Ток в прямом направлении. Прямое и обратное включение диода, охарактеризовать прямое и обратное напряжение, прямые и обратные токи диода

Диодом называют полупроводниковый прибор с одним p-n переходом, который имеет два выхода (катод и анод), он предназначен для стабилизации, выпрямления, модуляции, детектирования, преобразования и ограничения электрических сигналов обратного тока .

В своем функциональном назначении диоды разделяют на импульсные, выпрямительные, универсальные, стабилитроны, СВЧ-диоды, туннельные, варикапы, переключающие диоды и т.п.

В теории нам известно, что диод пропускает ток лишь в одну торону. Однако, не многим известно и понятно каким именно образом он это делает. Схематически диод можно себе представить в виде кристалла состоящего из 2-х областей (полупроводников). Одна из этих областей кристалла обладает проводимостью n-типа, а другая — проводимостью p-типа.

На рисунке находятся дырки, преобладающие в области n-типа, которые изображено синими кругами, а электроны, преобладающие в области p-типа — красными. Две эти области являются электродами диода катодом и анодом:

Катод - это отрицательный электрод диода, основными носителями заряда которого являются электроны.

Анод - это положительный электрод диода, основными носителями заряда которого являются дырки.

На внешних поверхностях областей нанесены контактные металлические слои, к которым припаяны проволочные выводы электродов диода. Прибор такого рода может находиться исключительно в одном из двух состояний:

1. Закрытое - это когда он плохо проводит ток;

2. Открытое - это когда он хорошо проводит ток.

Диод окажется в закрытом состоянии, если применить полярность источника постоянного напряжения.

В таком случае электроны из области n-типа начнут перемещение к положительному полюсу источника питания, отдаляясь от p-n перехода, и дырки, в области p-типа, тоже будут отдаляться от p-n перехода, перемещаясь к отрицательному полюсу . В конце концов граница областей расширится, отчего образуется зона объедененная электронами и дырками, которая будет оказывать огромное сопротивление току.

Однако, в каждой из областей диода присутствуют неосновные носители заряда, и небольшой обмен электронами и дырками между областями все же будет происходить. Поэтому через диод будет протекать во много раз меньший ток, чем прямой, и этот ток называют обратным током диода . На практике, как правило, обратным током p-n перехода пренебрегают, и отсюда получается, что p-n переход обладает лишь односторонней проводимостью.

U обр. m ах = 1,045U ср.

В ряде практических приложений для выпрямления переменного тока и плавного регулирования мощности передаваемой в нагрузку используют тиристорные преобразователи. При этом, малые токи управления позволяют управлять большими токами нагрузки.

Пример простейшего управляемого по мощности тиристорного выпрямителя показан на рис. 7.10.

Рис. 7.10. Тиристорная схема выпрямителя

На рис. 7.11 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип регулирования среднего значения выпрямленного напряжения.

Рис. 7.11. Временные диаграммы работы тиристорного выпрямителя

В этой схеме предполагается, что входное напряжение U вх для регулируемого тиристорного формируется, например, двухполупериодным выпрямителем. Если управляющие импульсы U у достаточной амплитуды подаются в начале каждого полупериода (участок о-а на диаграмме U вых), выходное напряжение будет повторять напряжение двухполупериодного выпрямителя. Если сместить управляющие импульсы к середине каждого полупериода, то импульсы на выходе будут иметь длительность, равную четверти полупериода (участок b-с). Дальнейшее смещение управляющим импульсов приведет к дальнейшему уменьшению средней амплитуды выходных импульсов (участок d – e).

Таким образом, подавая на тиристор управляющие импульсы, сдвигающиеся по фазе относительно входного напряжения, можно превратить синусоидальное напряжение (ток) в последовательность импульсов любой длительности, амплитуды и полярности, то есть можно изменять действующее значение напряжения (тока) в широких пределах.

7.3 Сглаживающие фильтры

Рассмотренные схемы выпрямления позволяют получать однополярное пульсирующее напряжение, которое не всегда применимо для питания сложных электронных приборов, поскольку, из-за больших пульсаций, приводят к неустойчивости их работы.

Для значительного уменьшения пульсации применяют сглаживающие фильтры. Важнейшим параметром сглаживающего фильтра является коэффициент сглаживания S, определяемый по формуле S= 1 / 2 , где  1 и  2 – коэффициенты пульсаций на входе и выходе фильтра соответственно. Коэффициент пульсации показывает во сколько раз фильтр уменьшает пульсации. В практических схемах коэффициент пульсаций на выходе фильтра может достигать значений 0,00003.

Основными элементами фильтров являются реактивные элементы – емкости и индуктивности (дроссели). Рассмотрим вначале принцип работы простейшего сглаживающего фильтра, схема которого приведена на рис. 7.12.

Рис. 7.12. Схема простейшего сглаживающего фильтра с однополупериодным выпрямителем

В этой схеме сглаживание напряжения на нагрузке после однополупериодного диодного выпрямителя VD осуществляется с помощью конденсатора С, подключенного параллельно нагрузке R н.

Временные диаграммы, поясняющие работу такого фильтра, приведены на рис. 7.13. На участке t1 – t2 входным напряжением диод открывается, а конденсатор заряжается. Когда входное напряжение начнет уменьшаться, диод закрывается напряжением, накопленным на конденсаторе U с (участок t1 – t2). На этом интервале источник входного напряжения отключается от конденсатора и нагрузки, и конденсатор разряжается через сопротивления нагрузки R н.

Рис. 7.13. Временные диаграммы работы фильтра с однополупериодным выпрямителем

Если ёмкость достаточно велика, по разряд емкости через R н будет происходить с большой постоянной времени =R н С, и следовательно, уменьшение напряжение на конденсаторе будет небольшим, а эффект сглаживания – значительным. С другой стороны, чем больше емкость тем короче отрезок t1 – t2 в течении которого диод открыт и через него течет ток i  возрастающий (при заданном среднем токе нагрузки) при уменьшении разности t2 – t1. Такой режим работы может привести к выходу из строя выпрямительного диода, и, кроме того, является достаточно тяжелым и для трансформатора.

При использовании двухполупериодных выпрямителей величина пульсаций на выходе емкостного фильтра уменьшается, поскольку конденсатор за время между появлением импульсов на меньшую величину, что хорошо иллюстрируется рис. 7.14.

Рис. 7.14. Сглаживание пульсаций двухполупериодного выпрямителя

Для расчета величины пульсаций на выходе емкостного фильтра произведем аппроксимацию пульсаций выходного напряжения пилообразной кривой ток, как это показано на рис. 7.15.

Рис. 7.15. Аппроксимация напряжения пульсаций

Изменение заряда на конденсаторе определяется выражением

∆Q=∆UC=I н Т 1 ,

где Т 1 – период пульсаций, I н – среднее значение тока нагрузки. С учетом того, что I н = И ср / R н, получаем

.

Из рис. 7.15 следует, что

при этом двойная амплитуда пульсаций определяется выражением

.

Сглаживающими свойствами обладают и индуктивные фильтры, причем лучшими сглаживающими свойствами обладают фильтры, содержащие индуктивность и емкость, соединенные так, как показано на рис. 7.16.

Рис. 7.16. Сглаживающий фильтр с индуктивностью и емкостью

В этой схеме емкость конденсатора выбирается таким образом, чтобы его реактивное сопротивление было значительно меньшим сопротивления нагрузки. Достоинством такого фильтра является то, что он уменьшает величину входной пульсации ∆U до величины
, гдеω - частота пульсаций.

На практике широкое распространение получили различные типы F - образных и П – образных фильтров, варианты построения которых представлены на рис. 7.17.

При небольших токах нагрузки хорошо работает F - образный выпрямитель, представленный на рис. 7.16.

Рис. 7.17. Варианты построения фильтра

В наиболее ответственных схемах используют многозвенные схемы фильтрации (рис. 7.17 г).

Часто дроссель заменяют резисторами, что несколько снижает качество фильтрации, но значительно удешевляет фильтры (рис. 7.17 б, в).

Основной внешней характеристикой выпрямителей с фильтром является зависимость среднего значения выходного напряжения U ср (напряжения на нагрузке) от среднего значения выходного тока.

В рассмотренных схемах увеличение выходного тока приводит к уменьшению U ср из-за увеличения падения напряжения на обмотках трансформатора, диодах, подводящих проводах, элементах фильтра.

Наклон внешней характеристики при заданном среднем токе определяют через выходное сопротивление R вых, определяемое по формуле:

I cр – задано. Чем меньше величина R вых, тем меньше выходное напряжение зависит от выходного тока, тем лучше схема выпрямителя с фильтром. На рис. 7.18 приведены типовые зависимости U ср от I ср для различных вариантов фильтрации.

Рис. 7.18. Типовые зависимости U ср от I ср для различных схем фильтрации

Что такое прямое и обратное напряжение? Пытаюсь понять принцип действия полевого транзистора. и получил лучший ответ

Ответ от Вовик[активный]
Прямое - к плюсу прикладывается плюс, к минусу - минус. Обратное - к плюсу - минус, к минусу - плюс.
Применительно к полевому транзистору - между истоком и затвором.
База и эмиттер есть у биполярного транзистора, не у полевого.
Биполярный транзистор представляет собой два встречно включенных р-п перехода с одним общим выходом - эмиттер - база (типа общий) - коллектор, как два диода, только общая "прослойка" тонкая и проводит ток, если подать прямое напряжение, которое называется открывающим, между эмиттером и базой.
Чем больше прямое напряжение между базой и эмиттером, тем больше открыт транзистор и меньше его сопротивление эмиттер-коллектор, т. е. между напряжением эмиттер-база и сопротивлением биполярного транзистора обратная зависимость.
Если между базой и эмиттером подать обратное напряжение, транзистор закроется совсем и не будет проводить ток.
Если подать напряжение только на базу и эмиттер или базу и коллектор, получится обычный диод.
Полевой транзистор устроен несколько по-иному. Там тоже три вывода, но называются сток, исток и затвор. Там только один р-п переход, затвор -> сток-исток или затвор <- сток-исток в зависимости от полярности транзистора. Затвор находится между истоком и стоком и к нему (измеряется относительно истока) всегда прикладывается только обратное напряжение, которое создаёт поле в промежутке между истоком и стоком, в зависимости от напряжённости больше или меньше препятствующее движению электронов (следовательно, изменяя сопротивление транзистора) , и, таким образом, создающую обратную зависимость между напряжением исток-затвор и сопротивлением полевого транзистора.

Ответ от ALEX R [гуру]
На 1 вопр прям и обр напр бывает у полупроводника (диода) т. е. диод в ппрямом нпр ток пропускает, а ежели ток течёт обратно, всё закрыт. Для ясности нипель велосипедной шины туда дуй, обратно нет. Полевой тр-р, вот чисто для понимания нет злектронной связи между затвором и сток исток, а ток пропускает за счёт зл поля созд на затворе. Вот как то так.

Ответ от Александр Егоров [гуру]
прямое - минус к области с n-проводимостью, плюс к области к с р-проводимостью
обратное наоборот
подавая только на эмитер и коллектор ток проходить не будет, т. к. ионизированные атомы базы будут отталкивать от pn перехода свободные заряды эмитера (которым итак непросто перескочить pn переход, тк это диэлектрик) . А если подать напряжение на базу, то оно "высосет" из базы свободные заряды и они уже не будут отталкивать заряды эмитера, мешая им пересекать pn переход. Транзистор откроется.
Кстати эмитер, коллектор и базу имеет не полевой, а биполярный транзистор.
Если подать напряжение только на базу и эмитер или базу и коллектор, то это будет простой диод (каждый pn переход это диод).

Ответ от User user [гуру]
полевой транзистор имеет канал р или n типа управляемый полем. выводы транзистора затвор сток исток

Самым простым по конструкции в семействе полупроводников являются диоды, имеющие в конструкции всего два электрода, между которыми существует проводимость электрического тока в одну сторону. Такой вид проводимости в полупроводниках создается благодаря их внутреннему устройству.

Особенности устройства

Не зная конструктивных особенностей диода, нельзя понять его принципа действия. Структура диода состоит из двух слоев с проводимостью различного вида.

Диод состоит из следующих основных элементов:

• Корпус . Выполняется в виде вакуумного баллона, материалом которого может быть керамика, металл, стекло и другие прочные материалы.
• Катод . Он расположен внутри баллона, служит для образования эмиссии электронов. Наиболее простым устройством катода является тонкая нить, раскаляющаяся в процессе действия. Современные диоды оснащены косвенно накаляющимися электродами, которые выполнены в виде металлических цилиндров со свойством активного слоя, имеющего возможность испускать электроны.
• Подогреватель . Это особый элемент в виде нити, раскаляющейся от электрического тока. Подогреватель расположен внутри косвенно накаляющегося катода.
• Анод . Это второй электрод диода, служащий для приема электронов, вылетевших от катода. Анод имеет положительный потенциал, по сравнению с катодом. Форма анода чаще всего так же, как и катода, цилиндрическая. Оба электрода аналогичны эмиттеру и базе полупроводников.
• Кристалл . Его материалом изготовления является германий или кремний. Одна часть кристалла имеет р-тип с недостатком электронов. Другая часть кристалла имеет n-тип проводимости с избытком электронов. Граница, расположенная между этими двумя частями кристалла, называется р-n переходом.

Эти особенности конструкции диода позволяют ему проводить ток в одном направлении.

Принцип действия

Работа диода характеризуется его различными состояниями, и свойствами полупроводника при нахождении в этих состояниях. Рассмотрим подробнее основные виды подключений диодов, и какие процессы происходят внутри полупроводника.

Диоды в состоянии покоя

Если диод не подключен к цепи, то внутри него все равно происходят своеобразные процессы. В районе «n» есть излишек электронов, что создает отрицательный потенциал. В области «р» сконцентрирован положительный заряд. Совместно такие заряды создают электрическое поле.

Так как заряды с разными знаками притягиваются, то электроны из «n» проходят в «р», при этом заполняют дырки. В итоге таких процессов в полупроводнике появляется очень слабый ток, увеличивается плотность вещества в области «р» до определенного значения. При этом частицы расходятся по объему пространства равномерно, то есть, происходит медленная диффузия. Вследствие этого электроны возвращаются в область «n».

Для многих электрических устройств направление тока не имеет особого значения, все работает нормально. Для диода же, большое значение имеет направление протекания тока. Основной задачей диода является пропускание тока в одном направлении, чему благоприятствует переход р-n.

Обратное включение

Если диоды подсоединять к питанию по изображенной схеме, то ток не будет проходить через р-n переход. К области «n» подсоединен положительный полюс питания, а к «р» — минусовой. В итоге электроны от области «n» переходят к плюсовому полюсу питания. Дырки притягиваются минусовым полюсом. На переходе возникает пустота, носители заряда отсутствуют.

При повышении напряжения дырки и электроны осуществляют притягивание сильнее, и на переходе нет носителей заряда. При обратной схеме включения диода ток не проходит.

Повышение плотности вещества возле полюсов создает диффузию, то есть, стремление к распределению вещества по объему. Это возникает при выключении питания.

Обратный ток

Вспомним о работе неосновных переносчиков заряда. При запертом диоде, через него проходит малая величина обратного тока. Он и образуется от неосновных носителей, двигающихся в обратном направлении. Такое движение возникает при обратной полярности питания. Обратный ток обычно незначительный, так как число неосновных носителей очень мало.

При возрастании температуры кристалла их число повышается и обуславливает повышение обратного тока, что обычно приводит к повреждению перехода. Для того, чтобы ограничить температуру работы полупроводников, их корпус монтируют на теплоотводящие радиаторы охлаждения.

Прямое включение

Поменяем местами полюса питания между катодом и анодом. На стороне «n» электроны будут отходить от отрицательного полюса, и проходить к переходу. На стороне «р» дырки, имеющие положительный заряд, оттолкнутся от положительного вывода питания. Поэтому электроны и дырки начнут стремительное движение друг к другу.

Частицы с разными зарядами скапливаются возле перехода, и между ними образуется электрическое поле. Электроны проходят через р-n переход и двигаются в область «р». Часть электронов рекомбинирует с дырками, а остальные проходят к положительному полюсу питания. Возникает прямой ток диода, который имеет ограничения его свойствами. При превышении этой величины диод может выйти из строя.

При прямой схеме диода, его сопротивление незначительное, в отличие от обратной схемы. Считается, что обратно ток по диоду не проходит. В результате мы выяснили, что диоды работают по принципу вентиля: повернул ручку влево – вода течет, вправо – нет воды. Поэтому их еще называют полупроводниковыми вентилями.

Прямое и обратное напряжение

Во время открытия диода, на нем имеется прямое напряжение. Обратным напряжением считается величина во время закрытия диода и прохождения через него обратного тока. Сопротивление диода при прямом напряжении очень мало, в отличие от обратного напряжения, возрастающего до тысяч кОм. В этом можно убедиться путем измерения мультиметром.

Сопротивление полупроводникового кристалла может изменяться в зависимости от напряжения. При увеличении этого значения сопротивление снижается, и наоборот.

Если диоды использовать в работе с переменным током, то при плюсовой полуволне синуса напряжения он будет открыт, а при минусовой – закрыт. Такое свойство диодов применяют для выпрямления напряжения. Поэтому такие устройства называются выпрямителями.

Характеристика диодов

Характеристика диода выражается графиком, на котором видна зависимость тока, напряжения и его полярности. Вертикальная ось координат в верхней части определяет прямой ток, в нижней части – обратный.

Горизонтальная ось справа обозначает прямое напряжение, слева – обратное. Прямая ветка графика выражает ток пропускания диода, проходит рядом с вертикальной осью, так как выражает повышение прямого тока.

Вторая ветка графика показывает ток при закрытом диоде, и проходит параллельно горизонтальной оси. Чем круче график, тем лучше диод выпрямляет ток. После возрастания прямого напряжения, медленно повышается ток. Достигнув области скачка, его величина резко нарастает.

На обратной ветви графика видно, что при повышении обратного напряжения, величина тока практически не возрастает. Но, при достижении границ допустимых норм происходит резкий скачок обратного тока. Вследствие этого диод перегреется и выйдет из строя.

Д иод - самый простейший по устройству в славном семействе полупроводниковых приборов. Если взять пластинку полупроводника, например германия, и в его левую половину ввести акцепторную примесь, а в правую донорную, то с одной стороны получится полупроводник типа P, соответственно с другой типа N. В середине кристалла получится, так называемый P-N переход , как показано на рисунке 1.

На этом же рисунке показано условное графическое обозначение диода на схемах: вывод катода (отрицательный электрод) очень похож на знак «-». Так проще запомнить.

Всего в таком кристалле две зоны с различной проводимостью, от которых выходят два вывода, поэтому полученный прибор получил название диод , поскольку приставка «ди» означает два.

В данном случае диод получился полупроводниковый, но подобные устройства были известны и раньше: например в эпоху электронных ламп был ламповый диод, называвшийся кенотрон. Сейчас такие диоды ушли в историю, хотя приверженцы «лампового» звука считают, что в ламповом усилителе даже выпрямитель анодного напряжения должен быть ламповым!

Рисунок 1. Строение диода и обозначение диода на схеме

На стыке полупроводников с P и N проводимостями получается P-N переход (P-N junction) , который является основой всех полупроводниковых приборов. Но в отличии от диода, у которого этот переход лишь один, имеют два P-N перехода, а, например, состоят сразу из четырех переходов.

P-N переход в состоянии покоя

Даже если P-N переход, в данном случае диод, никуда не подключен, все равно внутри него происходят интересные физические процессы, которые показаны на рисунке 2.

Рисунок 2. Диод в состоянии покоя

В области N имеется избыток электронов, она несет в себе отрицательный заряд, а в области P заряд положительный. Вместе эти заряды образуют электрическое поле. Поскольку разноименные заряды имеют свойство притягиваться, электроны из зоны N проникают в положительно заряженную зону P, заполняя собой некоторые дырки. В результате такого движения внутри полупроводника возникает, хоть и очень маленький (единицы наноампер), но все-таки ток.

В результате такого движения возрастает плотность вещества на стороне P, но до определенного предела. Частицы обычно стремятся распространяться равномерно по всему объему вещества, подобно тому, как запах духов распространяется на всю комнату (диффузия), поэтому, рано или поздно, электроны возвращаются обратно в зону N.

Если для большинства потребителей электроэнергии направление тока роли не играет, - лампочка светится, плитка греется, то для диода направление тока играет огромную роль. Основная функция диода проводить ток в одном направлении. Именно это свойство и обеспечивается P-N переходом.

Включение диода в обратном направлении

Если к полупроводниковому диоду подключить источник питания, как показано на рисунке 3, то ток через P-N переход не пройдет.

Рисунок 3. Обратное включение диода

Как видно на рисунке, к области N подключен положительный полюс источника питания, а к области P - отрицательный. В результате электроны из области N устремляются к положительному полюсу источника. В свою очередь положительные заряды (дырки) в области P притягиваются отрицательным полюсом источника питания. Поэтому в области P-N перехода, как видно на рисунке, образуется пустота, ток проводить просто нечем, нет носителей заряда.

При увеличении напряжения источника питания электроны и дырки все сильней притягиваются электрическим полем батарейки, в области же P-N перехода носителей заряда остается все меньше. Поэтому в обратном включении ток через диод не идет. В таких случаях принято говорить, что полупроводниковый диод заперт обратным напряжением.

Увеличение плотности вещества около полюсов батареи приводит к возникновению диффузии , - стремлению к равномерному распределению вещества по всему объему. Что и происходит при отключении элемента питания.

Обратный ток полупроводникового диода

Вот здесь как раз и настало время вспомнить о неосновных носителях, которые были условно забыты. Дело в том, что даже в закрытом состоянии через диод проходит незначительный ток, называемый обратным. Этот обратный ток и создается неосновными носителями, которые могут двигаться точно так же, как основные, только в обратном направлении. Естественно, что такое движение происходит при обратном напряжении. Обратный ток, как правило, невелик, что обусловлено незначительным количеством неосновных носителей.

С повышением температуры кристалла количество неосновных носителей увеличивается, что приводит к возрастанию обратного тока, что может привести к разрушению P-N перехода. Поэтому рабочие температуры для полупроводниковых приборов, - диодов, транзисторов, микросхем ограничены. Чтобы не допускать перегрева мощные диоды и транзисторы устанавливаются на теплоотводы - радиаторы .

Включение диода в прямом направлении

Показано на рисунке 4.

Рисунок 4. Прямое включение диода

Теперь изменим полярность включения источника: минус подключим к области N (катоду), а плюс к области P (аноду). При таком включении в области N электроны будут отталкиваться от минуса батареи, и двигаться в сторону P-N перехода. В области P произойдет отталкивание положительно заряженных дырок от плюсового вывода батареи. Электроны и дырки устремляются навстречу друг другу.

Заряженные частицы с разной полярностью собираются около P-N перехода, между ними возникает электрическое поле. Поэтому электроны преодолевают P-N переход и продолжают движение через зону P. При этом часть из них рекомбинирует с дырками, но большая часть устремляется к плюсу батарейки, через диод пошел ток Id.

Этот ток называется прямым током . Он ограничивается техническими данными диода, некоторым максимальным значением. Если это значение будет превышено, то возникает опасность выхода диода из строя. Следует, однако, заметить, что направление прямого тока на рисунке совпадает с общепринятым, обратным движению электронов.

Можно также сказать, что при прямом направлении включения электрическое сопротивление диода сравнительно небольшое. При обратном включении это сопротивление будет во много раз больше, ток через полупроводниковый диод не идет (незначительный обратный ток здесь в расчет не принимается). Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что диод ведет себя подобно обычному механическому вентилю: повернул в одну сторону - вода течет, повернул в другую - поток прекратился . За это свойство диод получил название полупроводникового вентиля .

Чтобы детально разобраться во всех способностях и свойствах полупроводникового диода, следует познакомиться с его вольт - амперной характеристикой . Также неплохо узнать о различных конструкциях диодов и частотных свойствах, о достоинствах и недостатках. Об этом будет рассказано в следующей статье.