Diodes en gelijkrichters: fundamentele principes, werking en sleutelparameters

Alles over diodes

Een diode is een halfgeleiderapparaat dat elektrische stroom in één richting met lage weerstand toelaat, terwijl het deze in de tegenovergestelde richting blokkeert. In de meeste moderne schakelontwerpen verwijst de term "diode" naar kleine-signaal apparaten tot 1 A nominal. Apparaten die hogere stromen hanteren (boven 1 A) worden typisch gelijkrichters genoemd.

Halfgeleiderdiodes worden in schematische diagrammen afgebeeld met een karakteristiek symbool: een driehoek die wijst naar een lijn. De driehoek vertegenwoordigt de anode (P-type zijde) en de lijn de kathode (N-type zijde). Zie de onderstaande illustratie als referentie.

Wanneer in een eenvoudige batterij-lamp schakeling geplaatst, laat de diode de stroom door de lamp toe of blokkeert deze, afhankelijk van de polariteit van de toegepaste spanning (geïllustreerd hieronder).

Het diagram toont twee scenario's: (a) voorwaarts-gebiaiseerd, waar stroom vloeit; (b) achterwaarts-gebiaiseerd, waar stroom geblokkeerd wordt. Een voorwaarts-gebiaiseerde diode gedraagt zich als een gesloten schakelaar, terwijl een achterwaarts-gebiaiseerde diode zich gedraagt als een open schakelaar.

Volgens conventie wijst de pijlpunt in het diodesymbool in de richting van de conventionele stroom. Wordt elektronenstroom overwogen, dan is de stroomrichting tegenovergesteld aan de pijl.

Hydraulische terugslagklep analogie

Diodegedrag kan vergeleken worden met een hydraulische terugslagklep, die vloeistofstroom in slechts één richting toestaat. De onderstaande figuur toont de klep in twee toestanden.

Terugslagklepen openen wanneer de vloeistofdruk op de benedenstroomse kant die op de bovenstroomse kant overstijgt, en sluiten anders. Op dezelfde manier laat een diode stroom toe wanneer de spanningpolariteit erover correct is, en blokkeert stroom wanneer de polariteit omgekeerd is.

In een batterij-diode-lamp schakeling verandert de spanningsval over elk component met biasing. Het volgende diagram illustreert de spanningsverdeling.

Voorwaartse-bias diode configuratie

Wanneer een diode voorwaarts-gebiaiseerd is, geleidt het en valt een kleine spanning—typisch ongeveer 0,7 V voor siliciumdiodes en 0,3 V voor germaniumdiodes—terwijl het merendeel van de bronspanning over de last verschijnt. In achterwaartse bias blokkeert de diode bijna alle stroom en valt essentieel de volledige voedingspanning.

De voorwaartse spanningsval ontstaat door de instorting van het depletiegebied aan het P-N knooppunt onder voldoende toegepaste spanning. Zonder toegepaste spanning bestaat een dun depletiegebied, wat geleiding voorkomt (zie figuur).

Het schematische symbool (hieronder getoond) komt overeen met het fysieke onderdeel: de anode correspondeert met de driehoekspunt (P-type) en de kathode met de lijn (N-type).

Achterwaartse-bias diode configuratie

Het toepassen van een omgekeerde spanning vergroot het depletiegebied, wat de weerstand verhoogt en effectief stroom blokkeert. De volgende afbeelding demonstreert het uitgebreide gebied onder achterwaartse bias.

Voorwaartse spanning

Naarmate de voorwaartse spanning toeneemt, verdunt het depletiegebied totdat het instortt, wat significante stroomtoe laat. Deze drempel wordt de voorwaartse spanning genoemd. Voor siliciumdiodes is de typische voorwaartse spanning 0,7 V; voor germanium 0,3 V. De waarde wordt grotendeels bepaald door de knooppuntsamenstelling en blijft relatief constant over een wijd bereik van voorwaartse stromen, wat schakelinganalyse vereenvoudigt.

Diodevergelijking

De exacte relatie tussen stroom en spanning in een diode wordt uitgedrukt door de Shockley-diodevergelijking:

Hier is kT/q de thermische spanning (≈26 mV bij kamertemperatuur). Met een non-idealiteitsfactor van 1, vereenvoudigt de vergelijking tot:

Hoewel de meeste introductieve analyses de voorwaartse spanning als constant behandelen, is het begrijpen van de exponentiële aard van de vergelijking essentieel voor schakelingen die deze relatie benutten—zoals temperatuursensoren of precisiegelichters.

Achterwaarts-gebiaiseerde werking

In achterwaartse bias blokkeert de diode stroom, hoewel een minieme lekkagestroom vloeit—verwaarloosbaar voor de meeste toepassingen. Als de omgekeerde spanning de gespecificeerde limiet van een diode overschrijdt, kan destructieve doorbraak optreden. De maximaal toelaatbare omgekeerde spanning heet Piekinverse Spanning (PIV), wat varieert met temperatuur: het neemt toe naarmate de temperatuur stijgt en daalt naarmate het apparaat afkoelt.

Typische gelijkrichterdiodes hebben een PIV van minstens 50 V bij kamertemperatuur, terwijl gespecialiseerde apparaten diverse kilovolts kunnen bereiken.

Samenvatting

• Een diode is een eenrichtingsklep voor elektrische stroom.
• Wanneer de toegepaste spanning stroom toelaat, is de diode voorwaarts-gebiaiseerd.
• Wanneer de toegepaste spanning stroom blokkeert, is de diode achterwaarts-gebiaiseerd.
• De spanningsval over een geleidende diode heet de voorwaartse spanning; deze varieert slechts licht met stroom en temperatuur.
• Siliciumdiodes vertonen een voorwaartse spanning van ~0,7 V.
• Germaniumdiodes vertonen een voorwaartse spanning van ~0,3 V.
• De maximale omgekeerde spanning die een diode kan tolereren zonder door te breken is de Piekinverse Spanning (PIV).

Gerelateerde werkbladen

• Gelijkrichterdiodes werkblad
• PN-knooppunten werkblad