Діоди, випрямлення струму, стабілітрони, тиристори

Пряме і зворотне включення
напівпровідникового діода.
Різновиди діодів.
Випрямлення струму.
Стабілітрони.
Стабілізація напруги.
Тиристори.

П олупроводнікамі є речовини, що займають проміжне положення між провідниками і ізоляторами, за своїми електропровідним властивостям.
У напівпровідниках, як і в металах струм вдає із себе впорядкований рух заряджених частинок.
Однак, разом з переміщенням негативних зарядів (електронів) в напівпровідниках має місце впорядковане переміщення позитивних зарядів, т. Н. - дірок.

Дірки виходять за участю іонів речовини напівпровідника - атомів з втекли електронами. У реальності, іонізовані атоми не покидають свого місця, в кристалічній решітці. Насправді, має місце поетапне зміна стану атомів речовини, коли електрони перескакують з одного атома, на інший. Виникає процес, зовні виглядає, як впорядкований рух якихось умовних позитивно заряджених частинок - дірок.

У звичайному, чистому напівпровіднику співвідношення дірок і вільних електродів 50%: 50%.
Але варто додати в напівпровідник невелику кількість речовини - домішки, як це співвідношення зазнає значних змін. Залежно від особливостей доданого речовини напівпровідник набуває або яскраво виражену електронну провідність (n-тип), або його основними носіями стають дірки (p-тип).

Напівпровідниковий перехід (p-n) формується на стику двох фрагментів напівпровідникового матеріалу, що мають різну провідність. Він представляє з себе вкрай тонку область, обедненную носіями обох типів. p-n перехід має незначний опір, коли напрямок струму - пряме, і дуже велике, коли напрямок струму - зворотне.

Звичайний напівпровідниковий діод складається з одного напівпровідникового переходу, забезпеченого двома висновками - анодом (позитивним електродом) і катодом - негативним електродом. Відповідно, діод має властивість односторонньої провідності - він добре проводить струм в прямому напрямі і погано в зворотному.

Що це означає на практиці?
Уявімо собі електричний ланцюг, що складається з батарейки і лампочки розжарювання, підключеної послідовно через напівпровідниковий діод. Лампочка буде горіти тільки в тому випадку, якщо анод (позитивний електрод) підключений до плюса джерела живлення (батарейки) а катод (негативний електрод) до мінуса - через накальную нитка лампочки.

Це і є прямим включенням напівпровідникового діода. Якщо поміняти полярність джерела живлення, включення діода виявиться зворотним - лампочка горіти не буде. Зверніть увагу як виглядає позначення напівпровідникового діода на схемі - трикутна стрілка, яка вказує пряме включення, збігається з загальноприйнятим в електротехніці напрямком струму - від плюса джерела живлення, до мінуса. Вертикальна риска примикає до неї символізує перешкоду для руху струму в зворотному напрямку.

Існує одна обов'язкова умова для нормальної роботи будь-якого напівпровідникового діода. Напруга джерела живлення повинна перевищувати певний поріг (величину потенціалу внутрішнього зміщення p-n переходу). Для випрямних діодів він як правило - менше 1 вольта, для германієвих високочастотних діодів близько 0,1 вольта, для світлодіодів може перевищувати 3 вольта. Це властивість напівпровідникових діодів можна використовувати при створенні низьковольтних стабілізованих джерел живлення.

Якщо діод підключити назад і поступово підвищувати напругу джерела живлення, в певний момент обов'язково настане зворотний електричний пробій p-n переходу. Діод почне пропускати струм і в зворотному напрямку, а перехід виявиться зіпсованим. Величина максимального допустимого зворотної напруги (Uобр.і.) широко різниться у різних типів напівпровідникових діодів і є дуже важливим параметром.

Другим, не менш важливим параметром можна назвати граничне значення прямого струму-Uпр. Цей параметр безпосередньо залежить від величини падіння напруги на переході напівпровідникового діода, матеріалу напівпровідника і теплообмінних характеристик корпусу.

Випрямлення змінного струму.

Замінимо джерело живлення постійного струму, на джерело змінного струму, близького напруги. Лампочка буде горіти, але більш тьмяно, з невеликим мерехтінням. Як відомо, змінний струм частотою 50 гц. плавно змінює свій напрямок 50 раз в секунду. Діод пропустить напівхвилі спрямовані в його прямому напрямку, і обріже спрямовані в зворотному.
На малюнку нижче, негативні напівхвилі для наочності, зображені синім кольором, а позитивні - червоним.

Таким чином на лампочці виявиться випрямлена напруга, пульсуюче з два рази, не так часто. Результіруещее напруга при цьому, виявиться трохи нижче номінальної. Для більш якісного випрямлення змінного струму застосовується так звана, бруківка схема, з чотирьох діодів в однофазної ланцюга.

В трифазного ланцюга змінного струму, позитивна гілка діодного міст виглядає ось - так:

Для надійної роботи при проектуванні джерел живлення вибираються напівпровідникові діоди з 50% запасом по параметрам Uобр.і. і Jпр. Це пов'язано з тим, що при роботі на граничних токах надійність випрямляча знижується, через нагрівання p-n переходів.

Стабілізація напруги і Стабілітрони.

Вихідна напруга звичайного, нестабілізованого джерела постійного електричного струму піддається коливанням, через змін напруги на його вході. Малюнок. При підключенні різних споживачів споживають різний струм напруга так само змінюється - зростає при меншому навантаженні, падає при більшій. Для нормальної роботи електронних пристроїв необхідно цю напругу стабілізувати, зробивши його величину незалежної від вищезазначених факторів. Стабілітрони це напівпровідникові діоди, які використовуються для стабілізації напруги в різних джерелах живлення. На відміну від звичайних діодів працюють при зворотному включенні, в режимі пробою. Це не завдає їм шкоди, якщо не перевищується межа розсіює потужності, величина якого є похідною, від падіння напруги на переході і струму через нього протікає.

Отже, найважливіші параметри стабілітрона - це напруга стабілізації і максимальний робочий струм. Робочий струм стабілітрона, обмежується за допомогою послідовно включеного резистора.

Тиристори.

Трьохелектродні тиристори (тріністори) - напівпровідникові прилади, що застосовуються для регулювання потужності в мережах змінного і постійного струмів. Тиристор легко переходить з закритого (непровідного) стану у відкрите, при подачі на керуючий електрод відкриває імпульсу. Після того, як тиристор відкритий, він залишається в такому стані, поки що протікає через нього струм не знизиться до певного порогового значення.

При роботі в ланцюгах змінного струму, подібне зниження відбувається з кожною зміною полярності, при зміні фази. У ланцюгах постійного струму, для відключення використовуються спеціальні схеми.

Різновиди діодів.

Крім здатності пропускати струм тільки в одному напрямку, p-n перехід має низку інших цікавих особливостей. Наприклад, здатність випромінювати (в т. Ч. І в видимому діапазоні) при протіканні струму в прямому напрямку і генерувати ел. ток під впливом випромінювання. Ця особливість використовується при реалізації таких електронних елементів як світлодіоди, фотодіоди і фотоелементи.
Крім того, будь-який p-n перехід має ще й електричної ємністю, а крім того, можливістю її змінювати за допомогою напруги прикладеного в зворотному напрямку. Використовуючи її вдалося створити такі корисні елементи як варикапа.

Отже, p-n перехід має електричну ємністю, величина якої залежить від його площі і ширини. Якщо подавати напругу у зворотному напрямку - перехід зміщується, площа залишається незмінною, але ширина збільшується. Ємність, при цьому відповідно - зменшується. З'являється можливість, змінюючи величину прикладеної напруги, цю ємність регулювати. Електронні елементи (діоди, по суті) створені на цьому принципі називають - варикапами.

Варикапи використовуються в радіоапаратурі замість звичайних конденсаторів змінної ємності для перебудови частоти коливальних контурів. Приемущество Застосування варикапов дозволило значно знизити габарити і підвищити ефективність блоків селекції радіоприймальних устойств, щодо просто і недорого реалізувати автоматизацію процесів настройки (проведених раніше вручну).

Діоди Шотткі.

Діод Шотткі (діод з бар'єром Шотткі) - напівпровідниковий діод з малим падінням напруги (0,2-0,4 вольт) при прямому включенні. Названий на честь німецького фізика Вальтера Шотткі. У діодах Шотткі на відміну від звичайних діодів, замість p-n переходу використовується перехід метал-напівпровідник. Це дає ряд особливих переваг - знижений падіння напруги при прямому включенні, дуже маленький заряд зворотного відновлення.

Останнє пояснюється тим, що на відміну від звичайних діодів діоди Шотткі працюють тільки на основних носіях, а їх швидкодія обмежується лише бар'єрної ємністю. Діоди Шотткі найбільш доцільно використовувати в швидкодіючих імпульсних ланцюгах, для випрямлення малих напруг високої частоти, в високочастотних змішувачах, в ключах і комутаторах.

Світлодіоди.

При протіканні прямого струму через будь-який p-n перехід (будь-якого діода!) Відбувається генерація фотонів. Це є наслідком циклічного рекомбінації - відновлення атомів речовини в процесі переміщення основних носіїв струму.
Електронні елементи службовці для генерації світла і заснований на цьому принципі називається відповідно - світлодіодами. Світлодіоди використовують для індикації, передачі інформації, в складі таких електронних приладів як оптопари.

К.К.Д. і яскравість сучасних світлодіодів настільки високі, що на даний момент вони є найбільш перспективними джерелами штучного освітлення. Залежно від матеріалу обраного в якості напівпровідника світлодіоди випромінюють на різних довжинах хвиль.
ІК - діоди випромінюють в інфрачервоній області, індикаторні й освітлювальні світлодіоди у видимій частині спектру (зелені, червоні, жовті і т. П.). Найбільш високим К.П.Д. відрізняються світлодіоди випромінює в ультрафіолетовій області. Цікаво, що якраз цей тип найбільш часто застосовується для освітлення. Білий світ виходить при використанні спеціального люмінофора, що перетворює ультрафіолет.

Інтенсивність випромінювання світлодіода зростає при збільшенні струму що протікає через p-n перехід, до певної межі. Після його досягнення сетодіод виходить з ладу. Тому, для нормальної роботи необхідно обмежувати струм.
Як правило, це реалізується за допомогою послідовного підключення резистора.

Стабістори.

Існуючі стабілітрони мають обмеження по мінімальній напрузі стабілізації (близько 3 В).
Що робити, якщо необхідне джерело стабілізованої напруги до 3-х вольт? Використовувати пряму гілку Вольт - амперні характеристики діода (ВАХ). В області прямого зміщення p-n-переходу напруга на ньому може мати значення 0,7. 2 В (в залежності від матеріалу напівпровідника) і мало залежить від струму.
Діоди спеціально використовувані в цій якості, називають - стабисторов.

Фотодіоди.

Фотодіод - це світлочутливий напівпровідниковий елемент з одним p-n переходом, зворотний струм якого змінюється в залежності від рівня освітленості. Величина на яку відбувається його зміна при цьому, називається фотострумом.

Фотодіоди використовують для перетворення сигналів передаються в оптичному режимі в електричну форму. Мала інерційність фотодіодів сприяє прийому передачі інформації, з великою щільністю, наприклад, в при передачі її по оптоволоконним лініям. Крім того фотодіоди можуть використовуватися в фотоприймачах дистанційного керування і т. Д.

Використання будь - яких матеріалів цієї сторінки, допускається при наявності посилання на сайт "Електрика це просто".