим практически бесконечным. Если у тебя все получится так как я написал, диод исправен, если в обоих случаях сопротивление очень большое значит “диод в обрыве” неисправен и не пропускает напряжение вообще, если сопротивление очень маленькое значит диод пробит и пропускает напряжение в обоих направлениях.

Как проверить диодный мост

Если диодный мост собран из отдельных диодов, каждый диод проверяют отдельно, как было описано выше. Выпаивать каждый диод из схемы не обязательно, но лучше отключить плюсовой или минусовой вывод выпрямителя от схемы.

Если нужно проверить диодную сборку, где диоды находятся в одно корпусе и добраться до них невозможно, поступаем следующим образом,

Подключаем один щуп мультимерта к плюсу диодной сборки, а вторым поочередно касаемся к выводам сборки куда подается переменный ток. В одном направлении прибор должен показать малое сопротивление при смене щупов в обратном направлении очень большое сопротивление. После чего также проверяем выпрямитель относительно минусового выхода. Если при измерении показания в обоих направления будут малыми или большими диодная сборка неисправна. Этот способ проверки применяют, когда проводится ремонт электроники.

Высокочастотные диоды, импульсные, туннельные, варикапы все эти диоды широко применяются в бытовой и специальной аппаратуре. Для того, чтобы понять и разобраться, как правильно применять и где какие использовать диоды, необходимо совершенствовать свои знания изучать специальную литературу и конечно не стесняться задавать вопросы.

Electronov.net | Библиотека

Диод (англ. diode, от др.-греч. δις — два и ὁδός — путь) – устройство на основе полупроводника, обладающее различной проводимостью в зависимости от направления электрического поля.

Принцип работы:

Принцип работы основан на использовании явления p-n перехода, проводимость которого зависит от полярности приложенного напряжения. Подробнее об этом явлении можно прочитать здесь.

Функции (в зависимости от конструкции и назначения):

• Избирательное пропускание тока, в зависимости от его направления.
• Стабилизация напряжения.
• Прием световых сигналов.
• Излучение света.

Назначение:

• Преобразования переменного тока в однонаправленный пульсирующий (выпрямление тока).
• Выделение средневыпрямленного и среднеквадратичного значения тока (диодные детекторы).
• Защита устройств от неправильной полярности включения, защита входов схем от перегрузки, ключей от пробоя ЭДС самоиндукции, возникающей при выключении индуктивной нагрузки и т.п.
• Коммутация высокочастотных сигналов.
• Ограничение или стабилизация уровня напряжения.
• Детектирование наличия и уровня освещенности.
• Излучение света.

Классификация диодов:

По способу монтажа:

• для поверхностного монтажа (SMD/SMT);
• для навесного монтажа (TH);
• интегральные (тонкопленочные).

По назначению:

• Выпрямительные;
• Импульсные;

Имеют малую длительность переходных процессов, предназначены для применения в импульсных режимах работы.

• Детекторные;
• Смесительные;

Предназначены для преобразования высокочастотных сигналов в сигналы разностной частоты, определяемой частотой задающего генератора.

• Переключательные;

Применяются в устройствах управления уровнем сверхвысокочастотной мощности.

• Ограничительные;
• Защитные;

Защита аппаратуры от повышения сетевого напряжения.

Используются для генерации ВЧ и СВЧ колебаний.

• Приемные;
• Излучательные.

По конструкции:

• Диод Шоттки;
• СВЧ-диод;
• Стабилитрон (диод Зенера);
• Варикап;
• Светодиод;
• Фотодиод;
• Pin диод;
• Лавинный диод;
• Лавинно-пролетный диод;
• Диод Ганна;
• Туннельный диод;
• Обращенный диод.

По размеру p—n перехода:

• плоскостные;
• точечные.

По частотному диапазону:

• Низкочастотные;
• Высокочастотные;
• СВЧ.

ВАХ диода:

Для начала рассмотрим ВАХ идеального диода.

Рисунок 1 — ВАХ идеального диода.

Как видно из графика, диод проводит ток только при прямом напряжении на его выводах (т.е. плюс на аноде, минус на катоде). Ток I₀ – это ток насыщения, т.е. максимальный обратный ток, вызванный тепловым дрейфом носителей тока в области p-n перехода, он на несколько порядков меньше прямого тока.

Для любителей формул, можно отметить, что ВАХ идеального диода описывается следующим выражением:

I₀ – ток насыщения.

— тепловой потенциал (е – элементарный заряд электрона, k – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура).

Однако, в жизни, как известно, не все так просто и приходится постоянно напрягать свой мозг. ВАХ реального диода несколько отличается.

Рисунок 2 — ВАХ реального диода.

Первое отличие – разное напряжение открывания диода (U₀), в зависимости от используемого материала полупроводника. Для кремния (Si) оно составляет примерно 0.7 В; для германия (Ge) – 0.3 В.

Второе отличие – другой вид обратной ветви, наличие пробоя p-n перехода.

Обычно выделяют участки электрического (А-Б) и теплового (Б-В) пробоя. Электрический пробой по своей сути нарушает лишь электрическую изоляцию областей p-n перехода, поэтому он является обратимым. Тепловой пробой напротив, нарушает физическую целостность p-n перехода, по сути, он просто выгорает, очевидно, что тепловой пробой является необратимым и приводит в негодность элемент.

Если Вам интересны причины пробоя, то следующий абзац для Вас.

Электрический пробой:

Электрический пробой возникает из-за резкого возрастания обратного тока вследствие резкого уменьшения сопротивления запирающего слоя. Внимательный читатель тут же возразит: «как же так? Ведь увеличение обратного напряжения для p-n перехода вызывает увеличение геометрических размеров запирающего слоя, а, следовательно, и его сопротивления!». А объясняется это дело достаточно просто. Реальность всегда придумывает Нам какие-либо сложности, поэтому в полупроводниках присутствуют два явления – лавинное размножение заряда и туннельный эффект, по названиям, которых и разделяют электрический пробой на лавинный и туннельный. И если для понимания первого эффекта достаточно прочитать про его суть, то туннельный эффект является квантовым эффектом, и для его понимания просто необходимо напрячь свой мозг.

Лавинное размножение заряда происходит за счет явления ударной ионизации, суть которого состоит в том, что электроны, ускоряясь электрическим полем, приобретают энергию, достаточную для выбивания электронов из атомов кристаллической решетки полупроводника, которые в свою очередь, также ускоряются данным полем, и происходит так называемый «лавинный» процесс отрыва электронов от атомов электрическим полем. Результатом этих процессов является резкое увеличение проводимости, а, следовательно, уменьшение сопротивления запирающего слоя практически без изменения его геометрических размеров.

Туннельный эффект (в англоязычной литературе также известен как эффект Зенера) наиболее вероятен в p-n переходах малой толщины. Суть его в том, что электроны, имеющие полную энергию меньше, чем высота энергетического барьера, таки проникают через этот энергетический барьер, в нашем случае — барьер p-n перехода, без изменения энергии, при таких напряжениях, когда зона проводимости в n-области имеет равные энергетические уровни с валентной зоной р-области. Этот эффект является полностью квантовым и противоречит классической механике. В качестве упрощенного объяснения можно сказать следующее. Из решения уравнения Шредингера для задачи потенциального барьера, следует ненулевой коэффициент прозрачности барьера для частиц с энергией равной или менее высоты этого барьера. Ну а чтобы устранить возможные логические трудности, можно вспомнить о соотношении неопределенностей (соотношение Гейзенберга), которое говорит о том, что если мы уменьшаем неопределенность в координате частицы, то увеличиваем неопределенность в импульсе, и наоборот. Следовательно, Мы не можем сказать достоверно, что частица, прошедшая барьер, действительно имела в момент прохождения определенную энергию.

Также нужно отметить, что туннельный эффект носит вероятностный характер, поэтому наибольшая вероятность его возникновения в p-n переходах с большой концентрацией примесей.

Тепловой пробой:

Тепловой пробой возникает, когда выделяемое на p-n переходе количество теплоты, создаваемое обратным током, превышает отводимое. Сопротивление полупроводника уменьшается с ростом температуры, следовательно, из-за снижения сопротивления p-n перехода, через него еще более возрастает протекающий ток и происходит тепловое разрушение p-n перехода.

Паразитные свойства диода:

Влияние температуры:

Так как дрейфовые процессы в полупроводнике играют не последнюю роль, то и температура может существенно изменить ВАХ p-n перехода и соответственно параметры диода.

Рисунок 3 — Влияние температуры на ВАХ диода.

— нормальная температура окружающей среды ();

— температура эксплуатации диода.

Емкость:

Так как p-n переход является границей раздела областей с различными типами проводимости, т.е. разно полярными зарядами, то вполне очевидно, что он имеет определенную величину электрической емкости. При обратном напряжении на переходе, запирающий слой, имеющий высокое сопротивление, играет роль диэлектрика.

В общем случае емкость диода состоит из барьерной и диффузионной.

Диффузионная емкость вызвана наличием разно полярных зарядов внутри полупроводника. Проявляется эта емкость при протекании значительного прямого тока.

– протекающий прямой ток через диод;

— эффективное время жизни неосновных носителей заряда;

— тепловой потенциал.

Барьерная емкость возникает из-за наличия неосновных носителей заряда, т.е. из-за того, что ток в полупроводнике может возникать не только при движении электронов, но и при движении дырок.

— емкость p-n перехода при Т = 20 °С и U_обр. = 0 В;

— обратное напряжение на диоде;

— контактная разность потенциала p-n перехода (для Si – 0.9-1.2 В; для Ge – 0.6-0.7 В);

— коэффициент распределения примесей в полупроводнике (0.5 для ступенчатого распределения; 0.3 для линейного).

ДИОДЫ

Пример односторонней проводимости диода

На этом рисунке видно, что если диод включить Анодом к плюсу питания и Катодом к минусу питания, то диод находится в открытом состоянии и проводит ток, так как его сопротивление незначительно. Если диод включен Анодом к минусу, а Катодом к плюсу, то сопротивление диода будет очень большим, и тока в цепи практически не будет, вернее он будет, но настолько маленьким, что им можно пренебречь.

Иллюстрация прямой обратный ток диода

Подробнее можно узнать, посмотрев следующий график, Вольт-Амперную характеристику диода:

Вольт-амперная характеристика диода

В прямом включении, как мы видим из этого графика диод имеет небольшое сопротивление, и соответственно хорошо пропускает ток, а в обратном включении до определенной величины напряжения диод закрыт, имеет большое сопротивление и практически не проводит ток. В этом легко убедиться, если есть под рукой диод и мультиметр, нужно поставить прибор в положение звуковой прозвонки, либо установив переключатель мультиметра напротив значка диода, в крайнем случае, можно попробовать прозвонить диод, установив переключатель на положение 2 КОм измерения сопротивления. Изображается на принципиальных схемах диод так, как на рисунке ниже, запомнить, где какой вывод легко: ток у нас, как известно, всегда течет от плюса к минусу, так вот треугольник в изображении диода как бы показывает своей вершиной направление тока, то есть от плюса к минусу.

Соединив красный щуп мультиметра с Анодом, мы можем убедиться в том, что диод пропускает ток в прямом направлении, на экране прибора будут цифры равные

800-900 или близкие к этому. Подключив щупы наоборот, черный щуп к аноду, красный к катоду мы увидим на экране единицу, что подтверждает, в обратном включении диод не пропускает ток. Рассмотренные выше диоды бывают плоскостные и точечные. Плоскостные диоды рассчитаны на среднюю и большую мощность и используют их в основном в выпрямителях. Точечные диоды рассчитаны на незначительную мощность и применяются в детекторах радиоприемников, могут работать на высоких частотах.

Плоскостной и точечный диод

Какие бывают типы диодов ?

Схематическое изображение диодов

Фото выпрямительного диода

А) На фото изображен рассмотренный нами выше диод.

Стабилитрон изображение на схеме

Б) На этом рисунке изображён стабилитрон, (иностранное название диод Зенера), он используется при обратном включении диода. Основная цель: поддержание напряжения стабильным.

Двуханодный стабилитрон — изображение на схеме

В) Двухсторонний (или двуханодный) стабилитрон. Плюс этого стабилитрона в том, что его можно включать вне зависимости от полярности.

Г) Туннельный диод, может использоваться в качестве усилительного элемента.

Д) Обращенный диод, применяется в высокочастотных схемах для детектирования.

Е) Варикап, применяется как конденсатор переменной ёмкости.

Ж) Фотодиод, при освещении прибора в цепи, подключенной к нему, возникает ток из-за возникновения пар электронов и дырок.

З) Светодиоды, всем известные, и наверное наиболее широко применяемые приборы, после обычных выпрямительных диодов. Применяются во многих электронных устройствах для индикации и не только.

Выпрямительные диоды выпускаются также в виде диодных мостов, разберем, что это такое — это соединенные для получения постоянного (выпрямленного) тока четыре диода в одном корпусе. Подключены они по Мостовой схеме, стандартной для выпрямителей:

Схема диодного моста

Имеют четыре промаркированных вывода: два для подключения переменного тока, и плюс с минусом. На фото изображен диодный мост КЦ405:

А теперь давайте рассмотрим подробнее область применения светодиодов. Светодиоды (вернее светодиодная лампа) выпускаются промышленностью и для освещения помещений, как экономичный и долговечный источник света, с цоколем позволяющим вкрутить их в обычный патрон для ламп накаливания.

Светодиодная лампа фото

Светодиоды существуют в разных корпусах, в том числе и SMD.

Выпускаются и так называемые RGB светодиоды, внутри них находятся три кристалла светодиодов с разным свечением Red-Green-Blue соответственно Красный — Зеленый – Голубой, эти светодиоды имеют четыре вывода и позволяют путем смешения цветов получить видимым любой цвет.

Подключение RGB ленты

Эти светодиоды в SMD исполнении часто выпускаются в виде лент с уже установленными резисторами и позволяют подключать их напрямую к источнику питания 12 вольт. Можно для создания световых эффектов использовать специальный контроллер:

Светодиоды при использовании не любят, когда на них подается напряжение питания выше того, на которое они рассчитаны и могут перегореть сразу или спустя какое-то время, поэтому напряжение источника питания должно быть рассчитано по формулам. Для советских светодиодов типа АЛ-307 напряжение питания должно подаваться примерно 2 вольта, на импортные 2-2,5 вольта, естественно с ограничением тока. Для питания светодиодных лент, если не используется специальный контроллер, необходимо стабилизированное питание. Материал подготовил — AKV.

Назначение диода в электрической цепи

Это электронный компонент, который пропускает электрический ток только в одну сторону – от анода к катоду. Диод также называют выпрямителем, так как он преобразует переменный ток в пульсирующий постоянный.

Из чего состоит диод

Полупроводниковый диод состоит из пластинки полупроводникового материала (кремний или германий) одна сторона пластинки – с электропроводностью р-типа, т.е. принимает электроны. Другая сторона отдает электроны и соответственно называется отдающей электроны, у нее проводимость n-типа. На внешние поверхности пластины нанесены контактные металлические слои, к которым припаяны проволочные выводы электродов диода.

Где используются диоды

1. Диодные мосты. В их составе может находиться от 4 до 12 диодов, которые последовательно соединены друг с другом. Они применяются для однофазных и трёхфазных схем, где выполняют функцию выпрямителей. В большинстве случаев такие диодные мосты устанавливаются на генераторах автомобилей. Благодаря им не только увеличивается надёжность устройства, но и уменьшаются его размеры.
2. Диодные детекторы. Они представляют собой конструкцию, которая сочетает в себе не только несколько диодов, но и конденсаторы. Благодаря этому достигается способность выделять модуляцию с низкими частотами из соответствующих сигналов. Такие детекторы часто используются при изготовлении радиоприёмников и телевизоров.
3. Диодная искрозащита. Для её создания применяются специальные диодные барьеры, которые ограничивают напряжение в имеющейся электрической цепи. Вместе с ними используются специальные токоограничительные резисторы, необходимые для контроля за величиной параметров проходящего электрического тока.
4. Переключатели на основе диодов. Эти устройства дополняются конденсаторами и коммутируют высокочастотные сигналы. При этом контроль за работой осуществляется с помощью подачи управляющего сигнала, разделения высоких частот и применения постоянного тока.

Схематическое обозначение диода

Чтобы лучше запомнить расположение Анода и Катода на схеме, представим себе следующую картину:

Принцип работы

Лучшим примером полярного устройства может послужить диод, который является односторонним “клапаном” для электрического тока. Принцип его действия аналогичен обратному клапану, используемому в водопроводе и гидравлических системах. В идеале, диод обеспечивает беспрепятственный поток для тока в одном направлении (практически не оказывая ему сопротивления), и препятствует этому потоку в обратном направлении (оказывая ему бесконечное сопротивление).

Если мы поместим диод в схему с батареей и лампочкой, то выполняемая им работа будет следующей:

Когда диод стоит в правильном направлении, разрешающем поток, лампочка горит. В противном случае диод блокирует поток электронов аналогично обрыву цепи, и лампочка гореть не будет.

Если мы используем общепринятое обозначение потока в цепи, то стрелка символа диода указывает на направление потока зарядов от положительного контакта к отрицательному:

Схематично диод можно представить как две пластинки полупроводника, одна из которых обладает электропроводностью типа p, другая – типа n. На рисунке область типа p – это анод, а область типа n – является отрицательным электродом или катодом.

Слой между типами n (negative) и p (positive) называется p-n переходом. Диод может находиться в одном из двух состояний – открытом (когда он хорошо проводит ток) и закрытом (когда он плохо проводит ток).

На некоторых диодах катод обозначают полоской, которая отличается от цвета корпуса.

Разновидности, обозначения

Сейчас в основном применяются полупроводниковые диоды. Рассмотрим подробнее некоторые их разновидности:

• Выпрямительный диод – также известен как защитный, кремниевый. Используются для преобразования переменного тока в постоянный.

• Диод Зеннера (Стабилитрон). Используют стабилитрон для стабилизации напряжения.

• Туннельный диод (диод Лео Эсаки). Используются в генераторах, усилителях.

• Светодиод (диод Генри Раунда) – при пропускании через него прямого тока, дает оптическое излучение.

• Фотодиод. Под действием света в нем появляется значительный обратный ток, и он может генерировать небольшую электродвижущую силу.

• Диод Шоттки – диод с малым падением напряжения при прямом включении. Также известен как сигнальный, германиевый. Открывается быстро, сгорает после пробоя обратным током.

• Лавинный диод – его принцип работы основан на лавинном пробое, используется для защиты цепей от перенапряжений.

Единицы измерения и маркировка

Система обозначений активных компонентов Pro Electron, введена в 1966 году. Согласно системе, диод кодируется:
Первая буква — это материал полупроводника:

• A — Germanium (германий);
• B — Silicium (кремний);

Вторая буква – это подкласс приборов:

• A — сверхвысокочастотные диоды;
• B — варикапы;
• X — умножители напряжения;
• Y — выпрямительные диоды;
• Z — стабилитроны, например:

В результате получается:

• AA-серия — германиевые сверхвысокочастотные диоды;
• BA-серия — кремниевые сверхвысокочастотные диоды;
• BY-серия — кремниевые выпрямительные диоды;
• BZ-серия — кремниевые стабилитроны.

Система обозначений кодировки диодов

Цветовая маркировка диодов

Стабилитроны. Цветовая маркировка по системе JIS-C-7012 (Япония)			Диоды и стабилитроны. Цветовая маркировка по системе JEDEC (США)					Диоды. Цветовая маркировка по европейской системе PRO ELECTRON
Цвет полосы (точки)	1-й элемент	2-й элемент	1-й элемент	2-й элемент	3-й элемент	4-й элемент	5-й элемент	1-й элемент	2-й элемент	3-й элемент	4-й элемент
Золотой
Серебряный
Черный	0	0	0	0	0	—	AA	X	0
Коричневый	1	1	1	1	1	1	A	1	1
Красный	2	2	2	2	2	2	B	BA	S	2	2
Оранжевый	3	3	3	3	3	3	C	3	3
Желтый	4	4	4	4	4	4	D	T	4	4
Зеленый	5	5	5	5	5	5	E	V	5	5
Голубой	6	6	6	6	6	6	F	W	6	6
Фиолетовый	7	7	7	7	7	7	G	7	7
Серый	8	8	8	8	8	8	H	Y	8	8
Белый	9	9	9	9	9	9	I	Z	9	9
Пример обозначения
	10 В		1N66					BAT85
Двойной второй элемент указывает на запятую между цифрами
	7,5 В		1N237A
3,9 В		1N1420G

Вольт-амперная характеристика

После того, как напряжение в прямом направлении превысит небольшой порог VF диод открывается и начинает практически беспрепятственно пропускать ток, который создаётся оставшимся напряжением.

Если напряжение подаётся в обратном направлении, диод сдерживает ток вплоть до некоторого большого напряжения VDC после чего пробивается и работает также, как в прямом направлении.

Вольт амперная характеристика полупроводникового диода зависит от материала, из которого он изготовлен, прямого и дифференциального сопротивления, теплового потенциала и других параметров.