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Eigenschaften von Dioden, Designs und Anwendungsmerkmale

 


Eigenschaften von Dioden, Designs und Anwendungsmerkmale

Eigenschaften von DiodenIm vorherigen Artikel haben wir mit der Erforschung begonnen Halbleiterdiode. In diesem Artikel werden die Eigenschaften von Dioden, ihre Vor- und Nachteile, verschiedene Designs und Merkmale der Anwendung in elektronischen Schaltungen betrachtet.


Strom-Spannungs-Kennlinie der Diode

Die Strom-Spannungs-Kennlinie (CVC) einer Halbleiterdiode ist in Abbildung 1 dargestellt.

Hier sind in einer Abbildung die IV-Eigenschaften von Germanium- (blau) und Silizium- (schwarz) Dioden dargestellt. Es ist leicht zu bemerken, dass die Eigenschaften sehr ähnlich sind. Auf den Koordinatenachsen gibt es keine Zahlen, da sie sich für verschiedene Diodentypen erheblich unterscheiden können: Eine leistungsstarke Diode kann einen Gleichstrom von mehreren zehn Ampere durchlassen, während eine Diode mit geringer Leistung nur einige zehn oder hundert Milliampere übertragen kann.

Es gibt sehr viele Dioden verschiedener Modelle, und alle können unterschiedliche Zwecke haben, obwohl ihre Hauptaufgabe die Haupteigenschaft ist Einwegstromleitung. Diese Eigenschaft ermöglicht die Verwendung von Dioden in Gleichrichtern und Detektorgeräten. Es ist jedoch zu beachten, dass derzeit Germaniumdioden sowie Transistoren nicht mehr verwendet werden.

Strom-Spannungs-Kennlinie der Diode

Abbildung 1. Strom-Spannungs-Kennlinie der Diode


Der direkte Zweig des CVC

Im ersten Quadranten des Koordinatensystems gibt es einen geraden Zweig der Kennlinie, wenn die Diode in direkter Verbindung steht - der positive Anschluss der Stromquelle bzw. der negative Anschluss zur Kathode ist mit der Anode verbunden.

Wenn die Durchlassspannung Upr ansteigt, beginnt auch der Durchlassstrom Ipr anzusteigen. Während dieser Anstieg unbedeutend ist, hat die Grafiklinie einen leichten Anstieg, die Spannung wächst viel schneller als der Strom. Mit anderen Worten, trotz der Tatsache, dass die Diode in Vorwärtsrichtung eingeschaltet ist, kein Strom durch sie fließt, ist die Diode praktisch verriegelt.

Wenn ein bestimmter Spannungspegel erreicht ist, erscheint ein Knick an der Kennlinie: Die Spannung ändert sich praktisch nicht und der Strom wächst schnell. Diese Spannung wird aufgerufen Gleichspannungsabfall über der Diode, auf dem Merkmal wird als Uд bezeichnet. Bei den meisten modernen Dioden liegt diese Spannung im Bereich von 0,5 bis 1 V.


Die Abbildung zeigt, dass die Gleichspannung für eine Germaniumdiode etwas geringer ist (0,3 ... 0,4 V) als für ein Silizium (0,7 ... 1,1 V). Wenn der Gleichstrom durch die Diode mit der Durchlassspannung multipliziert wird, ist das Ergebnis nichts weiter als die von der Diode Pd = Ud * I verbrauchte Leistung.

Wenn diese Leistung relativ akzeptabel überschritten wird, kann es zu Überhitzung und Zerstörung des pn-Übergangs kommen. Deshalb ist die Referenz auf beschränkt maximaler Durchlassstromund nicht Strom (es wird angenommen, dass die Gleichspannung bekannt ist). Um überschüssige Wärme abzuleiten, sind leistungsstarke Dioden auf Kühlkörpern installiert - Heizkörpern.


Verlustleistung durch Diode

Das Vorstehende wird in Fig. 2 erläutert, die den Einschluss einer Last, in diesem Fall einer Glühbirne, durch eine Diode zeigt.

Einschalten über Diode

Abbildung 2. Einschalten der Last über die Diode

Stellen Sie sich vor, die Nennspannung einer Batterie und einer Glühbirne beträgt 4,5 V. Mit dieser Einbeziehung fällt 1 V auf die Diode ab, dann erreichen nur 3,5 V die Glühlampe. Natürlich wird praktisch niemand eine solche Schaltung sammeln, dies soll nur veranschaulichen, wie und was die Gleichspannung an der Diode beeinflusst.

Angenommen, die Glühlampe hat den Strom im Stromkreis auf genau 1A begrenzt. Dies dient zur Vereinfachung der Berechnung. Wir werden auch nicht berücksichtigen, dass die Glühbirne ein nichtlineares Element ist und nicht dem Ohmschen Gesetz entspricht (der Widerstand der Spirale hängt von der Temperatur ab).

Es ist leicht zu berechnen, dass die Diode bei solchen Spannungen und Strömen die Leistung P = Ud * I oder 1V * 1A = 1W abführt.Gleichzeitig beträgt die Lastleistung nur 3,5 V * 1A = 3,5 W. Es stellt sich heraus, dass mehr als 28 Prozent der Energie nutzlos verbraucht werden, mehr als ein Viertel.

Wenn der Gleichstrom durch die Diode 10 ... 20 A beträgt, sind bis zu 20 W Leistung unbrauchbar! Es hat eine solche Kraft kleiner Lötkolben. Im beschriebenen Fall ist die Diode ein solcher Lötkolben.


Schottky-Dioden

Es ist ziemlich offensichtlich, dass man solche Verluste beseitigen kann, wenn der direkte Spannungsabfall über der Diode Ud verringert wird. Diese Dioden werden genannt Schottky-Dioden benannt nach dem Erfinder des deutschen Physikers Walter Schottky. Anstelle des pn-Übergangs verwenden sie den Metall-Halbleiter-Übergang. Diese Dioden haben einen direkten Spannungsabfall von 0,2 ... 0,4 V, wodurch die von der Diode abgegebene Leistung erheblich reduziert wird.

Der vielleicht einzige Nachteil von Schottky-Dioden ist die niedrige Sperrspannung - nur einige zehn Volt. Der Maximalwert der Sperrspannung von 250 V hat ein industrielles Design MBR40250 und seine Analoga. Fast alle Netzteile moderner elektronischer Geräte verfügen über Gleichrichter an Schottky-Dioden.


Der umgekehrte Zweig des CVC

Einer der Nachteile sollte berücksichtigt werden, dass selbst wenn die Diode in die entgegengesetzte Richtung eingeschaltet wird, der Rückstrom trotzdem durch sie fließt, da es in der Natur keine idealen Isolatoren gibt. Je nach Modell der Diode kann sie von Nanoampere bis zu Mikroampereinheiten variieren.

Zusammen mit dem Sperrstrom wird der Diode eine bestimmte Energiemenge zugewiesen, die numerisch gleich dem Produkt aus Sperrstrom und Sperrspannung ist. Wenn diese Leistung überschritten wird, ist ein Durchbruch des pn-Übergangs möglich, die Diode wird zu einem herkömmlichen Widerstand oder sogar zu einem Leiter. Auf dem umgekehrten Zweig der I - V - Kennlinie entspricht dieser Punkt der Biegung der Kennlinie nach unten.

In der Regel geben Verzeichnisse keine Leistung an, sondern eine maximal zulässige Sperrspannung. Ungefähr das Gleiche wie die oben erwähnte Vorwärtsstrombegrenzung.

Tatsächlich sind es oft diese beiden Parameter, nämlich der Gleichstrom und die Sperrspannung, die die bestimmenden Faktoren bei der Auswahl einer bestimmten Diode sind. Dies ist der Fall, wenn die Diode für den Betrieb mit einer niedrigen Frequenz ausgelegt ist, beispielsweise einem Spannungsgleichrichter mit einer Frequenz eines industriellen Netzwerks von 50 ... 60 Hz.


Elektrische Kapazität pn Übergang

Bei der Verwendung von Dioden in Hochfrequenzschaltungen ist zu beachten, dass der pn-Übergang wie ein Kondensator eine elektrische Kapazität aufweist, die auch von der an den pn-Übergang angelegten Spannung abhängt. Diese Eigenschaft des pn-Übergangs wird in speziellen Dioden verwendet - Varicaps, die zum Einstellen der Schwingkreise in den Empfängern verwendet werden. Dies ist wahrscheinlich der einzige Fall, wenn diese Kapazität für immer genutzt wird.

In anderen Fällen wirkt sich diese Kapazität störend aus, verlangsamt das Schalten der Diode und verringert ihre Geschwindigkeit. Diese Fähigkeit wird oft als parasitär bezeichnet. Es ist in Abbildung 3 dargestellt.

Scheinkapazität

Abbildung 3. Störkapazität


Das Design der Dioden.


Flach- und Punktdioden

Um die schädlichen Auswirkungen der Streukapazität zu beseitigen, werden spezielle Hochfrequenzdioden, beispielsweise Punktdioden, verwendet. Der Aufbau einer solchen Diode ist in Abbildung 25 dargestellt.

Punktdiode

Abbildung 4. Punktdiode

Ein Merkmal einer Punktdiode ist das Design ihrer Elektroden, von denen eine eine Metallnadel ist. Während des Herstellungsprozesses wird diese Nadel, die eine Verunreinigung (Donor oder Akzeptor) enthält, zu einem Halbleiterkristall geschmolzen, was zu einem pn-Übergang der erforderlichen Leitfähigkeit führt. Ein solcher Übergang hat eine kleine Fläche und daher eine kleine Streukapazität. Aufgrund dessen erreicht die Arbeitsfrequenz von Punktdioden mehrere hundert Megahertz.

Wenn eine schärfere Nadel verwendet wird, die ohne Galvanoformung erhalten wird, kann die Betriebsfrequenz mehrere zehn Gigahertz erreichen. Die Sperrspannung solcher Dioden beträgt zwar nicht mehr als 3 ... 5 V, und der Durchlassstrom ist auf einige Milliampere begrenzt.Immerhin sind diese Dioden keine Gleichrichter, für diese Zwecke werden in der Regel planare Dioden verwendet. Die Vorrichtung einer planaren Diode ist in der Abbildung dargestellt.

Flachdiode

Abbildung 5. Planare Diode

Es ist leicht zu erkennen, dass eine solche Diode eine pn-Übergangsfläche hat, die viel größer als eine Punktdiode ist. Bei leistungsstarken Dioden kann dieser Bereich bis zu 100 oder mehr Quadratmillimeter erreichen, sodass ihr Gleichstrom viel größer ist als der von Punktdioden. Es sind planare Dioden, die in Gleichrichtern verwendet werden, die bei niedrigen Frequenzen arbeiten, in der Regel nicht mehr als einige zehn Kilohertz.


Anwendung von Dioden

Sie sollten nicht denken, dass Dioden nur als Gleichrichter- und Detektorgeräte verwendet werden. Darüber hinaus gibt es viele weitere ihrer Berufe. Die I - V-Charakteristik von Dioden ermöglicht deren Verwendung, wenn eine nichtlineare Verarbeitung erforderlich ist analoge Signale.

Dies sind Frequenzumrichter, logarithmische Verstärker, Detektoren und andere Geräte. Dioden in solchen Vorrichtungen werden entweder direkt als Wandler verwendet oder bilden die Eigenschaften der Vorrichtung, die in der Rückkopplungsschaltung enthalten sind.

Dioden sind in weit verbreitet stabilisierte Netzteileals Referenzspannungsquellen (Zenerdioden) oder als Schaltelemente des Speichers Induktor (Schaltspannungsregler).

Mit Dioden lassen sich sehr einfach Signalbegrenzer erstellen: Zwei in entgegengesetzter Richtung geschaltete Dioden dienen als hervorragender Schutz für den Eingang eines Verstärkers, beispielsweise eines Mikrofons, vor der Bereitstellung eines erhöhten Signalpegels.

Zusätzlich zu den aufgelisteten Geräten werden Dioden sehr häufig in Signalschaltern sowie in logischen Geräten verwendet. Es reicht aus, die logischen Operationen AND, OR und ihre Kombinationen abzurufen.

Eine der Arten von Dioden sind LEDs. Einmal wurden sie nur als Indikatoren in verschiedenen Geräten verwendet. Jetzt sind sie überall und von den einfachsten Taschenlampen bis zu Fernsehern mit LED - Hintergrundbeleuchtung, es ist einfach unmöglich, sie nicht zu bemerken.

Boris Aladyshkin

Siehe auch auf i.electricianexp.com:

  • Wie Halbleiterdioden angeordnet sind und funktionieren
  • So schließen Sie eine Glühbirne an eine andere Spannung an
  • So überprüfen Sie die Diode und den Thyristor. 3 einfache Möglichkeiten
  • So messen Sie Spannung, Strom und Widerstand mit einem Multimeter, prüfen Dioden und ...
  • So überprüfen Sie einen Feldeffekttransistor

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    Kommentare:

    # 1 schrieb: M. | [Zitat]

     
     

    Toller Artikel, danke.

     
    Kommentare:

    # 2 schrieb: | [Zitat]

     
     

    Danke Ihnen! Ein sehr guter Artikel, um einen Anfänger aufzuklären))

     
    Kommentare:

    # 3 schrieb: | [Zitat]

     
     

    Toller Artikel, vielen Dank für die ausführliche Erklärung! Der Autor ist gut gemacht!

     
    Kommentare:

    # 4 schrieb: | [Zitat]

     
     

    Sie sollten den Aufwärtspfeil auf der Website eingefügt haben, dann hatten Sie im Allgemeinen keinen Preis dafür. Und dann faul Rad aufzuziehen!

     
    Kommentare:

    # 5 schrieb: | [Zitat]

     
     

    Ich bitte den Autor, eine Tabelle mit Mindestparametern wie Sperrschichtkapazität, Sperrschichtladung und Wiederherstellungsrate zu schreiben, eine Tabelle mit Diodenmarkierungen und einen ungefähren Preis in Dollar anzugeben.
    Wie schreibe ich bitte per E-Mail. Vielen Dank.

     
    Kommentare:

    # 6 schrieb: Shalom | [Zitat]

     
     

    Vielen Dank! Gut beschrieben.

     
    Kommentare:

    # 7 schrieb: Vovych | [Zitat]

     
     

    Vielen Dank für den informativen Artikel!
    Eine interessante Aufnahme einer Punktdiode! Wenn Sie genau hinschauen, ist es wie ein "lebendes Paar" in der Diode: das Bild eines weißen Farbstichs (links) und einer Dame mit Hut und Schwanz (in der Mitte).

     
    Kommentare:

    # 8 schrieb: Zina Snoshenko | [Zitat]

     
     

    HORROR ALS KOMPLEX