Diod (från annan grekisk δις [1] - två och - från ändelsen -od av termen elektrod ; lit. "två-elektrod"; roten -od kommer från annan grekisk ὁδός "väg" [2] ) - två- elektrodelektronik en komponent som har olika elektrisk ledningsförmåga beroende på polariteten hos spänningen som appliceras på dioden . Dioder har en icke-linjär ström-spänningskarakteristik , men till skillnad från glödlampor och termistorer är den asymmetrisk för dioder.
En diods elektroder kallas anod och katod . För de flesta dioder (vakuumdioder, likriktarhalvledardioder), när en framåtspänning appliceras (det vill säga anoden har en positiv potential i förhållande till katoden), är dioden öppen ( framström flyter genom dioden , dioden har låg motstånd ). Tvärtom, om en omvänd spänning appliceras på dioden (katoden har en positiv potential i förhållande till anoden), då är dioden stängd (motståndet hos dioden är högt, den omvända strömmen är liten och kan övervägas lika med noll i många praktiska fall).
Utvecklingen av dioder började under det tredje kvartalet av 1800-talet i två riktningar samtidigt: 1873 upptäckte den brittiske vetenskapsmannen F. Guthrie att en negativt laddad elektroskopkula tappar laddning när den värms upp kraftigt, men om den är positivt laddad, då går inte laddningen förlorad. På den tiden kunde de inte förklara detta fenomen. Detta fenomen orsakas av termionisk emission och användes sedan i elektrovakuumdioder med hetkatod. Termionemission återupptäcktes den 13 februari 1880 av Thomas Edison i hans experiment för att förlänga livslängden för en glödtråd i glödlampor , och sedan, 1883 , patenterades av honom ( US- patent nr 307 031). Edison studerade det dock inte vidare.
Den termioniska emissionsdioden patenterades först i Storbritannien av John Ambrose Fleming (en vetenskaplig rådgivare till Marconi- företaget och en tidigare anställd på Edison) den 16 november 1904 (amerikanskt patent nr 803684, november 1905).
År 1874 upptäckte den tyske vetenskapsmannen Karl Ferdinand Braun de likriktande egenskaperna hos kristallina dioder , och 1899 patenterade Brown en kristallin likriktare [4] . Jadish Chandra Bowes utvecklade Browns upptäckt vidare till en enhet som kan användas för att ta emot radiovågor . Runt 1900 skapade Greenleaf Pickard den första kristalldiodradiomottagaren . Den 20 november 1906 patenterade Picard kiselkristalldetektorn (US-patent nr 836 531).
I slutet av 1800-talet kallades apparater av det här slaget likriktare, och det var inte förrän 1919 som William Henry Eckles myntade termen "diod".
Dioder är elektrovakuum ( kenotroner ), gasfyllda ( gastroner , ignitroner , korona- och glödurladdningszenerdioder ) , halvledardioder , etc. För närvarande används halvledardioder i de allra flesta fall .
Dioder | |||||||||||||||||||||||||||||
Halvledare | Icke halvledare | ||||||||||||||||||||||||||||
gasfylld | Vakuum | ||||||||||||||||||||||||||||
Elektrovakuumdioder är en evakuerad cylinder med två elektroder, en av dem - katoden - värms upp av en ström som erhålls från en speciell elektrisk glödtrådskrets. När katoden värms upp sker termionisk emission och en del av elektronerna lämnar katodytan. Om en positiv spänning i förhållande till katoden appliceras på en annan elektrod - anoden, kommer elektronerna under inverkan av ett elektriskt fält att börja röra sig mot anoden och skapa en ström. Om en negativ spänning appliceras på anoden kommer elektronerna att stötas bort från anoden och det blir ingen ström.
En halvledardiod består av antingen p-typ och n - typ halvledare (halvledare med olika typer av yttre ledning ) eller en halvledare och en metall ( Schottky diode ). Kontakten mellan halvledare kallas en pn-övergång och leder ström i en riktning (har ensidig konduktivitet). Vissa typer av halvledardioder har ingen p - n-övergång, till exempel Gunn-dioder .
Vissa typer av halvledardioderEn dielektrisk diod är en metall-dielektrisk-metall-filmstruktur som har en ström-spänningskarakteristik som liknar den för en elektrovakuumdiod genom att använda skillnaden mellan arbetsfunktionerna för källan och avloppet. [5]
Urev.max. | - | den maximalt tillåtna konstanta backspänningen för dioden; |
Uinv.and.max. | - | den maximalt tillåtna impulsbackspänningen för dioden; |
Ipr.max. | - | maximal genomsnittlig framåtström för perioden; |
Ipr.i.max. | - | maximal puls framåtström för perioden; |
Iprg. | - | likriktardiod överbelastningsström; |
fmax. | - | den maximalt tillåtna omkopplingsfrekvensen för dioden; |
fwork | - | dioddriftsfrekvens; |
Upr. vid Ipr. | - | konstant framåtspänning för dioden vid ström Ipr; |
Iarr. | - | konstant diod omvänd ström; |
Tk.max. | - | den högsta tillåtna temperaturen för diodhöljet. |
Tp.max. | - | högsta tillåtna diodövergångstemperatur. |
Klassificeringen av dioder enligt deras syfte, fysiska egenskaper, grundläggande elektriska parametrar, strukturella och tekniska egenskaper, typ av källmaterial ( halvledare ) visas av ett system av symboler för deras typer. Symbolsystemet förbättras ständigt i enlighet med uppkomsten av nya klassificeringsgrupper och typer av dioder. Vanligtvis representeras notationssystem av en alfanumerisk kod.
På Sovjetunionens territorium har det symboliska beteckningssystemet upprepade gånger genomgått förändringar, och fram till nu, på radiomarknaderna, kan du hitta halvledardioder tillverkade vid fabrikerna i Sovjetunionen och med ett beteckningssystem enligt industristandarden GOST 11 336.919 -81, baserat på ett antal klassificeringsegenskaper hos produkter [3] .
Till exempel: KD212B, GD508A, KTs405Zh.
Dessutom tillhandahåller beteckningssystemet (om nödvändigt) införandet av ytterligare tecken i beteckningen för att markera individuella betydande design och tekniska egenskaper hos produkter.
GOST 2.730-73 fortsätter att fungera - "Halvledarenheter. Symboler grafik" [6]
Det finns ett antal generella principer för standardisering av kodningssystemet för dioder utomlands. De vanligaste standarderna är EIA / JEDEC och den europeiska "Pro Electron".
EIA/JEDEC-systemDet standardiserade numreringssystemet EIA370 1N-serien introducerades i USA av EIA/JEDEC (Joint Electronics Engineering Council) omkring 1960. Bland de mest populära i denna serie var: 1N34A/1N270 (germanium), 1N914/1N4148 (kisel), 1N4001-1N4007 (1A kisellikriktare) och 1N54xx (3A kraftlikriktare av kisel) [7] [8] [ 9] .
Pro Electron systemEnligt det europeiska beteckningssystemet för aktiva komponenter Pro Electron , introducerat 1966 och består av två bokstäver och en sifferkod:
Andra vanliga numrerings-/kodningssystem (vanligtvis av tillverkaren) inkluderar:
JIS-systemet märker halvledardioder som börjar med "1S".
Dessutom har många tillverkare eller organisationer sina egna gemensamma kodningssystem, såsom:
Grafiska symboler för olika typer av dioder som används på elektriska kretsar i enlighet med deras funktionella syfte. triangeln anger riktningen för strömmen från anoden till katoden (framåtledning).
Diod
Ljusemitterande diod (LED)
Dämpardiod (skyddsdiod; TVS)
Shockley-ekvationen för en ideal diod (uppkallad efter uppfinnaren av transistorn William Shockley ) beskriver ström-spänningskarakteristiken för en diod i ett idealiserat förenklat fall.
Diod Shockleys ekvation (eller ibland kallad diodens lag ) härleds med antagandet att de enda processerna som orsakar ström i en diod är laddningsbärardrift, diffusion och rekombination. Det antas också att strömmen i pn- regionen orsakad av rekombination är försumbar.
Shockleys ekvation för en ideal diod:
där I är strömmen som passerar genom dioden; I S - diodmättnadsström (maximal omvänd ström utan nedbrytning); V är spänningen över dioden; V T är diodens termiska spänning; n är imperfektionsfaktorn , även kallad emissionsfaktor .Den termiska spänningen V T är cirka 25,85 mV vid 300 K (en temperatur nära rumstemperatur som vanligtvis används i simuleringsprogram). För en specifik temperatur kan den hittas med formeln:
där k är Boltzmann-konstanten ; T är den absoluta temperaturen för pn- övergången; q är elektronens elementära laddning .Den icke-ideala faktorn n sträcker sig vanligtvis från 1 till 2 (även om den kan vara högre i vissa fall) beroende på tillverkningstekniken och det halvledarmaterial som används. I många fall antas det att n är ungefär lika med 1 (därmed utelämnas faktorn n i formeln). Icke-idealitetsfaktorn ingår inte i Shockley-diodekvationen och introducerades för att ta hänsyn till ofullkomligheten hos verkliga pn-övergångar. Därför, för n = 1 , reduceras ekvationen till Shockley-ekvationen för en ideal diod.
Mättnadsströmmen IS är inte konstant för varje diod, den beror på temperaturen och detta beroende är mycket större än spänningens V T beroende av temperaturen. Spänningen V minskar med ökande T vid ett fast I , mättnadsströmmen ökar.
Dioder används ofta för att omvandla AC till DC (mer exakt, enkelriktad pulserande; se likriktare ). En diodlikriktare eller diodbrygga (det vill säga 4 dioder för en enfasig krets, 6 för en trefas halvbrygga krets eller 12 för en trefas helbrygga , sammankopplade i en krets) är huvudkretsen komponent av strömförsörjning för nästan alla elektroniska enheter. En diod trefaslikriktare enligt schemat för A. N. Larionov på tre parallella halvbryggor används i bilgeneratorer , den omvandlar generatorns trefasiga växelström till likströmmen i fordonets ombordnätverk. Användningen av en generator i kombination med en diodlikriktare istället för en likströmsgenerator med en borstsamlarenhet gjorde det möjligt att avsevärt minska storleken på en bilgenerator och öka dess tillförlitlighet.
Vissa likriktare använder fortfarande selenlikriktare . Detta beror på deras egenhet att när den maximalt tillåtna strömmen överskrids, brinner selen ut (i sektioner), vilket inte (i viss utsträckning) leder till vare sig en förlust av likriktande egenskaper eller en kortslutning - genombrott.
Högspänningslikriktare använder selenhögspänningskolonner från ett flertal seriekopplade selenlikriktare och kiselhögspänningskolonner från ett flertal seriekopplade kiseldioder.
Om flera dioder kopplas i serie och i enlighet (i en riktning) ökar tröskelspänningen som krävs för att låsa upp alla dioder.
Dioder i kombination med kondensatorer används för att extrahera lågfrekvensmodulering från en amplitudmodulerad radiosignal eller andra modulerade signaler. Dioddetektorer används i radiomottagare ( radiomottagare , tv -apparater och liknande). Under driften av dioden används en kvadratisk sektion av ström-spänningskarakteristiken .
Dioder används för att skydda enheter från omvänd polaritet, skydda kretsingångar från överbelastning, skydda nycklar från nedbrytning av självinduktions- EMK som uppstår när en induktiv belastning stängs av och mer.
För att skydda ingångarna på analoga och digitala kretsar från överbelastning används en kedja av två dioder, anslutna till kraftskenorna i motsatt riktning, som visas i figuren. Den skyddade ingången är ansluten till mittpunkten av denna kedja. Under normal drift sträcker sig ingångspotentialen från jordpotential till matningspotential, medan de bakåtförspända dioderna är slutna och har liten effekt på kretsens funktion. När ingångspotentialen ändras över matningsspänningen eller under "jordpotentialen", öppnar en av dioderna och shuntar kretsens ingång, vilket begränsar den tillåtna ingångspotentialen till ett område inom matningsspänningen plus eller minus framåtspänningsfallet tvärs över dioden.
Ofta är sådana diodkedjor integrerade i IC i kristalldesignstadiet, eller tillhandahålls vid utveckling av diagram över noder, block, enheter. Färdiga skyddsenheter tillverkas av två dioder i tre-terminala "transistor"-hus.
För att begränsa eller utöka skyddsområdet kan andra potentialer användas istället för strömförsörjningspotentialerna enligt det erforderliga området.
Vid skydd mot kraftiga störningar som uppstår på långa ledningar, till exempel vid blixturladdningar, kan det vara nödvändigt att använda mer komplexa kretsar, tillsammans med dioder inklusive motstånd , varistorer , avledare [10] [11] .
Vid avstängning av induktiva belastningar (såsom reläer , elektromagneter , magnetstartare , elmotorer ) genom att byta nycklar, uppstår självinduktions- emf , proportionell mot strömförändringshastigheten:
där - induktans ; är strömmen genom induktansen; - tid.Självinduktionens EMF förhindrar minskningen av strömstyrkan genom induktansen och "strävar" efter att hålla strömmen på samma nivå. När strömmen är avstängd måste magnetfältets energi , ackumulerad av induktansen, försvinna någonstans . Magnetfältet som skapas av en induktiv belastning har en energi av:
var är induktansen; är strömmen genom induktorn.Sålunda, efter att strömmen stängts av, förvandlas induktansen till en ström- och spänningskälla, och spänningen som uppstår på den stängda nyckeln kan nå höga värden och leda till gnistor och förbränning av elektromekaniska kontakter och nedbrytning av halvledaromkopplingsinduktansen strömbrytare eller isolationsbrott, eftersom energin som lagras i induktansen kommer att försvinna direkt på själva nyckeln.
Diodskydd är ett enkelt och ett av de mest använda systemen för att skydda strömbrytare med induktiv belastning. Dioden är parallellkopplad med induktorn så att när strömbrytaren är stängd är dioden stängd. När strömmen stängs av riktas den framträdande EMF av självinduktion mot den spänning som tidigare applicerats på induktansen, denna motsatt riktade EMF öppnar dioden. Strömmen som flyter genom induktorn kopplas om till dioden och magnetfältets energi försvinner av dioden och induktorns inre aktiva motstånd utan att skada omkopplaren.
I en skyddskrets med endast en diod kommer spänningen över spolen att vara lika med spänningsfallet över dioden i framåtriktningen - cirka 0,6-1 V för en kiseldiod, beroende på strömmens storlek. På grund av den lilla spänningen kan induktansen anses nästan kortsluten och strömmen kommer att sjunka ganska långsamt. Hastigheten för strömförändring i induktorn, försummar dess eget aktiva motstånd:
Till exempel, för en induktans på 1 H, är detta värde i storleksordningen av induktansen för lindningarna av kraftfulla kontaktorer och exekutiva solenoider , den nuvarande fallhastigheten kommer att vara cirka 0,5-1 A/s .
För att påskynda avstängningen av en induktiv belastning är det nödvändigt att öka spänningen vid induktorns terminaler efter avstängning, eftersom ju högre spänningen är, desto snabbare sjunker strömmen. Detta kan kräva användning av en mer komplex skyddskrets, till exempel införandet av en zenerdiod i serie med en diod, en diod i kombination med ett motstånd , varistor eller motstånd-kondensatornätverk [ 12 ] .
Diodomkopplare används för att växla högfrekventa signaler. Styrningen utförs med likström, separationen av RF och styrsignalen utförs med hjälp av kondensatorer och induktanser .
Ordböcker och uppslagsverk | ||||
---|---|---|---|---|
|