Диоды: виды и принцип работы

13.06.2024

Диод - это электронный компонент, который пропускает электрический ток только в одном направлении. Он состоит из двух основных частей: анода и катода. Диоды используются для выпрямления переменного тока, в качестве защитных элементов от переполюсовки, а также для преобразования высокочастотных сигналов. Сегодня мы подробнее поговорим о диодах, их видах и принципах работы.

Термин "диод" (греч. "di" - два и "odos" - путь) был введён в употребление в 1919 году физиком Вильямом Генри Иклсом. Диоды являются одними из наиболее широко применяемых электронных компонентов в различных устройствах, например, в детекторах, логарифматорах, экстрематорах, преобразователях частоты и других устройствах, где требуется нелинейная обработка аналоговых сигналов. В таких устройствах диоды играют важную роль в качестве элементов обратной связи или основных рабочих устройств. Также диоды нашли применение и в устройствах коммутации, которые используются для того, чтобы переключать ток или напряжение.



Важно знать, что диод состоит из следующих основных элементов:

• Герметизированный корпус, материалом которого может быть керамика, металл, стекло, пластик и др.
• Катод - представляет собой тонкую нить или металлический цилиндр, который разогревается в процессе работы и испускает электроны.
• Анод - по конструкции аналогичен катоду, но имеет положительный потенциал и используется для сбора электронов.
• Кристалл - изготавливается из германия или кремния, или их соединений; одна часть кристалла имеет p-тип проводимости с дефицитом электронов, а другая - n-тип проводимости с избытком электронов, граница между этими двумя областями кристалла называется p-n переходом.

Принцип работы диода основан на свойстве p-n перехода, который образуется на границе между двумя разнородными полупроводниками с различной концентрацией примесей (p- и n-типа). Когда к диоду прикладывается прямое напряжение (анод подключен к плюсу, катод к минусу), электрическое поле внутри p-n перехода помогает основным носителям заряда (электронам и дыркам) преодолеть потенциальный барьер, что приводит к протеканию тока через диод от анода к катоду. Этот процесс называется прямым смещением или прямым током.

Если же к диоду приложить обратное напряжение (анод к минусу, катод к плюсу), электрическое поле будет препятствовать движению основных носителей заряда, и ток через диод будет пренебрежимо мал. Однако, даже при обратном включении диода через него может протекать небольшой обратный ток, вызванный движением неосновных носителей заряда (дырок в n-полупроводнике и электронов в p-полупроводнике). Этот процесс называется обратным смещением или обратным током.

Таким образом, диод работает как односторонний клапан для тока, пропуская его только в одном направлении (от анода к катоду) и блокируя в обратном направлении. Это свойство диода используется в различных электронных схемах, например, для выпрямления переменного тока, детектирования радиосигналов и т. д.

Основные характеристики диодов:

• Максимальный прямой ток, который диод может проводить без перегрева или повреждения. Прямые токи могут варьироваться от миллиампер до десятков ампер в зависимости от размера и конструкции диода.
• Максимальное обратное напряжение, которое можно приложить к диоду, не вызывая его пробоя или повреждения. Обратное напряжение обычно составляет от нескольких десятков до сотен вольт для обычных кремниевых выпрямительных диодов.
• Напряжение стабилизации - это напряжение на выводах диода, при котором его сопротивление начинает изменяться.
• Напряжение пробоя - это напряжение, при котором происходит пробой диода, то есть его сопротивление резко падает до нуля.
• Мощность - это количество энергии, которую диод способен рассеивать без перегрева и повреждения.
• Время восстановления - время, необходимое для диода, чтобы вернуться в состояние низкой проводимости после снятия обратного напряжения. Время восстановления может варьироваться от сотен наносекунд до нескольких микросекунд в зависимости от типа диода.
• Ёмкость диода - ёмкость между анодом и катодом диода, которая может варьироваться от единиц до тысяч пикофарад в зависимости от конструкции диода и его рабочей частоты.
• Тепловое сопротивление - параметр, характеризующий способность диода рассеивать тепло. Обычно указывается в градусах Цельсия на ватт и может варьироваться от десятков до сотен градусов на ватт в зависимости от корпуса диода.

Виды диодов

• Диоды вакуумные

Электронное устройство, использующее вакуум для передачи электрических сигналов. Он состоит из анода и катода, разделенных вакуумной камерой. Анод является положительным электродом, а катод - отрицательным. Катод обычно представляет собой нить или пластину, которая испускает электроны при нагреве.Они являются одними из первых выпрямительных устройств, позволяющих преобразование переменного тока (AC) в постоянный ток (DC). Диоды вакуумные родились в эпоху вакуумной техники, где электроды искали применение в различных электронных устройствах.

В настоящее время диоды вакуумные редко используются в современных электронных системах, поскольку отличаются большими размерами, высокой потребляемой мощностью, незначительным сроком службы, однако они играют значимую роль в истории электроники и продолжают быть предметом исследований в определенных областях.

• Диоды газоразрядные

Диод состоит из керамического или стеклянного корпуса с двумя электродами и небольшим количеством газа под низким давлением. Принцип работы устройства основан на эффекте газового разряда: когда между электродами создается достаточно высокое напряжение, возникает ионизация газа. Это приводит к образованию плазмы, состоящей из положительно и отрицательно заряженных частиц. Разряд создаёт проходящий пропускной ток только в одном направлении, обеспечивая выпрямление переменного тока.

Газоразрядные диоды также имеют множество недостатков, которые ограничивают их применение в современной электронике: начиная от больших размеров и заканчивая низкой скоростью переключения.

• Диоды выпрямительные

Эти диоды позволяют эффективно регулировать и контролировать поток электрической энергии, имеют высокое максимальное обратное напряжение (напряжение пробоя), высокую пропускную способность и прямое падение напряжения, обеспечивая стабильное питание для различных компонентов и систем. Например, выпрямители часто применяются в инверторах для преобразования постоянного тока в переменный с заданной частотой и напряжением. Используются для управления направлением вращения электродвигателей и обеспечения их стабильной работы. Находят применение в солнечных панелях для преобразования вырабатываемого постоянного тока в переменный ток для эксплуатации в электрических сетях.

• Диоды импульсные

Особый вид диодов, который имеет очень малое время восстановления, то есть время, за которое он может переключаться из открытого состояния в закрытое и обратно. Это свойство делает импульсные диоды идеальными для работы в схемах, где необходимо быстрое переключение между двумя состояниями. Например, в схемах управления двигателями, в преобразователях частоты, в цифровых схемах и т. д.
Конструкция импульсного диода отличается от конструкции обычного выпрямительного диода. Он имеет более короткую область p-n перехода, что позволяет ему быстрее переключаться. Кроме того, у него меньше ёмкость, что также улучшает его быстродействие.

Однако, из-за своей конструкции, импульсные диоды могут иметь более низкие параметры напряжения и тока по сравнению с обычными выпрямительными диодами. Поэтому они не подходят для использования в качестве выпрямителей в источниках питания или регуляторах напряжения.

• Диоды туннельные

Туннельные диоды представляют собой класс полупроводниковых диодов, принцип действия которых основан на квантово-механическом эффекте туннелирования. Когда напряжение на туннельном диоде меньше порогового значения, ток через диод очень мал, так как большинство электронов не могут преодолеть потенциальный барьер. При увеличении напряжения выше порогового значения ток резко возрастает из-за туннелирования электронов. Это приводит к тому, что характеристика зависимости тока от напряжения имеет N-образную форму, что и обуславливает отрицательное дифференциальное сопротивление.

Одним из основных применений туннельных диодов является использование их в качестве усилительных элементов. Они могут усиливать сигналы в диапазонах частот от нескольких килогерц до нескольких гигагерц. Благодаря своим уникальным свойствам, туннельные диоды позволяют создавать компактные и эффективные усилительные устройства. Кроме того, эти диоды также часто применяются для аналоговой обработки сигналов, например, они используются в качестве ограничителей, амплитудных модуляторов и генераторов пилообразных сигналов.

• Диоды лавинные

Принцип действия лавинного диода основан на явлении лавинного пробоя. Когда напряжение на диоде достигает определенного уровня, в полупроводнике происходит лавинообразное размножение носителей заряда, что приводит к резкому увеличению тока через диод. Это позволяет диоду быстро переключаться из закрытого состояния в открытое и обратно, ограничивая напряжение на заданном уровне и защищая схему от повреждений.

Они широко применяются в силовых источниках, блоках питания, телекоммуникационных системах, медицинском оборудовании и других электронных приборах, где требуется надежная защита от внешних перенапряжений и внутренних всплесков, вызванных электростатическими разрядами или мощными электрическими импульсами.

• Светодиоды
  

Светоизлучающие диоды (СИД), известные как светодиоды, являются электронными компонентами, которые преобразуют электрическую энергию в световую. Они состоят из полупроводникового кристалла, который помещён между двумя проводниками.
Принцип действия основан на явлении электролюминесценции. Когда электрический ток проходит через светодиод, электроны и дырки (положительные заряды) встречаются на границе перехода полупроводника. В этот момент происходит процесс рекомбинации, т. е. электроны переходят на более низкий энергетический уровень, испуская световую энергию в виде фотонов. Иначе, в этот момент электричество трансформируется в оптическое излучение.

Цвет свечения светодиода зависит от материала полупроводникового кристалла. Например, светодиоды на основе GaAsP могут излучать красный, желтый или зеленый свет, в то время как светодиоды на основе InGaN способны излучать синий или фиолетовый свет.

Светодиоды имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными источниками света, они обладают:

1. высокой эффективностью преобразования электрической энергии в свет
2. низким энергопотреблением
3. долгим сроком службы
4. малыми размерами.

Их надежность, эффективность и возможность создания разнообразных цветовых эффектов сделали их неотъемлемой частью современной технологии освещения и электроники.

• Фотодиоды

Представляют собой полупроводниковые устройства, способные преобразовывать световой сигнал в электрический сигнал. Такие диоды основываются на фотоэлектрическом эффекте, открытом Альбертом Эйнштейном в начале ХХ века. Когда фотон света взаимодействует с полупроводниковым материалом, энергия света может передаваться электронам в валентной зоне полупроводника, переводя их в зону проводимости. Получающиеся носители заряда создают электрический ток, который может быть измерен и использован для различных целей.

Применение фотодиодов очень разнообразно: они используются в фотоэлектрических датчиках, фотоэлектрических коммутаторах и оптоэлектронных системах; широко применяются в фотоприемниках для определения интенсивности света и детектирования сигналов. Они также используются в системах управления освещением, солнечных панелях, оптической связи, медицинской технике, автоматических стоянках и других областях, где требуется обнаружение или измерение света.



Сегодня мы разобрались в большинстве видов и характеристик диодов и рассмотрели их принципы действия. Подписывайтесь на наши обновления - впереди еще много не только полезных, но и увлекательных статей про электрику, освещение и дизайн интерьера.

Также, напоминаем, что компания Dekomo является агрегатором освещения, поэтому на нашем сайте вы найдете более 12 категорий освещения и электроустановки, которые помогут вам закрыть проект под ключ - рекомендуем ознакомиться с нашим каталогом. А если вам нужна помощь в правильном подборе света для вашего проекта, вы всегда можете отправить запрос на почту - info@dekomo.ru

Хотите получить прайс-лист?