Inleiding tot diodes en gelijkrichters

Alles over diodes

Een diode is een elektrisch apparaat dat stroom toelaat om er met veel meer gemak doorheen te gaan in de ene richting dan in de andere. De meest voorkomende soort diode in modern circuitontwerp is de halfgeleider diode, hoewel er andere diodetechnologieën bestaan. Halfgeleiderdiodes worden gesymboliseerd in schematische diagrammen zoals de onderstaande afbeelding. De term "diode" is gewoonlijk gereserveerd voor kleine signaalapparaten, I ≤ 1 A. De term gelijkrichter wordt gebruikt voor stroomapparaten, I> 1 A.

Halfgeleiderdiode schematisch symbool:pijlen geven de richting van de stroom aan.

Indien geplaatst in een eenvoudig batterij-lampcircuit, zal de diode stroom door de lamp toelaten of voorkomen, afhankelijk van de polariteit van de aangelegde spanning. (figuur hieronder)

Diodewerking:(a) Stroom is toegestaan; de diode is voorwaarts voorgespannen. (b) Stroomtoevoer is verboden; de diode is omgekeerd voorgespannen.

Wanneer de polariteit van de batterij zodanig is dat er stroom door de diode kan stromen, wordt gezegd dat de diode voorwaarts gericht is . Omgekeerd, wanneer de batterij "achterwaarts" is en de diode stroom blokkeert, wordt gezegd dat de diode omgekeerd voorgespannen is . Een diode kan worden gezien als een schakelaar:"gesloten" wanneer voorwaarts voorgespannen en "open" wanneer omgekeerd voorgespannen.

De richting van de "pijlpunt" van het diodesymbool wijst in de richting van de stroom in conventionele stroom. Deze conventie geldt voor alle halfgeleiders met "pijlpunten" in hun schema. Het tegenovergestelde is waar wanneer elektronenstroom wordt gebruikt, waarbij de stroomrichting tegen de "pijlpunt" is.

Analogie van hydraulische terugslagklep

Het gedrag van de diode is analoog aan het gedrag van een hydraulisch apparaat dat een terugslagklep wordt genoemd . Een terugslagklep zorgt ervoor dat vloeistof er maar in één richting doorheen kan stromen, zoals in de onderstaande afbeelding.

Analoge hydraulische terugslagklep:(a) Toegestane stroomstroom. (b) Stroomtoevoer verboden.

Terugslagkleppen zijn in wezen drukgestuurde apparaten:ze openen en laten stroming toe als de druk erover de juiste "polariteit" heeft om de poort te openen (in de getoonde analogie, grotere vloeistofdruk aan de rechterkant dan aan de linkerkant). Als de druk de tegenovergestelde "polariteit" heeft, zal het drukverschil over de keerklep sluiten en de poort vasthouden zodat er geen stroming optreedt.

Net als terugslagkleppen zijn diodes in wezen "druk" bediende (spanningsgestuurde) apparaten. Het essentiële verschil tussen voorwaartse voorspanning en achterwaartse voorspanning is de polariteit van de spanning die over de diode valt. Laten we het eerder getoonde eenvoudige batterij-diode-lampcircuit eens nader bekijken, deze keer onderzoeken we de spanningsdalingen over de verschillende componenten in de onderstaande afbeelding.

Diode circuit spanningsmetingen:(a) Forward biased. (b) Omgekeerd bevooroordeeld.

Forward Bias Diode-configuratie

Een voorwaarts gerichte diode geleidt stroom en laat er een kleine spanning over vallen, waardoor het grootste deel van de batterijspanning over de lamp valt. Als de polariteit van de batterij wordt omgekeerd, wordt de diode omgekeerd en valt alles van de spanning van de batterij, zodat er niets overblijft voor de lamp. Als we de diode beschouwen als een zelfwerkende schakelaar (gesloten in de voorwaartse voorspanningsmodus en open in de achterwaartse voorspanningsmodus), is dit gedrag logisch. Het meest wezenlijke verschil is dat de diode veel meer spanning laat vallen tijdens het geleiden dan de gemiddelde mechanische schakelaar (0,7 volt versus tientallen millivolt).

Deze spanningsval in voorwaartse richting die door de diode wordt vertoond, is het gevolg van de werking van het uitputtingsgebied dat wordt gevormd door de P-N-overgang onder invloed van een aangelegde spanning. Als er geen spanning wordt aangelegd over een halfgeleiderdiode, bestaat er een dun uitputtingsgebied rond het gebied van de PN-overgang, waardoor stroom wordt voorkomen. (Figuur hieronder (a)) Het uitputtingsgebied is bijna verstoken van beschikbare ladingsdragers en fungeert als een isolator:

Diodeweergaven:PN-junctiemodel, schematisch symbool, fysiek onderdeel.

Het schematische symbool van de diode wordt weergegeven in de figuur hierboven (b) zodat de anode (wijzend uiteinde) overeenkomt met de P-type halfgeleider bij (a). De kathodestaaf, niet-wijzend uiteinde, bij (b) komt overeen met het N-type materiaal bij (a). Merk ook op dat de kathodestreep op het fysieke deel (c) overeenkomt met de kathode op het symbool.

Configuratie van omgekeerde biasdiode

Als een sperspanning wordt aangelegd over de P-N-overgang, zet dit uitputtingsgebied uit en weerstaat het elke stroom erdoorheen. (Figuur hieronder)

Uitputtingsgebied breidt uit met omgekeerde bias.

Voorwaartse spanning

Omgekeerd, als een voorwaartse voorspanning wordt aangelegd over de P-N-overgang, stort het uitputtingsgebied in en wordt het dunner. De diode wordt minder weerstand biedend aan de stroom erdoorheen. Om een ​​aanhoudende stroom door de diode te laten gaan; het uitputtingsgebied moet echter volledig worden samengevouwen door de aangelegde spanning. Hiervoor is een bepaalde minimale spanning nodig, de voorwaartse spanning zoals geïllustreerd in de onderstaande afbeelding.

Toenemende voorwaartse bias van (a) naar (b) vermindert de dikte van het uitputtingsgebied.

Voor siliciumdiodes is de typische voorwaartse spanning 0,7 volt, nominaal. Voor germaniumdiodes is de voorwaartse spanning slechts 0,3 volt. De chemische samenstelling van de PN-overgang die de diode omvat, is verantwoordelijk voor het nominale voorwaartse spanningsgetal, en daarom hebben silicium- en germaniumdiodes zulke verschillende voorwaartse spanningen. De voorwaartse spanningsval blijft ongeveer constant voor een breed scala aan diodestromen, wat betekent dat de diodespanningsval niet vergelijkbaar is met die van een weerstand of zelfs een normale (gesloten) schakelaar. Voor de meest vereenvoudigde circuitanalyse kan de spanningsval over een geleidende diode als constant worden beschouwd bij het nominale cijfer en niet gerelateerd aan de hoeveelheid stroom.

Diodevergelijking

Eigenlijk is de voorwaartse spanningsval complexer. Een vergelijking beschrijft de exacte stroom door een diode, gegeven de spanning die over de junctie valt, de temperatuur van de junctie en verschillende fysieke constanten. Het is algemeen bekend als de diodevergelijking :

De term kT/q beschrijft de spanning die wordt geproduceerd binnen de P-N-overgang als gevolg van de werking van temperatuur, en wordt de thermische spanning genoemd. , of Vt van de kruising. Bij kamertemperatuur is dit ongeveer 26 millivolt. Als we dit weten, en uitgaande van een "niet-idealiteitscoëfficiënt" van 1, kunnen we de diodevergelijking vereenvoudigen en als zodanig herschrijven:

U hoeft niet bekend te zijn met de "diodevergelijking" om eenvoudige diodeschakelingen te analyseren. Begrijp gewoon dat de spanning die over een stroomgeleidende diode valt, doet veranderen met de hoeveelheid stroom die er doorheen gaat, maar dat deze verandering vrij klein is over een breed bereik van stromen. Dit is de reden waarom veel leerboeken gewoon zeggen dat de spanningsval over een geleidende halfgeleiderdiode constant blijft op 0,7 volt voor silicium en 0,3 volt voor germanium.

Sommige circuits maken echter opzettelijk gebruik van de inherente exponentiële stroom / spanningsrelatie van de PN-overgang en kunnen dus alleen worden begrepen in de context van deze vergelijking. Aangezien temperatuur een factor is in de diodevergelijking, kan een voorwaarts voorgespannen PN-overgang ook worden gebruikt als een temperatuursensor, en kan dus alleen worden begrepen als men een conceptueel begrip heeft van deze wiskundige relatie.

Omgekeerde werking

Een reverse-biased diode voorkomt dat er stroom doorheen gaat, vanwege het uitgebreide uitputtingsgebied. In werkelijkheid kan een zeer kleine hoeveelheid stroom door een omgekeerde voorgespannen diode gaan, de lekstroom genoemd. , maar het kan voor de meeste doeleinden worden genegeerd.

Het vermogen van een diode om sperspanningen te weerstaan, is beperkt, zoals voor elke isolator. Als de toegepaste sperspanning te groot wordt, zal de diode een toestand ervaren die bekend staat als doorslag (figuur hieronder), wat meestal destructief is.

De maximale sperspanning van een diode staat bekend als de piek inverse spanning , of PIV , en zijn verkrijgbaar bij de fabrikant. Net als voorwaartse spanning varieert de PIV-classificatie van een diode met de temperatuur, behalve dat PIV toeneemt met verhoogde temperatuur en dalingen naarmate de diode koeler wordt - precies tegengesteld aan die van voorwaartse spanning.

Diodecurve:toont knie bij 0,7 V voorwaartse voorspanning voor Si en omgekeerde doorslag.

Doorgaans is de PIV-classificatie van een generieke "gelijkrichter" -diode ten minste 50 volt bij kamertemperatuur. Diodes met PIV-classificaties in de vele duizenden volts zijn beschikbaar voor bescheiden prijzen.

BEOORDELING:

• Een diode is een elektrisch onderdeel dat fungeert als eenrichtingsklep voor stroom.
• Als er spanning over een diode wordt aangelegd op een zodanige manier dat de diode stroom toestaat, wordt gezegd dat de diode forward-biased is .
• Als er spanning over een diode wordt aangelegd op een zodanige manier dat de diode stroom verhindert, wordt gezegd dat de diode omgekeerd voorgespannen is .
• De spanning die over een geleidende, voorwaarts gerichte diode valt, wordt de voorwaartse spanning genoemd. . Voorwaartse spanning voor een diode varieert slechts in geringe mate voor veranderingen in voorwaartse stroom en temperatuur, en wordt bepaald door de chemische samenstelling van de PN-overgang.
• Siliciumdiodes hebben een voorwaartse spanning van ongeveer 0,7 volt.
• Germaniumdiodes hebben een voorwaartse spanning van ongeveer 0,3 volt.
• De maximale sperspanning die een diode kan weerstaan ​​zonder "uit te vallen" wordt de piek inverse spanning genoemd. , of PIV beoordeling.

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Werkblad Diodes corrigeren
• Werkblad PN-knooppunten