Diody, usměrnění proudu, zenerovy diody, tyristory.

Polovodiče jsou látky, které svými elektricky vodivými vlastnostmi zaujímají mezilehlou polohu mezi vodiči a izolanty.
V polovodičích, stejně jako v kovech, je proud uspořádaný pohyb nabitých částic.
Spolu s pohybem záporných nábojů (elektronů) v polovodičích však dochází k uspořádanému pohybu kladných nábojů, tzv. — díry.

Díry získané s účastí ionty polovodičové látky – atomy s uniklými elektrony. Ve skutečnosti ionizované atomy neopouštějí své místo v krystalové mřížce. Ve skutečnosti dochází k postupné změně stavu atomů látky, když elektrony přeskakují z jednoho atomu na druhý. Vzniká proces, který navenek vypadá jako uspořádaný pohyb nějakých podmíněných kladně nabitých částic – díry.

V obyčejném, čistém polovodiči poměr díry a volné elektrody 50%:50%.
Jakmile se ale do polovodiče přidá malé množství látky – nečistoty, tento poměr projde významnými změnami. V závislosti na vlastnostech přidané látky získává polovodič buď výraznou elektronovou vodivost (typ n), nebo se jeho hlavními nosiči stávají díry (typ p).

Polovodičový přechod (pn) je vytvořen na spojení dvou fragmentů polovodičového materiálu s různou vodivostí. Je to extrémně tenká oblast, ochuzená o nosiče obou typů. Pn přechod má malý odpor, když je směr proudu vpřed, a velmi vysoký odpor, když je směr proudu obrácený.

Konvenční polovodičová dioda se skládá z jednoho polovodičového přechodu vybaveného dvěma vývody – anoda(kladná elektroda) a katoda – záporná elektroda. V souladu s tím má dioda vlastnost jednostranná vodivost – dobře vede proud v propustném směru a špatně ve zpětném směru.

Co to v praxi znamená?
Představme si elektrický obvod složený z baterie a žárovky zapojené do série přes polovodičovou diodu. Kontrolka se rozsvítí pouze pokud anoda (kladná elektroda) je připojena ke kladnému pólu zdroje energie (baterie) a katoda (záporná elektroda) do mínusu – přes vlákno žárovky.

Jedná se o přímé zapojení polovodičové diody. Pokud přepólujete zdroj energie, dioda se rozsvítí obráceně – žárovka se nerozsvítí. Věnujte pozornost tomu, jak vypadá označení polovodičové diody ve schématu – trojúhelníková šipka označující přímé spojení se shoduje se směrem proudu obecně akceptovaným v elektrotechnice – od plusu zdroje energie po mínus. Svislá čára, která k ní přiléhá, ​​symbolizuje bariéru proti pohybu proudu v opačném směru.

Pro normální provoz jakékoli polovodičové diody je jeden předpoklad. Napájecí napětí musí překročit určitou prahovou hodnotu (hodnotu vnitřního potenciálu předpětí pn přechodu). U usměrňovacích diod je to obvykle méně než 1 volt, u germaniových vysokofrekvenčních diod je to asi 0,1 voltu, u LED může přesáhnout 3 volty. Tuto vlastnost polovodičových diod lze využít k vytvoření nízkonapěťových stabilizovaných napájecích zdrojů.

Pokud diodu připojíte zpět a budete postupně zvyšovat napětí zdroje, v určitém okamžiku zcela jistě dojde k obrácenému elektrickému průrazu pn přechodu. Diodou začne procházet proud v opačném směru a přechod bude poškozen. Hodnota maximálního přípustného zpětného napětí (Urev.i.) se u různých typů polovodičových diod značně liší a je velmi důležitým parametrem.

Druhým, neméně důležitým parametrem lze nazvat mezní hodnotu propustného proudu – Upr. Tento parametr přímo závisí na velikosti úbytku napětí na přechodu polovodičové diody, polovodičovém materiálu a charakteristikách přenosu tepla pouzdra.

Usměrnění AC.

Vyměňme zdroj stejnosměrného proudu za střídavý zdroj podobného napětí. Světlo se rozsvítí, ale slabě, s mírným blikáním. Jak víte, střídavý proud s frekvencí 50 Hz. plynule mění svůj směr 50krát za sekundu. Dioda projde půlvlnami nasměrovanými v jejím dopředném směru a odřízne ty nasměrované v opačném směru.
Na níže uvedeném obrázku jsou záporné půlvlny zobrazeny modře pro jasnost a kladné půlvlny jsou zobrazeny červeně.

Žárovka tak obdrží usměrněné napětí, pulzující s dvojnásobnou frekvencí. Výsledné napětí bude o něco nižší než jmenovité. Pro lepší usměrnění střídavého proudu se používá tzv. můstkový obvod sestávající ze čtyř diod v jednofázovém obvodu.

V třífázovém střídavém obvodu vypadá kladná větev diodového můstku takto:

Pro spolehlivý provoz se při návrhu napájecích zdrojů volí polovodičové diody s 50% rezervou z hlediska parametrů Uform.i. a Jpr. To je způsobeno skutečností, že při provozu na maximální proudy se spolehlivost usměrňovače snižuje kvůli zahřívání pn přechodů.

Stabilizace napětí a Zenerovy diody.

Výstupní napětí konvenčního, neregulovaného zdroje stejnosměrného proudu podléhá kolísání v důsledku změn napětí na jeho vstupu. Výkres. Při připojování různých spotřebičů spotřebovávajících různé proudy se mění i napětí – roste s menší zátěží, klesá s větší. Pro normální provoz elektronických zařízení je nutné toto napětí stabilizovat, aby jeho hodnota byla nezávislá na výše uvedených faktorech. Zenerovy diody jsou polovodičové diody používané ke stabilizaci napětí v různých napájecích zdrojích. Na rozdíl od běžných diod fungují, když jsou zapnuty obráceně, v poruchovém režimu. To jim neškodí, pokud není překročena mez ztrátového výkonu, jejíž hodnota je derivací úbytku napětí na přechodu a proudu, který jím protéká.

Nejdůležitějšími parametry zenerovy diody jsou tedy stabilizační napětí a maximální provozní proud. Provozní proud zenerovy diody je omezen sériově zapojeným rezistorem.

Tyristory.

Tříelektrodové tyristory (tyristory) jsou polovodičová zařízení používaná k regulaci výkonu ve střídavých a stejnosměrných sítích. Tyristor snadno přechází ze zavřeného (nevodivého) stavu do stavu otevřeného, ​​když je na řídicí elektrodu přiveden otevírací impuls. Jakmile je tyristor zapnutý, zůstává v tomto stavu, dokud jím protékající proud neklesne na určitou prahovou hodnotu.

Při práci v obvodech střídavého proudu dochází k podobnému poklesu při každé změně polarity se změnou fáze. Ve stejnosměrných obvodech se k odpojení používají speciální obvody.

Typy diod.

Kromě schopnosti procházet proud pouze jedním směrem má pn přechod řadu dalších zajímavých vlastností. Například schopnost emitovat (včetně ve viditelné oblasti), když proud teče v dopředném směru, a generovat elektřinu. proudu pod vlivem záření. Tato vlastnost se využívá při implementaci elektronických prvků, jako jsou LED, fotodiody a fotobuňky.
Kromě toho má každý pn přechod také elektrickou kapacitu a navíc možnost ji měnit pomocí napětí aplikovaného v opačném směru. Pomocí něj bylo možné vytvořit tak užitečné prvky, jako jsou VARICAPS.

Varicaps.

Pn přechod má tedy elektrickou kapacitu, jejíž hodnota závisí na jeho ploše a šířce. Pokud je napětí aplikováno v opačném směru, přechod se posune, plocha zůstane nezměněna, ale šířka se zvětší. Kapacita se odpovídajícím způsobem snižuje. Tuto kapacitu je možné regulovat změnou velikosti použitého napětí. Elektronické prvky (v podstatě diody) vytvořené na tomto principu se nazývají varikapy.

Varicaps se používají v rádiových zařízeních místo konvenčních proměnných kondenzátorů pro nastavení frekvence oscilačních obvodů. Výhoda Použití varicaps umožnilo výrazně zmenšit velikost a zvýšit účinnost výběrových jednotek pro rádiová přijímací zařízení, je relativně jednoduché a levné implementovat automatizaci procesů nastavení (dříve prováděnou ručně).

Schottkyho diody.

Schottkyho dioda (Schottkyho bariérová dioda) je polovodičová dioda s nízkým úbytkem napětí (0,2-0,4 voltu) při přímém zapojení. Pojmenován po německém fyzikovi Walteru Schottkym. U Schottkyho diod je na rozdíl od konvenčních diod místo pn přechodu použit přechod kov-polovodič. To poskytuje řadu speciálních výhod – snížený pokles napětí při dopředném přepínání, velmi nízké zpětné zotavovací náboje.

To je vysvětleno skutečností, že na rozdíl od konvenčních diod Schottkyho diody fungují pouze na hlavních nosičích a jejich výkon je omezen pouze bariérovou kapacitou. Schottkyho diody se nejvhodněji používají ve vysokorychlostních pulzních obvodech, pro usměrnění nízkých vysokofrekvenčních napětí, ve vysokofrekvenčních směšovačích, ve spínačích a spínačích.

LED diody.

Když stejnosměrný proud protéká kterýmkoli pn přechodem (libovolnou diodou!), generují se fotony. Je to důsledek cyklické rekombinace – obnovy atomů látky v procesu pohybu hlavních proudových nosičů.
Elektronické prvky používané ke generování světla a založené na tomto principu se nazývají LED. LED diody se používají pro indikaci a přenos informací jako součást elektronických zařízení, jako jsou optočleny.

Účinnost a svítivost moderních LED je tak vysoká, že jsou v současnosti nejslibnějším zdrojem umělého osvětlení. V závislosti na materiálu zvoleném jako polovodič vyzařují LED diody na různých vlnových délkách.
IR diody vyzařují v infračervené oblasti, indikační a osvětlovací LED vyzařují ve viditelné části spektra (zelená, červená, žlutá atd.). Nejvyšší účinnost LED diody se vyznačují vyzařováním v ultrafialové oblasti. Zajímavé je, že tento typ se nejčastěji používá pro osvětlení. Bílé světlo se získává pomocí speciálního fosforu, který přeměňuje ultrafialové světlo.

Intenzita vyzařování LED roste s rostoucím proudem protékajícím pn přechodem, až do určité meze. Po jeho dosažení LED selže. Pro normální provoz je proto nutné proud omezit.
Typicky se toho dosáhne zapojením odporu do série.

Stabilizátory.

Stávající zenerovy diody jsou omezeny minimálním stabilizačním napětím (asi 3 V).
Co dělat, když potřebujete zdroj stabilizovaného napětí do 3 voltů? Použijte přímou větev Volt – Ampérové ​​charakteristiky diody (VAC). V oblasti dopředného předpětí pn přechodu může mít napětí na něm hodnotu 0,7. 2 V (v závislosti na materiálu polovodiče) a málo závisí na proudu.
Diody speciálně používané v této kapacitě se nazývají STABITORY.

Fotodiody.

Fotodioda je polovodičový prvek citlivý na světlo s jedním pn přechodem, jehož zpětný proud se mění v závislosti na úrovni osvětlení. Množství, o které se v tomto případě mění, se nazývá fotoproud.

Fotodiody se používají k převodu signálů přenášených v optickém režimu do elektrické formy. Nízká setrvačnost fotodiod usnadňuje příjem přenosu informací s vysokou hustotou, např. při přenosu přes optické linky. Kromě toho lze fotodiody použít ve fotodetektorech na dálkové ovládání atd.

Použití jakýchkoli materiálů z této stránky je povoleno za předpokladu, že existuje odkaz na webovou stránku „Electrical is Easy“.

Polovodičová zařízení byly používány v radiotechnice ještě před vynálezem elektronek. Vynálezce rádia A. S. Popov nejprve použil coherer (skleněnou trubici s kovovými pilinami) k detekci elektromagnetických vln a poté kontaktu mezi ocelovou jehlou a uhlíkovou elektrodou.

Tohle bylo první polovodičová dioda – detektor. Později byly vytvořeny detektory využívající přírodní a umělé krystalické polovodiče (galen, zincit, chalkopyrit aj.).

Takový detektor sestával z polovodičového krystalu připájeného do držáku pohárku a ocelové nebo wolframové pružiny se špičatým koncem (obr. 1). Poloha hrotu na krystalu byla zjištěna experimentálně, čímž bylo dosaženo největší hlasitosti vysílání radiostanice.

Rýže. 1. Polovodičová dioda – detektor.

V roce 1922 O. V. Losev, zaměstnanec radiolaboratoře Nižnij Novgorod, objevil pozoruhodný jev: ukazuje se, že krystalový detektor dokáže generovat a zesilovat elektrické oscilace.

Byla to skutečná senzace, ale nedostatek vědeckých poznatků a absence potřebného experimentálního vybavení tehdy neumožnily hluboce prostudovat podstatu procesů probíhajících v polovodiči a vytvořit polovodičová zařízení schopná konkurovat elektronkám.

Polovodičová dioda

Polovodičové diody jsou označeny symbolem, který zůstal v obecném obrysu od dob prvních rádiových přijímačů (obr. 2,6).

Rýže. 2. Označení a struktura polovodičové diody.

Vrchol trojúhelníku v tomto symbolu označuje směr největší vodivosti (trojúhelník symbolizuje anodu diody a krátká čára kolmá na svorky je její katodou).

Stejný symbol se používá pro označení polovodičových usměrňovačů, skládajících se například z několika diod zapojených do série, paralelně nebo smíšeně (sloupce usměrňovače atd.).

Diodové můstky

K napájení rádiových zařízení se často používají můstkové usměrňovače. Nákres stejného schématu zapojení diody (čtverec, jehož strany jsou tvořeny symboly diod) byl již dlouho obecně přijímán, proto se pro označení takových usměrňovačů začal používat zjednodušený symbol – čtverec se symbolem jedné diody uvnitř (obr. 3).

Rýže. 3. Označení diodového můstku.

V závislosti na hodnotě usměrněného napětí se každé rameno můstku může skládat z jedné, dvou nebo více diod. Polarita usměrněného napětí není na schématech vyznačena, protože je jasně určena symbolem diody uvnitř čtverce.

Mosty jsou konstrukčně sjednoceny v jednom pouzdře, znázorněném samostatně, což ukazuje příslušnost k jednomu výrobku v pozičním označení. Vedle polohového označení diod je jako u všech ostatních polovodičových součástek obvykle uveden jejich typ.

Na základě symbolu diody jsou konstruována konvenční označení polovodičových diod se speciálními vlastnostmi. K získání požadovaného symbolu se používají speciální znaky vyobrazené buď na samotném základním symbolu nebo v jeho těsné blízkosti a pro zdůraznění některých z nich je základní symbol umístěn v kruhu – konvenční označení těla polovodičového zařízení.

Tunelové diody

Katoda tunelových diod je označena znakem připomínajícím rovnou konzolu (obr. 4,a). Jsou vyrobeny z polovodičových materiálů s velmi vysokým obsahem nečistot, což vede k přeměně polovodiče na polokov. Vzhledem k neobvyklému tvaru voltampérové ​​charakteristiky (má úsek záporného odporu) se tunelové diody používají k zesilování a generování elektrických signálů a ve spínacích zařízeních. Důležitou výhodou těchto diod je, že mohou pracovat na velmi vysokých frekvencích.

Rýže. 4. Tunelová dioda a její označení.

Typ tunelové diody je reverzní dioda, která má při nízkém napětí na p-n přechodu vyšší vodivost v opačném směru než v propustném směru.

Takové diody se používají v obráceném zapojení. V konvenčním označení invertovaná dioda je čárkovaná katoda znázorněna se dvěma tahy, které se jí dotýkají středem (obr. 4,6).

zenerovy diody

Pevné místo v napájecích zdrojích, zejména nízkonapěťových, si vydobyly polovodičové zenerovy diody, které pracují i ​​na zpětné větvi voltampérové ​​charakteristiky.

Jedná se o planární křemíkové diody vyrobené speciální technologií. Když jsou zapnuty v opačném směru a při určitém napětí na přechodu, tento se „rozbije“ a následně, navzdory nárůstu proudu přes přechod, napětí na něm zůstává téměř nezměněno.

Rýže. 5. Zenerova dioda a její označení na schématech.

Díky této vlastnosti jsou zenerovy diody široce používány jako nezávislé stabilizační prvky, stejně jako zdroje referenčních napětí v tranzistorových stabilizátorech.

Pro získání nízkých referenčních napětí jsou zenerovy diody zapojeny v propustném směru a stabilizační napětí jedné zenerovy diody je rovno 0,7. 0,8 V. Stejných výsledků se dosáhne při zapnutí konvenčních křemíkových diod v propustném směru.

Pro stabilizaci nízkých napětí byly vyvinuty a široce používány speciální polovodičové diody – stabilizátory. Rozdíl mezi nimi a zenerovými diodami je v tom, že pracují na přímé větvi voltampérové ​​charakteristiky, tedy při zapojení v propustném (vodivém) směru.

Pro znázornění zenerovy diody na schématu je katodová čárka symbolu báze doplněna krátkým tahem směřujícím k symbolu anody (obr. 5,a). Je třeba poznamenat, že poloha pomlčky vzhledem k symbolu anody musí být nezměněna bez ohledu na polohu symbolu zenerovy diody na schématu.

To plně platí pro symbol dvouanodové (oboustranné) zenerovy diody (obr. 5,6), kterou lze zapojit do elektrického obvodu v libovolném směru (v podstatě se jedná o dvě stejné zenerovy diody zapojené v opačných směrech).

Varicaps

Přechod elektron-díra, na který je aplikováno zpětné napětí, má vlastnosti kondenzátoru. V tomto případě roli dielektrika hraje samotný p-n přechod, ve kterém je málo volných nosičů náboje, a roli desek hrají přilehlé vrstvy polovodiče s elektrickými náboji různých znaků – elektrony a díry. Změnou napětí přivedeného na p-n přechod je možné změnit jeho tloušťku, a tedy i kapacitu mezi polovodičovými vrstvami.

Rýže. 6. Varikapy a jejich označení na schématech zapojení.

Tento jev se využívá ve speciálních polovodičových součástkách – varicapah [z anglických slov vari(schopný) — variabilní a víčko(acitor) — kondenzátor]. Varikapy jsou široce používány pro ladění oscilačních obvodů, v zařízeních pro automatickou regulaci frekvence a také jako frekvenční modulátory v různých generátorech.

Konvenční grafický symbol varikapu (viz obr. 6,a) jasně odráží jejich podstatu: paralelní čáry jsou vnímány jako symbol kondenzátoru. Nakopávací a variabilní kondenzátory, varikapy, se často vyrábí ve formě bloků (říká se jim matrice) se společnou katodou a samostatnými anodami. Například na obr. 6,6 je znázorněno označení matice dvou varikapů a na obr. 6 in – ze tří.

Tyristory

Na základě základního symbolu diody jsou konstruovány i ty konvenční. označení tyristorů (z řečtiny thyra – dveře a angličtina (resi)stol — rezistor). Jedná se o diody, které jsou střídajícími se vrstvami křemíku s p a n typy elektrické vodivosti. V tyristoru jsou čtyři takové vrstvy, to znamená, že má tři p-n přechody (struktura p-n-p-n).

Tyristory našly široké uplatnění v různých regulátorech střídavého napětí, relaxačních generátorech, spínacích zařízeních atd.

Rýže. 7. Tyristor a jeho označení na schématech zapojení.

Tyristory s vývody pouze z vnějších vrstev struktury se nazývají dynistory a jsou označeny symbolem diody, přeškrtnutým úsečkou rovnoběžnou s čárkovanou katodou (obr. 7,a). Stejná technika se používá při konstrukci označení symetrického dinistoru (obr. 7, b), který vede proud (po zapnutí) v obou směrech.

Tyristory s přídavným (třetím) vývodem (z jedné z vnitřních vrstev konstrukce) se nazývají trinistory. V označení těchto zařízení je katodové řízení znázorněno přerušovanou čarou připojenou ke symbolu katody (obr. 7, c) a anodové řízení je znázorněno čarou pokračující jednou ze stran trojúhelníku symbolizující anodu (obr. 7, d).

Symbol pro symetrický (obousměrný) triak získáme ze symbolu pro symetrický dinistor přidáním třetí svorky (obr. 7,(5).

Fotodiody

hlavní část fotodioda je křižovatka pracující pod zpětným předpětím. Jeho tělo má okénko, kterým je polovodičový krystal osvětlen. Při nedostatku světla je proud přes p-n přechod velmi malý – nepřesahuje zpětný proud běžné diody.

Rýže. 8. Fotodiody a jejich znázornění ve schématech.

Když je krystal osvětlen, zpětný odpor přechodu prudce klesá a proud přes něj se zvyšuje. Pro znázornění takové polovodičové diody na schématu je základní symbol diody umístěn v kruhu a vedle něj (vlevo nahoře, bez ohledu na polohu symbolu) je znázorněn znak fotoelektrického jevu – dvě šikmé rovnoběžné šipky směřující k symbolu (obr. 8,a).

Podobným způsobem není obtížné sestrojit konvenční označení pro jakékoli jiné polovodičové zařízení, které mění své vlastnosti vlivem optického záření. Jako příklad je na obr. 8,6 uvedeno označení fotodinistoru.

LED a LED indikátory

Polovodičové diody, které vyzařují světlo při průchodu proudu p-n přechodem, se nazývají světelné diody. Tyto diody se zapínají v propustném směru. Konvenční grafický symbol svítivé diody je podobný symbolu fotodiody a liší se od něj tím, že šipky označující optické záření jsou umístěny vpravo od kruhu a směřují v opačném směru (obr. 9).

Rýže. 9. LED a jejich znázornění ve schématech.

Pro zobrazení čísel, písmen a dalších symbolů v nízkonapěťových zařízeních se často používají LED indikátory, což jsou sady krystalů vyzařujících světlo uspořádaných určitým způsobem a vyplněných průhledným plastem.

Normy Unified System for Design Documentation (ESKD) neumožňují konvenční označení takových výrobků, ale v praxi se často používají symboly podobné těm, které jsou na obr. 10 (symbol sedmisegmentového indikátoru pro zobrazení čísel a čárky).

Rýže. 10. Označení segmentových LED indikátorů.

Jak je vidět, takovéto grafické označení jasně odráží skutečné uspořádání světelných prvků (segmentů) v indikátoru, i když není bez nevýhody: nenese informaci o polaritě vývodů indikátoru v elektrickém obvodu (indikátory se vyrábí jak se společnou anodovou vývodkou pro všechny segmenty, tak se společnou katodovou vývodkou).

To však obvykle nezpůsobuje žádné zvláštní potíže, protože připojení společného výstupu indikátoru (stejně jako mikroobvody) je uvedeno ve schématu.

Optočleny

Světlo emitující krystaly jsou široce používány v optočlenech – speciálních zařízeních sloužících ke spojení jednotlivých částí elektronických zařízení v případech, kdy je vyžadováno jejich galvanické oddělení. Na schématech jsou znázorněny optočleny, jak je znázorněno na obr. 11.

Optické spojení světelného zářiče (LED) s fotodetektorem je znázorněno dvěma rovnoběžnými šipkami kolmými na výstupní vedení optočlenu. Fotodetektorem v optočlenu může být nejen fotodioda (obr. 11,a), ale také fotorezistor (obr. 11,6,b), fotodinistor (obr. 11,c) atd. Vzájemná orientace symbolů zářiče a fotodetektoru není regulována.

Rýže. 11. Označení optočlenů (optočlenů).

V případě potřeby mohou být součásti optočlenu znázorněny samostatně, ale v tomto případě by měl být symbol optické spojky nahrazen symbolem optického záření a symbolu fotoelektrického jevu a příslušnost dílů k optočlenu by měla být uvedena v označení polohy (obr. 11, g).

Literatura: V.V. Frolov, Jazyk rádiových okruhů, Moskva, 1998.