Как работает диод и светодиод?

1. Контролировать поток
2. Диодная полярность и символы
3. Легирование полупроводников
4. Прямое напряжение и поломки
5. Семья Диодов - наконец-то вместе
6. Стандартные диоды
7. Выпрямительные диоды
8. Диоды Шоттки
9. Стабилитроны
10. Фотодиоды
11. Светодиоды (светодиоды)
12. Наиболее распространенное использование диодов
13. Преобразование переменного тока в постоянный
14. Управление шипами напряжения
15. Защита вашего тока
16. Время течь бесплатно

С возвращением, Капитаны Компонентов! Сегодня пришло время повысить уровень своих знаний и выйти за рамки простых пассивных компонентов в область полупроводниковые компоненты , Эти части оживают, когда подключены к цепи, и могут управлять электричеством разными способами! Вы будете работать с двумя полупроводниковыми компонентами: диодом и транзистором. Сегодня мы поговорим о диоде, печально известном уродце управления, который позволяет электричеству течь только в одном направлении! Если вы видели светодиод в действии, значит, вы уже далеко впереди, давайте начнем.

Контролировать поток

Диод хорошо известен своей способностью контролировать протекание электрического тока в цепи. В отличие от пассивных компонентов, которые бездействуют, сопротивляясь или накапливая силы, диоды активно держат руки глубоко в приливе и оттоке тока, когда он проходит по всем нашим устройствам. Есть два способа описать, как ток будет течь или не будет течь через диод, и они включают в себя:

• Смещен в прямом направлении. Когда вы правильно вставите батарею в цепь, ток будет проходить через диод; это называется предвзятым состоянием.
• Обратный предвзятым. Когда вам удастся вставить батарею в цепь в обратном направлении, тогда ваш диод заблокирует ток, и это называется состоянием с обратным смещением.

Простой способ визуализировать разницу между прямым и обратным смещением состояний диода в простой схеме

Хотя эти два термина могут показаться слишком сложными, представьте себе диод как переключатель. Он либо замкнут (включен) и пропускает ток через него, либо он разомкнут (выключен), и ток не может протекать через него.

Диодная полярность и символы

Диоды являются поляризованными компонентами, что означает, что они имеют очень специфическую ориентацию, поэтому для правильной работы их необходимо подключить к цепи. На физическом диоде вы заметите две клеммы, идущие от жестяной коробки в середине. Одна сторона - положительный терминал, называемый анодом . Другой терминал - это отрицательный конец, называемый катодом. Возвращаясь к нашему потоку электричества, ток может двигаться только в диоде от анода к катоду, и никак иначе.

Вы можете заметить катодную сторону на физическом диоде, посмотрев на серебряную полосу возле одного из выводов. ( Источник изображения )

Вы можете легко заметить диод на схеме, просто посмотрите на большую стрелку с линией, проходящей через него, как показано ниже. У некоторых диодов и анод, и катод будут помечены как положительные и отрицательные, но простой способ запомнить, как течет ток в диоде, состоит в том, чтобы следовать направлению стрелки.

Стрелка на символе диода указывает направление, по которому течет ток.

В наши дни вы найдете большинство диодов, изготовленных из двух самых популярных полупроводниковых материалов в электронике - кремний или же германий , Но если вы что-то знаете о полупроводниках, то вы будете знать, что в их естественном состоянии ни один из этих элементов не проводит электричество. Итак, как нам заставить электричество течь через кремний или германий? С небольшим фокусом под названием допинг.

Легирование полупроводников

Полупроводниковые элементы странные. Давайте возьмем кремний для примера. Это изолятор днем, но если вы добавите в него примеси посредством процесса, называемого допингом, то вы дадите ему магическую силу проводить электричество ночью.

Из-за их двойных возможностей как изолятора, так и проводника, полупроводники нашли свою идеальную нишу в компонентах, которые должны управлять потоком электрического тока в виде диодов и транзисторов. Вот как процесс легирования работает в типичном куске кремния.

• Вырасти это. Во-первых, кремний выращивается в строго контролируемой лабораторной среде. Это называется чистой комнатой, что означает, что в ней нет пыли и других загрязнений.
• Допейте это негативно. С кремнием все выросло, теперь настало время, чтобы справиться с этим. Этот процесс может идти одним из двух способов. Во-первых, легировать кремний сурьма , что дает ему несколько дополнительных электронов и позволяет кремнию проводить электричество. Это называется кремнием n-типа или отрицательного типа, потому что в нем больше отрицательных электронов, чем обычно.
• Допинг это положительно. Вы также можете легировать кремний в обратном направлении. Добавляя бор для кремния это удаляет электроны из атома кремния, оставляя кучу пустых отверстий там, где должны быть электроны. Это называется кремнием p-типа или положительного типа.
• Объедините это . Теперь, когда ваши кусочки кремния легированы как положительно, так и отрицательно, вы можете соединить их вместе. Соединяя кремний n-типа и p-типа, вы создаете то, что называется соединением.

Именно в этом соединении, которое можно представить как некую ничейную землю, где происходит вся магия в диоде. Допустим, вы соединяете кремний n-типа и p-типа, а затем подключаете аккумулятор, создавая цепь. Что случится?

В этом случае отрицательный вывод соединен с кремнием n-типа, а положительный вывод соединен с кремнием p-типа. А не земное пространство между двумя кусками кремния? Ну, это начинает уменьшаться, и электрический ток начинает течь! Это смещенное вперед состояние диода, о котором мы говорили в начале.

Правильное подключение батареи к кремнию n-типа и p-типа позволяет току течь через соединение. (Источник изображения)

Теперь, скажем, вы подключаете свою батарею наоборот, с отрицательным выводом, подключенным к кремнию p-типа, и положительным выводом, подключенным к кремнию n-типа. Здесь происходит то, что ничья между двумя частями кремния становится шире, и ток вообще не течет. Это состояние с обратным смещением, которое может принять диод.

Поднимите аккумулятор в непреднамеренном направлении, и ваш диод прекратит ток между n-типом и p-типом. ( Источник изображения )

Прямое напряжение и поломки

Когда вы работаете с диодами, вы узнаете, что для пропуска тока требуется очень определенное количество положительного напряжения. Напряжение, необходимое для включения диода, называется прямым напряжением (VF). Вы также можете увидеть его как включенное или пониженное напряжение.

От чего зависит это прямое напряжение? Полупроводниковый материал и тип . Вот как это ломается:

• Кремниевые диоды. Использование кремниевого диода потребует прямого напряжения от 0,6 до 1 В.
• Германиевые диоды. Использование диода на основе германия потребует более низкого прямого напряжения около 0,3 В.
• Другие диоды. Специализированные диоды, такие как светодиоды, потребуют более высокого прямого напряжения, тогда как диоды Шоттки (см. Ниже) потребуют более низкого прямого напряжения. Лучше проверить таблицу для вашего конкретного диода, чтобы определить его номинальное напряжение.

Теперь я знаю, что мы все это время говорили о диодах, позволяющих току течь только в одном направлении, но это правило может быть нарушено. Если вы приложите огромное отрицательное напряжение к диоду, то вы действительно можете изменить направление его тока! Определенное количество напряжения, которое вызывает этот обратный поток, называется напряжение пробоя , Для нормальных диодов напряжение пробоя составляет от -50 до -100 В. Некоторые специализированные диоды даже предназначены для работы при этом отрицательном напряжении пробоя, о котором мы поговорим позже.

Семья Диодов - наконец-то вместе

Есть тонна диодов, каждый со своими специализированными способностями. И хотя каждый из них имеет общую основу ограничения потока тока, вы можете использовать эту общую основу для создания множества различных применений. Давайте проверим каждого члена семейства диодов!

Стандартные диоды

Ваш средний диод. Стандартные диоды имеют умеренное требование к напряжению и низкий максимальный номинальный ток.

Стандартный, повседневный диод, доступный от Digi-Key, обратите внимание на серебряную полосу, которая отмечает конец катода. ( Источник изображения )

Выпрямительные диоды

Это более мощные братья и сестры стандартных диодов, имеющие максимальный номинальный ток и прямое напряжение. Они в основном используются в источниках питания.

Более крепкие братья и сестры стандартного диода, разница заключается в большем номинальном токе и прямом напряжении.

Диоды Шоттки

Это причудливый двоюродный брат из семейства диодов. Диод Шоттки пригодится, когда вам нужно ограничить величину потери напряжения в вашей цепи. Вы можете идентифицировать диод Шоттки на схеме, отыскивая свой типичный символ диода с добавлением двух новых изгибов (S-образной формы) на катодном выводе.

Посмотрите на изгибы катодного конца диода, чтобы быстро идентифицировать его как Шоттки.

Стабилитроны

Стабилитроны - это паршивые овцы семейства диодов. Эти ребята используются для передачи электрического тока в противоположном направлении! Они делают это, используя напряжение пробоя, которое мы обсуждали выше, также называемое пробой стабилизации. Воспользовавшись этой возможностью пробоя, диоды Зенера велики на создание стабильного опорного напряжения в определенном месте в цепи.

Стабилитрон выглядит поразительно отличающимся от остальной части семейства диодов и может передавать ток от катода к аноду. ( Источник изображения )

Фотодиоды

Фотодиоды - это мятежные подростки из семейства диодов. Вместо того, чтобы просто пропускать ток через цепь, фотодиоды захватывают энергию от источника света и превращают ее в электрический ток. Вы найдете их для использования в солнечных панелях, а также в оптической связи.

Фотодиоды принимают все это, улавливая энергию света и превращая ее в электрический ток. ( Источник изображения )

Светодиоды (светодиоды)

Сияющие звезды семейства диодов. Как и стандартные диоды, светодиоды позволяют току течь только в одном направлении, но с поворотом! Когда подается правильное прямое напряжение, эти светодиоды загораются яркими цветами. Но здесь есть одна загвоздка: для определенных цветов светодиода требуются разные прямые напряжения. Например, для синего светодиода требуется прямое напряжение 3,3 В, тогда как для красного светодиода требуется только 2,2 В, чтобы начать светиться.

Что делает эти светодиоды такими чертовски популярными?

• Эффективность Светодиоды производят электронное освещение без откачки тонны тепла, как традиционные лампы накаливания. Это позволяет им сэкономить тонну энергии.
• Контроль. Светодиоды также очень легко контролировать в электронной схеме. Пока у них есть резистор, он должен работать!
• Недорогой. Светодиоды также очень недороги и рассчитаны на длительное использование. Вот почему вы найдете, что они так часто используются в сигналах трафика, дисплеях и для инфракрасных сигналов.

Светодиоды бывают разных форм и цветов, каждый из которых требует разного прямого напряжения, чтобы загореться! ( Источник изображения )

Наиболее распространенное использование диодов

Поскольку диоды бывают самых разных форм, размеров и конфигураций, их использование в наших электронных схемах одинаково богато! Вот лишь некоторые из способов, которыми вы увидите используемые диоды:

Преобразование переменного тока в постоянный

Конверсионный процесс перевода Переменный ток (AC) в постоянный ток (DC) может быть обработан только диодами! Этот процесс выпрямления (преобразования) тока - это то, что позволяет подключить всю вашу повседневную электронику постоянного тока к розетке переменного тока в вашем доме. Существует два типа приложений преобразования, в которых диод играет свою роль:

• Полуволновое выпрямление. Для этого преобразования требуется только один диод. Если вы посылаете сигнал переменного тока в цепь, то ваш единственный диод отсекает отрицательную часть сигнала, оставляя только положительный вход в качестве волны постоянного тока.
  

  Один диод в полуволновой выпрямительной цепи отключает отрицательный конец сигнала переменного тока. ( Источник изображения )

• Двухполупериодное мостовое выпрямление . Этот процесс преобразования использует четыре диода. И вместо того, чтобы просто отключить отрицательную часть сигнала переменного тока, такого как полуволновой выпрямитель, этот процесс фактически преобразует все отрицательные волны в сигнале переменного тока в положительные волны для сигнала готовности к постоянному току.
  

  Двухполупериодный мостовой выпрямитель делает шаг вперед, преобразуя весь положительный и отрицательный сигнал переменного тока в постоянный ток. ( Источник изображения )

Управление шипами напряжения

Вы также найдете диоды, используемые в приложениях, где могут возникнуть неожиданные скачки напряжения. Диоды в этих приложениях могут ограничить любое повреждение, которое может произойти с устройством, поглощая любое избыточное напряжение, которое попадает в диапазон напряжения пробоя диода.

Защита вашего тока

Наконец, вы также найдете диоды, используемые для защиты чувствительных цепей. Если вы когда-нибудь неправильно разбили батарею и ничего не взорвалось, вы можете поблагодарить за это свой дружелюбный диод. Поместив диод последовательно с положительной стороной источника питания, он гарантирует, что ток течет только в правильном направлении.

Время течь бесплатно

Вот и все, управляющий диод и все его сумасшедшие члены семьи! У диодов есть масса применений: от питания этих ярких красочных светодиодных ламп до преобразования переменного тока в постоянный. Но для всех этих удивительных применений, почему диод не получил столько рекламы, как транзистор или интегральная схема? Мы думаем, что все сводится к тому, что на кухне слишком много поваров. Первый диод был открыт почти 150 лет назад, и с тех пор сотни инженеров и ученых приложили свои усилия для улучшения этого открытия. Несмотря на свою долгую историю со многими личностями, некоторые по-прежнему считают диод четвертое по важности изобретение со времен колеса ,

Знаете ли вы, что Autodesk EAGLE включает в себя массу бесплатных библиотек диодов, которые вы можете начать использовать сегодня? Пропустить создание части занятой работой, попробуйте Autodesk EAGLE бесплатно сегодня !