Dioda (z jiného řeckého δις [1] - dva a - z koncovky -od výrazu elektroda ; lit. "dvouelektroda"; kořen -od pochází z jiného řeckého ὁδός "cesta" [2] ) - dva- elektroda elektronika součástka , která má různou elektrickou vodivost v závislosti na polaritě napětí aplikovaného na diodu . Diody mají nelineární charakteristiku proud-napětí , ale na rozdíl od žárovek a termistorů je pro diody asymetrická.
Elektrody diody se nazývají anoda a katoda . U většiny diod (vakuové diody, usměrňovací polovodičové diody) je při použití propustného napětí (to znamená, že anoda má kladný potenciál vzhledem ke katodě) dioda otevřená ( diodou protéká propustný proud , dioda má nízký odpor ). Naopak, pokud je na diodu přivedeno zpětné napětí (katoda má kladný potenciál vzhledem k anodě), pak je dioda uzavřena (odpor diody je vysoký, zpětný proud je malý a lze ji považovat za v mnoha praktických případech rovna nule).
Vývoj diod započal ve třetí čtvrtině 19. století dvěma směry najednou: v roce 1873 britský vědec F. Guthrie zjistil, že záporně nabitá koule elektroskopu ztrácí náboj, když je silně zahřátá, ale pokud je nabitá kladně, tak se koule ztratí. pak se náboj neztratí. Tehdy si tento jev nedokázali vysvětlit. Tento jev je způsoben termionickou emisí a byl pak použit v elektrovakuových diodách s horkou katodou. Termionická emise byla znovu objevena 13. února 1880 Thomasem Edisonem ve svých experimentech na prodloužení životnosti žhavícího vlákna v žárovkách a poté, v roce 1883 , jím patentována ( U.S. Patent No. 307,031). Edison to však dále nestudoval.
Termionická emisní dioda byla poprvé patentována v Británii Johnem Ambrosem Flemingem (vědeckým poradcem společnosti Marconi a bývalým zaměstnancem Edisona) 16. listopadu 1904 (patent USA č. 803684, listopad 1905).
V roce 1874 objevil německý vědec Karl Ferdinand Braun usměrňovací vlastnosti krystalických diod a v roce 1899 Brown patentoval krystalický usměrňovač [4] . Jadish Chandra Bowesová dále rozvinula Brownův objev do zařízení použitelného pro příjem rádiových vln . Kolem roku 1900 vytvořil Greenleaf Pickard první rádiový přijímač s krystalovou diodou . 20. listopadu 1906 si Picard nechal patentovat detektor křemíkových krystalů (patent USA č. 836 531).
Na konci 19. století se zařízení tohoto druhu nazývalo usměrňovače a teprve v roce 1919 William Henry Eckles vymyslel termín „dioda“.
Diody jsou elektrovakuové ( kenotrony ), plněné plynem ( gastrony , ignitrony , korónové a doutnavé zenerovy diody ), polovodičové atd. V současné době se v naprosté většině používají diody polovodičové.
Diody | |||||||||||||||||||||||||||||
Polovodič | Nepolovodičové | ||||||||||||||||||||||||||||
plněné plynem | vakuum | ||||||||||||||||||||||||||||
Elektrovakuové diody jsou vakuový válec se dvěma elektrodami, z nichž jedna - katoda - je ohřívána proudem získaným ze speciálního elektrického vláknového obvodu. Když se katoda zahřeje, dojde k termionické emisi a některé elektrony opustí povrch katody. Pokud je kladné napětí vzhledem k katodě aplikováno na jinou elektrodu - anodu, pak se působením elektrického pole začnou elektrony pohybovat směrem k anodě a vytvářet proud. Pokud se na anodu přivede záporné napětí, elektrony se od anody odpuzují a neprotéká žádný proud.
Polovodičová dioda se skládá buď z polovodičů typu p a n (polovodiče s různými typy vnějšího vedení ) nebo z polovodiče a kovu ( Schottkyho dioda ). Kontakt mezi polovodiči se nazývá pn přechod a vede proud v jednom směru (má jednostrannou vodivost). Některé typy polovodičových diod nemají p - n přechod, jako jsou Gunnovy diody .
Některé typy polovodičových diodDielektrická dioda je struktura kov-dielektrikum-kov, která má charakteristiku proudového napětí podobnou elektrovakuové diodě s využitím rozdílu mezi pracovními funkcemi zdroje a kolektoru. [5]
Urev.max. | - | maximální povolené konstantní zpětné napětí diody; |
Uinv.and.max. | - | maximální povolené impulsní zpětné napětí diody; |
Ipr.max. | - | maximální průměrný dopředný proud za dané období; |
Ipr.i.max. | - | maximální pulzní dopředný proud za období; |
Iprg. | - | proud přetížení usměrňovací diody; |
fmax. | - | maximální povolená spínací frekvence diody; |
fwork | - | provozní frekvence diody; |
Up. na Ipr. | - | konstantní propustné napětí diody při proudu Ipr; |
Iarr. | - | konstantní zpětný proud diody; |
Tk.max. | - | maximální povolená teplota pouzdra diody. |
Tp.max. | - | maximální přípustná teplota přechodu diod. |
Rozdělení diod podle jejich účelu, fyzikálních vlastností, základních elektrických parametrů, konstrukčních a technologických vlastností, typu zdrojového materiálu ( polovodič ) je zobrazeno soustavou symbolů pro jejich typy. Systém symbolů se neustále zdokonaluje v souladu se vznikem nových klasifikačních skupin a typů diod. Typicky jsou notační systémy reprezentovány alfanumerickým kódem.
Na území SSSR systém symbolického označení opakovaně prošel změnami a až dosud na rádiových trzích najdete polovodičové diody vyráběné v továrnách SSSR a se systémem označení podle průmyslové normy GOST 11 336.919 -81, na základě řady klasifikačních znaků výrobků [3] .
Například: KD212B, GD508A, KTs405Zh.
Systém označení navíc umožňuje (v případě potřeby) vnést do označení doplňkové znaky pro zvýraznění jednotlivých významných designových a technologických vlastností výrobků.
GOST 2.730-73 nadále funguje - „Polovodičová zařízení. Grafické symboly" [6]
V zahraničí existuje řada obecných zásad pro standardizaci systému kódování diod. Nejběžnějšími standardy jsou EIA / JEDEC a evropský "Pro Electron".
Systém EIA/JEDECStandardizovaný systém číslování řady EIA370 1N byl zaveden v USA EIA/JEDEC (Joint Electronics Engineering Council) kolem roku 1960. Mezi nejoblíbenější v této řadě patřily: 1N34A/1N270 (germanium), 1N914/1N4148 (křemík), 1N4001-1N4007 (1A křemíkový usměrňovač) a 1N54xx (3A výkonový křemíkový usměrňovač) [7] [8] [ 9] .
Systém Pro ElectronPodle evropského systému označování aktivních součástí Pro Electron , zavedeného v roce 1966 a sestávajícího ze dvou písmen a číselného kódu:
Mezi další běžné systémy číslování/kódování (obvykle výrobcem) patří:
Systém JIS označuje polovodičové diody začínající „1S“.
Kromě toho má mnoho výrobců nebo organizací své vlastní společné kódovací systémy, jako například:
Grafické symboly různých typů diod používaných na elektrických obvodech v souladu s jejich funkčním účelem. trojúhelník označuje směr proudu od anody ke katodě (dopředné vedení).
Dioda
Světelná dioda (LED)
Supresorová dioda (ochranná dioda; TVS)
Shockleyova rovnice pro ideální diodu (pojmenovaná po vynálezci tranzistoru Williamu Shockleym ) popisuje proudově-napěťovou charakteristiku diody v idealizovaném zjednodušeném případě.
Diodová Shockleyova rovnice (nebo někdy nazývaná zákon diody ) je odvozena z předpokladu, že jediné procesy, které způsobují proud v diodě, jsou drift nosiče náboje, difúze a rekombinace. Rovněž se předpokládá, že proud v oblasti pn způsobený rekombinací je zanedbatelný.
Shockleyho rovnice pro ideální diodu:
kde I je proud procházející diodou; I S - saturační proud diody (maximální zpětný proud bez průrazu); V je napětí na diodě; V T je tepelné napětí diody; n je faktor nedokonalosti , nazývaný také emisní faktor .Tepelné napětí VT je přibližně 25,85 mV při 300 K (teplota blízká pokojové teplotě běžně používané v simulačních programech). Pro konkrétní teplotu ji lze zjistit podle vzorce:
kde k je Boltzmannova konstanta ; T je absolutní teplota pn přechodu; q je elementární náboj elektronu .Neideální faktor n se obvykle pohybuje od 1 do 2 (i když může být v některých případech vyšší) v závislosti na technologii výroby a použitém polovodičovém materiálu. V mnoha případech se předpokládá, že n je přibližně rovno 1 (takže faktor n ve vzorci je vynechán). Faktor neideality není zahrnut v rovnici Shockleyovy diody a byl zaveden pro zohlednění nedokonalosti reálných pn přechodů. Proto pro n = 1 se rovnice redukuje na Shockleyho rovnici pro ideální diodu.
Saturační proud I S není u každé diody konstantní, závisí na teplotě a tato závislost je mnohem větší než závislost napětí V T na teplotě. Napětí V klesá s rostoucím T při pevném I , roste saturační proud.
Diody jsou široce používány pro přeměnu AC na DC (přesněji jednosměrné pulzující; viz usměrňovač ). Diodový usměrňovač nebo diodový můstek (tj. 4 diody pro jednofázový obvod, 6 pro třífázový polomůstkový obvod nebo 12 pro třífázový plně můstkový obvod, propojené v obvodu) je hlavní součást napájecích zdrojů pro téměř všechna elektronická zařízení. V automobilových generátorech se používá diodový třífázový usměrňovač podle schématu A. N. Larionova na třech paralelních polovičních můstcích , přeměňuje třífázový střídavý proud generátoru na stejnosměrný proud palubní sítě automobilu. Použití alternátoru v kombinaci s diodovým usměrňovačem místo stejnosměrného generátoru se sestavou kartáč-kolektor umožnilo výrazně zmenšit velikost automobilového generátoru a zvýšit jeho spolehlivost.
Některé usměrňovače stále používají selenové usměrňovače. Je to dáno jejich zvláštností, že při překročení maximálního povoleného proudu dochází k vyhoření selenu (po úsecích), což (do určité míry) nevede ani ke ztrátě usměrňovacích vlastností, ani ke zkratu - průrazu.
Vysokonapěťové usměrňovače používají selenové vysokonapěťové sloupce z množství sériově zapojených selenových usměrňovačů a křemíkové vysokonapěťové sloupce z množství sériově zapojených křemíkových diod.
Pokud je několik diod zapojeno do série a v souladu (v jednom směru), prahové napětí potřebné k odblokování všech diod se zvýší.
Diody v kombinaci s kondenzátory se používají k extrakci nízkofrekvenční modulace z amplitudově modulovaného rádiového signálu nebo jiných modulovaných signálů. Diodové detektory se používají v rádiových přijímačích ( rozhlasové přijímače , televizory a podobně). Při provozu diody se využívá kvadratický řez proudově-napěťové charakteristiky .
Diody se používají k ochraně zařízení před přepólováním, k ochraně vstupů obvodů před přetížením, k ochraně klíčů před zhroucením samoindukčního EMF , ke kterému dochází při vypnutí indukční zátěže a další.
Pro ochranu vstupů analogových a digitálních obvodů před přetížením je použit řetězec dvou diod, připojených k napájecím lištám v opačném směru, jak je znázorněno na obrázku. Chráněný vstup je připojen ke střednímu bodu tohoto řetězce. Během normálního provozu se vstupní potenciál pohybuje od potenciálu země po potenciál napájení, zatímco diody s reverzním předpětím jsou uzavřeny a mají malý vliv na činnost obvodu. Když se vstupní potenciál změní nad napájecí napětí nebo pod „zemní“ potenciál, jedna z diod se otevře a odpojí vstup obvodu, čímž se omezí přípustný vstupní potenciál na rozsah v rámci napájecího napětí plus nebo mínus pokles napětí v propustném směru. přes diodu.
Často jsou takové diodové řetězce integrovány do IC ve fázi návrhu krystalu nebo jsou poskytovány při vývoji diagramů uzlů, bloků, zařízení. Hotové ochranné sestavy jsou vyrobeny ze dvou diod v třísvorkových „tranzistorových“ pouzdrech.
Pro zúžení nebo rozšíření ochranného rozsahu lze místo potenciálů napájení použít jiné potenciály podle požadovaného rozsahu.
Při ochraně před silným rušením, ke kterému dochází na dlouhých drátech, například při výbojích blesku, může být nutné použít složitější obvody spolu s diodami včetně rezistorů , varistorů , svodičů [10] [11] .
Při vypínání indukčních zátěží (jako jsou relé , elektromagnety , magnetické spouštěče , elektromotory ) přepínáním klíčů vzniká samoindukční emf , úměrné rychlosti změny proudu:
kde - indukčnost ; je proud přes indukčnost; - čas.EMF samoindukce zabraňuje poklesu síly proudu přes indukčnost a "usiluje" o udržení proudu na stejné úrovni. Když je proud vypnutý, energie magnetického pole akumulovaná indukčností se musí někde rozptýlit . Magnetické pole vytvořené indukční zátěží má energii:
kde je indukčnost; je proud přes induktor.Po vypnutí proudu se tedy indukčnost změní na zdroj proudu a napětí a napětí, které vzniká na zavřeném klíči , může dosáhnout vysokých hodnot a vést k jiskření a spálení elektromechanických kontaktů a rozpadu spínací indukčnosti polovodičů. spínače nebo přerušení izolace, protože energie uložená v indukčnosti se rozptýlí přímo na klíči samotném.
Diodová ochrana je jednoduché a jedno z nejpoužívanějších schémat pro ochranu spínačů s indukční zátěží. Dioda je zapojena paralelně s induktorem tak, že při sepnutí spínače je dioda sepnutá. Když je proud vypnutý, vznikající EMF vlastní indukce je namířeno proti napětí dříve aplikovanému na indukčnost, toto opačně nasměrované EMF otevře diodu. Proud protékající induktorem je přepnut na diodu a energie magnetického pole je rozptýlena diodou a vnitřním aktivním odporem induktoru, aniž by došlo k poškození spínače.
V ochranném obvodu s pouze jednou diodou se bude napětí na cívce rovnat úbytku napětí na diodě v propustném směru - asi 0,6-1 V u křemíkové diody, v závislosti na velikosti proudu. Vzhledem k malosti tohoto napětí lze indukčnost považovat za téměř zkratovou a proud bude klesat spíše pomalu. Rychlost změny proudu v induktoru, zanedbávání vlastního aktivního odporu:
Například pro indukčnost 1 H je tato hodnota v řádu indukčnosti vinutí výkonných stykačů a výkonných elektromagnetů , rychlost poklesu proudu bude asi 0,5-1 A/s .
Pro urychlení vypínání indukční zátěže je nutné po vypnutí zvýšit napětí na svorkách induktoru, protože čím vyšší je napětí, tím rychleji proud klesá. To může vyžadovat použití složitějšího ochranného obvodu, například zahrnutí zenerovy diody do série s diodou, diody v kombinaci s odporem , varistorem nebo sítí odpor-kondenzátor [ 12] .
Pro spínání vysokofrekvenčních signálů se používají diodové spínače. Řízení se provádí stejnosměrným proudem, oddělení RF a řídicího signálu se provádí pomocí kondenzátorů a indukčností .
![]() | ||||
---|---|---|---|---|
|