Почему вакуумный диод обладает односторонней проводимостью? вольт амперная характеристика диода

Что представляет собой данный элемент электрических схем

Прежде чем приступить к рассмотрению вопроса о том, какая цветовая маркировка таких элементов существует, нужно разобраться, что это вообще такое.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Стабилитрон представляет собой полупроводниковый диод, который предназначается для стабилизации в электросхеме постоянного напряжения на нагрузке. Наиболее часто такой диод используется для стабилизации напряжения в различных источниках питания. Данный диод (smd) имеет участок с обратной веткой вольт-амперной характеристики, которая наблюдается в области электрического пробоя.

Имея такую область, стабилитрон в ситуации изменения параметра тока, протекающего через диод от IСТ.МИН до IСТ.МАКС практически не наблюдается изменений показателя напряжения. Данный эффект применяется для стабилизации напряжения. В ситуации, когда к смд подключена параллельно нагрузка RH, тогда напряжение диода будет оставаться постоянным, причем в указанных пределах изменения тока, текущего через стабилитрон.

Кроме смд существуют еще и стабистроны, которые включаются при прямом включении. Они применяются в ситуации, когда есть необходимость стабилизировать напряжение в определенном диапазоне. Обычный диод можно использовать тогда, когда нужно стабилизировать напряжение в диапазоне от 0,3 до 0,5 В. Область их прямого смещения наблюдается при падении напряжения до 0,7 – 2v. При этом оно практически не зависит от силы тока. Стабисторы в своей работе применяют прямую ветвь вольт-амперной характеристики. Их также следует включать при прямом подключении. Хотя это будет не самое лучшее решение, поскольку стабилитрон в такой ситуации будет все же более эффективен. Стабисторы, как и smd, производятся зачастую из кремния. Стабилитроны маркируют по их основным характеристикам. Эта маркировка имеет следующий вид:

• UСТ. Эта маркировка означает номинальное напряжение для стабилизации;
• ΔUСТ. Означает отклонение показателя напряжения номинального напряжения стабилизации;
• IСТ. Обозначает ток, который протекает через диод при номинальном напряжении стабилизации;
• IСТ.МИН — минимальное значение тока, которые течет через стабилитрон. При этом значении такой smd диод будет иметь напряжение в диапазоне UСТ ± ΔUСТ;
• IСТ.МАКС. Означает максимально допустимую величину тока, которая может течь через стабилитрон.

Такая маркировка важна при выборе элемента под определенную электросхему.

Как устроены и чем отличаются светодиоды разных типов

Светодиоды можно классифицировать по разным критериям. Основное отличие – в технологии и электрических параметрах.

DIP

Сокращение DIP пошло от слов Direct In-line Package. Такие светодиоды известны еще с конца прошлого века. Устройство представляет собой стеклянную или пластиковую прозрачную колбу размером 3 или 5 мм, в которой находится полупроводниковый кристалл. Колба является линзой и формирует направленный пучок света. Кристалл закрепляется на катоде, который с помощью провода соединяется с анодом. Из корпуса выходят контакты в виде металлических ножек, через которые светодиод и включается в схему.

По форме бывают круглые, овальные, прямоугольные. Напряжение питания – до 5 В при 25 мА.

Обычно внутри линзы располагается один кристалл, но есть модели с двумя и более разных цветов. Такие модели могут оснащаться тремя и четырьмя выводами. Принцип работы светодиода подобного вида задает микрочип.

Dip светодиоды являются малоточными, они используются в гирляндах, для индикации, в подсветке, уличном освещении. По сравнению с SMD диодами они имеют следующие преимущества:

• яркость;
• направленный световой поток;
• долгий срок службы при работе на улице;
• потребление электроэнергии.

Основной недостаток – большой размер, от 3 мм.

SMD

Светодиоды SMD – это приборы для крепления на поверхность. В настоящее время этот тип диодов является самым востребованным. С их появлением расширились возможности создания осветительных систем. Начали уменьшаться размеры светильника, монтаж автоматизирован.

Как устроен светодиод SMD — излучающий кристалл закреплен на подложке, от которой отводится тепло. К ней вмонтированы выходы. Внутри размещен управляющий чип. Защитой является овальная или сферическая линза из стекла или пластика.

Преимущества SMD:

• небольшая цена;
• надежность;
• срок службы;
• высокая светоотдача.

SMD светодиоды в смеху включаются при помощи специального клея. Самые маленькие диоды имеют размер 0,6х0,3 мм. Максимальная яркость – 8000 кд/кв.м.

Существует технология, при которой кристалл наносится на проводящую подложку без использования корпуса. В качестве защиты используется специальный слой, который выбирается по назначению светодиодов.

Используются для подсветки интерьеров, уличных билбордов, рекламных экранов с широким разрешением.

COB

Chip On Board (COB) светодиоды имеют большое количество кристаллов на одной подложке. Также их называют светодиодной матрицей. Сверху заливается люминофором.

Основные преимущества:

• простота монтажа;
• хороший поток света;
• высокий CRI;
• разнообразие форм.

Недостатки:

• стоимость;
• самый срок службы;
• светоотдача ниже, чем у SMD.

КОБы активно используются в создании ярких прожекторов и в других светильниках, где требуется акцентированная подсветка.

Технология изготовления и конструкция выпрямительных диодов.

Конструкция выпрямительных диодов представляет собой одну пластину кристалла полупроводника, в объеме которой созданы две области разной проводимости, поэтому такие диоды называют плоскостными.

Технология изготовления таких диодов заключается в следующем:на поверхность кристалла полупроводника с электропроводностью n-типа расплавляют алюминий, индий или бор, а на поверхность кристалла с электропроводностью p-типа расплавляют фосфор.

Под действием высокой температуры эти вещества крепко сплавляются с кристаллом полупроводника. При этом атомы этих веществ проникают (диффундируют) в толщу кристалла, образуя в нем область с преобладанием электронной или дырочной электропроводностью. Таким образом получается полупроводниковый прибор с двумя областями различного типа электропроводности — а между ними p-n переход. Большинство распространенных плоскостных кремниевых и германиевых диодов изготавливают именно таким способом.

Для защиты от внешних воздействий и обеспечения надежного теплоотвода кристалл с p-n переходом монтируют в корпусе.Диоды малой мощности изготавливают в пластмассовом корпусе с гибкими внешними выводами, диоды средней мощности – в металлостеклянном корпусе с жесткими внешними выводами, а диоды большой мощности – в металлостеклянном или металлокерамическом корпусе, т.е. со стеклянным или керамическим изолятором. Пример выпрямительных диодов германиевого (малой мощности) и кремниевого (средней мощности) показан на рисунке ниже.

Кристаллы кремния или германия (3) с p-n переходом (4) припаиваются к кристаллодержателю (2), являющемуся одновременно основанием корпуса. К кристаллодержателю приваривается корпус (7) со стеклянным изолятором (6), через который проходит вывод одного из электродов (5).

Маломощные диоды, обладающие относительно малыми габаритами и весом, имеют гибкие выводы (1) с помощью которых они монтируются в схемах.У диодов средней мощности и мощных, рассчитанных на значительные токи, выводы (1) значительно мощнее. Нижняя часть таких диодов представляет собой массивное теплоотводящее основание с винтом и плоской внешней поверхностью, предназначенное для обеспечения надежного теплового контакта с внешним теплоотводом (радиатором).

Самостоятельное изготовление

Выпрямительные однофазные мосты обычно не являются дефицитными радиодеталями, поэтому их можно купить и выбрать по необходимым параметрам практически в любом радиомагазине. Но не всегда есть на это время, поэтому нужный мост можно собрать и своими руками. Для этого понадобится подготовить:

1. Четыре одинаковых по своим характеристикам диода. Можно в принципе брать и любые, но следует понимать, что общие параметры моста будут определяться самым слабым элементом.
2. Монтажный провод.
3. Паяльник.
4. Пинцет.
5. Флюс и припой.
6. Бокорезы.
7. Электрическую схему диодного моста выпрямителя.

После того как всё подготовлено, на первом этапе залуживают выводы диодов. Для этого ножки радиоэлементов смазываются флюсом, и на них с помощью разогретого паяльника переносится олово, образующее тонкий слой. На следующем этапе диоды соединяются согласно схеме.

Для этого необходимо знать, где у элемента катод, а где анод. На схеме аноду соответствует вершина треугольника, а катоду — основание. На самом же элементе обозначается только анод. Это может быть полоска, точка или условно-графическое обозначение, смещённое к одному из выводов.

Затем берутся два элемента, и анод одного соединяется с катодом другого. Аналогичное действие повторяется и для оставшихся элементов. В итоге получается пара, каждая из которых состоит из двух диодов. Далее, между собой спаиваются катоды, а поле — аноды. После того как диоды соединены к точкам пайки, подсоединяются проводники, формирующие выводы устройства. На последнем этапе конструкция проверяется с помощью мультиметра.

Устройство

Вакуумный диод – самая простая
электронная лампа в виде стеклянного или металлокерамического баллона без
воздуха. В емкость с вакуумом размещаются 2 электрода. У катода форма цилиндра,
он покрывается оксидом бария, стронция или кальция, увеличивающих количество
электродов, испускаемых при нагревании. Анод изготавливается овальной или
круглой формы, устанавливается на одну ось с катодом.

Выводы электродов выводятся сквозь стенки баллона. Если емкость металлокерамическая, в ней сверлятся отверстия, в которые впаиваются бусинки из стекла. В баллоне из стекла выводы впаиваются в основной материал. У анода один вывод. Если катодом служит нить какала, то выводов два (от каждого конца). При встраивании подогревного катода выводов три (2 от нити, один – от вещества, выделяющего электроны).

Электровакуумный диод тоже лампа электронного типа, по строению мало отличающаяся от вакуумного варианта. Основная особенность – строение катода. В электровакуумных моделях он прямой, W-образный или V-образный. При использовании двух последних вариантов удлиняется нить накала.

Форма анода вакуумного диода –
прямоугольник с круглыми углами. Основное преимущество – одинаковое расстояние
любой точки поверхности до минусового электрода. Для отвода избытка тепла анод
может быть оснащен «крылышками». Чтобы увеличить удобство использования, такие
лампочки оснащаются цоколем, изготовленным из диэлектрика, со штырьками,
обеспечивающими контакт с ламповой панелью.

Основные неисправности диодов

Иногда приборы подобного типа выходят из строя, это может происходить из-за естественной амортизации и старения данных элементов или по иным причинам.

Всего выделяют 3 основных типа распространенных неисправностей:

1. Пробой перехода приводит к тому, что диод вместо полупроводникового прибора становится по своей сути самым обычным проводником. В таком состоянии он лишается своих основных свойств и начинает пропускать электрический ток в абсолютно любом направлении. Подобная поломка легко выявляется при помощи стандартного мультиметра, который начинает подавать звуковой сигнал и показывать низкий уровень сопротивления в диоде.
2. При обрыве происходит обратный процесс – прибор вообще перестает пропускать электрический ток в каком-либо направлении, то есть он становится по своей сути изолятором. Для точности определения обрыва, необходимо использовать тестеры с качественными и исправными щупами, в противном случае, они могут иногда ложно диагностировать данную неисправность. У сплавных полупроводниковых разновидностей такая поломка встречается крайне редко.
3. Утечка, во время которой нарушается герметичность корпуса прибора, вследствие чего он не может исправно функционировать.

Пробой p-n-перехода

Подобные пробои происходят в ситуациях, когда показатели обратного электрического тока начинают внезапно и резко расти, происходит это из-за того, что напряжение соответствующего типа достигает недопустимых высоких значений.

Обычно различается несколько видов:

1. Тепловые пробои, которые вызваны резким повышением температуры и последующим перегревом.
2. Электрические пробои, возникающие под воздействием тока на переход.

График вольт-амперной характеристики позволяет наглядно изучать эти процессы и разницу между ними.

Электрический пробой

Последствия, вызываемые электрическими пробоями, не носят необратимого характера, поскольку при них не происходит разрушение самого кристалла. Поэтому при постепенном понижении напряжения можно восстановить всей свойства и рабочие параметры диода.

При этом, пробои такого типа делятся на две разновидности:

1. Туннельные пробои происходят при прохождении высокого напряжения через узкие переходы, что дает возможность отдельно взятым электронам проскочить через него. Обычно они возникают, если в полупроводниковых молекулах имеется большое количество разных примесей. Во время такого пробоя, обратный ток начинает резко и стремительно расти, а соответствующее напряжение находится на низком уровне.
2. Лавинные разновидности пробоев возможны благодаря воздействию сильных полей, способных разогнать носителей заряда до предельного уровня из-за чего они вышибают из атомов ряд валентных электронов, которые после этого вылетают в проводимую область. Это явление носит лавинообразный характер, благодаря чему данный вид пробоев и получил такое название.

Тепловой пробой

Возникновение такого пробоя может произойти по двум основным причинам: недостаточный теплоотвод и перегрев p-n-перехода, который происходит из-за протекания через него электрического тока со слишком высокими показателями.

Повышение температурного режима в переходе и соседних областях вызывает следующие последствия:

1. Рост колебания атомов, входящих в состав кристалла.
2. Попадание электронов в проводимую зону.
3. Резкое повышение температуры.
4. Разрушение и деформация структуры кристалла.
5. Полный выход из строя и поломка всего радиокомпонента.

Назначение

Ниже приводятся основные области применения диодов, на примере которых становится понятно их основное назначение:

1. Диодные мосты представляют собой 4, 6 или 12 диодов, соединенных между собой, их количество зависит от типа схемы, которая может быть однофазной, трехфазной полумостовой или трехфазной полномостовой. Они выполняют функции выпрямителей, такой вариант чаще всего используется в автомобильных генераторах, поскольку внедрение подобных мостов, а также использование вместе с ними щеточно-коллекторных узлов, позволило в значительной степени сократить размеры данного устройства и увеличить степень его надежности. Если соединение выполнено последовательно и в одну сторону, то это повышает минимальные показатели напряжения, которое потребуется для отпирания всего диодного моста.
2. Диодные детекторы получаются при комбинированном использовании данных приборов с конденсаторами. Это необходимо для того, чтобы было можно выделить модуляцию с низкими частотами из различных модулированных сигналов, в том числе амплитудно-модулированной разновидности радиосигнала. Такие детекторы являются частью конструкции многих бытовых потребителей, например, телевизоров или радиоприемников.
3. Обеспечение защиты потребителей от неверной полярности при включении схемных входов от возникающих перегрузок или ключей от пробоя электродвижущей силой, возникающей при самоиндукции, которая происходит при отключении индуктивной нагрузки. Для обеспечения безопасности схем от возникающих перегрузок, применяется цепочка, состоящая из нескольких диодов, имеющих подключение к питающим шинам в обратном направлении. При этом, вход, которому обеспечивается защита, должен подключаться к середине этой цепочки. Во время обычного функционирования схемы, все диоды находятся в закрытом состоянии, но если ими было зафиксировано, что потенциал входа ушел за допустимые пределы напряжения, происходит активация одного из защитных элементов. Благодаря этому, данный допустимый потенциал получает ограничение в рамках допустимого питающего напряжения в сумме с прямым падением показателей напряжение на защитном приборе.
4. Переключатели, созданные на основе диодов, используются для осуществления коммутации сигналов с высокими частотами. Управление такой системой осуществляется при помощи постоянного электрического тока, разделения высоких частот и подачи управляющего сигнала, которое происходит благодаря индуктивности и конденсаторам.
5. Создание диодной искрозащиты. Используются шунт-диодные барьеры, которые обеспечивают безопасность путем ограничения напряжения в соответствующей электрической цепи. В совокупности с ними применяются токоограничительные резисторы, которые необходимы для ограничения показателей электрического тока, проходящего через сеть, и увеличения степени защиты.

Использование диодов в электронике на сегодняшний день весьма широко, поскольку фактически ни одна современная разновидность электронного оборудования не обходится без этих элементов.

Специальные типы диодов[править]

• Стабилитроны (диод Зенера (Зинера)). Используют обратную ветвь характеристики диода с обратимым пробоем для стабилизации напряжения.
• Туннельные диоды (диоды Лео Исаки). Диоды, существенно использующие квантовомеханические эффекты. Имеют область т. н. «отрицательного сопротивления» на вольт-амперной характеристике. Применяются как усилители, генераторы и пр.
• Варикапы. Используется то, что запертый p—n-переход обладает большой ёмкостью, причём ёмкость зависит от обратного напряжения.
• Светодиоды (диоды Генри Раунда). В отличие от обычных диодов, при рекомбинации электронов и дырок в переходе излучают свет в видимом диапазоне, а не в инфракрасном.
• Полупроводниковые лазеры. По устройству близки к светодиодам, однако имеют лазерный резонатор, излучают когерентный свет.
• Фотодиоды. Запертый фотодиод открывается под действием света.
• Диоды Ганна. Используются для генерации и преобразования частоты в СВЧ диапазоне.
• Диод Шоттки. Диод с малым падением напряжения при прямом включении.
• Лавинно-пролётный диод. Диод, работающий за счёт лавинного пробоя.
• Магнитодиод. Диод, вольт-амперная характеристика которого существенно зависит от значения индукции магнитного поля и расположения его вектора относительно плоскости p-n-перехода.
• Стабисторы. При работе используется участок ветви вольт-амперной характеристики, соответствующий «прямому напряжению» на диоде.
• Смесительный диод — в качестве нелинейного элемента, для перемножения двух и более высокочастотных сигналов.