Predpätie diódy je spôsob, akým napätie spôsobí, že dióda buď prenáša prúd, alebo ho blokuje. Zmenou veľkosti a smeru napätia môže dióda pracovať v doprednom vedení, spätnom blokovaní alebo prieraze. Tento článok vysvetľuje oblasť vyčerpania, predné koleno a exponenciálny prúd, spätný únik a prieraz, a poskytuje informácie o týchto aplikáciách obvodov.
Prehľad polarizácie diódy
Polarizácia diódy popisuje, ako sa na diódu aplikuje napäťový zdroj, aby sa nastavil jej prevádzkový stav. Pri jednej polarite dióda vedie prúd (predné predpätie). Pri opačnej polarite dióda blokuje prúd (spätné predpätie) a zostáva len malý únikový prúd. Predpätie určuje, či sa dióda správa ako uzavretá cesta prúdu alebo ako otvorená cesta.
Oblasť vyčerpania a efekt zaujatosti
Dióda vzniká spojením polovodičových oblastí typu P a N. Na PN prechode sa elektróny a diery znovu spájajú blízko hranice, čím zostáva zóna s veľmi malým počtom pohyblivých nosičov. Táto zóna je oblasťou vyčerpania a vytvára bariéru, ktorá odoláva prúdu. Hlavné body:
• Oblasť vyčerpania má takmer žiadne voľné nosiče náboja
• Bariéra v oblasti vyčerpania riadi, ako môže prúd prúdiť
• Šírka oblasti vyčerpania sa mení v závislosti od predného alebo spätného predpätia
Predpätie v predpätí diódy a prúdovom prúde
Pri prednom predpätí je dióda pripojená tak, že P-strana je na vyššom napätí ako N-strana. To tlačí nosiče náboja smerom k PN prechodu a spôsobuje, že oblasť vyčerpania je tenšia. Keď je bariéra dostatočne malá, prúd môže ľahko pretekať cez diódu. V tomto stave dióda vedie.
| Stav | Popis |
|---|---|
| Externé napätie | P-strana spojená s kladnou, N-strana s negatívnou |
| Oblasť vyčerpania | Šírka sa zmenšuje |
| Súčasné | Tečie ľahko a je relatívne vysoký |
| Správanie diódy | Vodivý stav (prúd prechádza) |
Prah napätia v smere diódy
Dióda s dopredným predpätím vedie veľmi málo prúdu, kým aplikované napätie nedosiahne bod obratu, často nazývaný dopredné napätie alebo napätie kolena. Pod týmto rozsahom zostáva prúd malý. Za ňou prúd rýchlo rastie pri malých zmenách napätia.
Bežné hodnoty predného napätia:
• Kremíkové diódy: približne 0,7 V
• Germániové diódy: približne 0,3 V
• LED: približne 1,8–3,3 V
Dióda s dopredným predpätím: Exponenciálna oblasť prúdu
Keď dióda prejde za oblasť kolena, prúd rastie exponenciálne. Malé zvýšenie napätia v prepuste môže spôsobiť oveľa väčšie zvýšenie prúdu v prepuste. V mnohých obvodoch zostáva predné napätie diódy v úzkom rozsahu, zatiaľ čo prúd sa výrazne mení.
| Parameter | Čo to znamená |
|---|---|
| *VF* | Priepustné napätie sa privádza cez diódu v prednom predpätí |
| *AK* | Prúd pretekajúci diódou v doprednom smere |
| Exponenciálna oblasť | Časť I–V krivky (za prahom), kde prúd prudko stúpa s napätím |
Reverzné predpätie: Blokovanie stavu a únikového prúdu
Pri spätnom predpätí je dióda pripojená opačným smerom, než je smer vedenia. Oblasť vyčerpania sa rozširuje a prechodová bariéra stúpa, takže dióda blokuje normálny prúd. Malý spätný prúd stále existuje kvôli menšinovým nosičom vo vnútri diódy. Tento prúd sa nazýva únikový prúd alebo spätný nasýtený prúd.
Vlastnosti reverzného predsudku
• Oblasť vyčerpania sa rozširuje a blokuje prechod nosičov
• Spätný prúd zostáva veľmi malý (závisí od zariadenia)
• Netesnosť sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou prechodu
Reverse Breakdown: Zener a Avalanche režimy
Pri spätnom predpätí dióda zvyčajne blokuje prúd. Ak je spätné napätie príliš veľké, dióda dosiahne prierazné napätie. V tomto bode dióda náhle začne viesť veľký prúd, hoci je stále spätne polarizovaná. Tento stav sa nazýva prieraz a je základnou súčasťou pochopenia polarizácie diódy pri vysokých spätných napätiach.
Typy rozpisov
• Zenerov prieraz (nízke napätie) – Vyskytuje sa pri nižších spätných napätiach, bežné v špeciálne vyrobených Zenerových diódach.
• Lavínový prieraz (vyššie napätie) – Vyskytuje sa pri vyšších spätných napätiach, keď nosiči náboja získajú dostatok energie na to, aby vyrazili ďalšie nosiče.
Usmerňovacie obvody (konverzia zo striedavého na jednosmerný)
V usmerňovacích obvodoch dióda vedie počas polcyklu, keď je polarizovaná v priamom smere, a blokuje počas opačného polcyklu, keď je polarizovaná v opačnom smere. Táto akcia vytvára jednosmerný výstup. Pridaním filtračného kondenzátora sa výstupné napätie vyhladí znížením zvlnenia. Kde sa objavuje
• Napájacie adaptéry a základné jednosmerné zdroje
• Mostíkové usmerňovače v zariadeniach napájaných zo siete
• Cesty ochrany polarity v nízkonapäťových systémoch
Prevádzka LED diód (emisia svetla s predným smerom)
LED vyžaruje svetlo, keď je v prednom smere a prúd preteká jej spojom. Priepustné napätie závisí od materiálu a farby LED. LED diódy sú napájané prúdovým obmedzovacím prvkom, ako je rezistor alebo menič s konštantným prúdom, aby sa zabránilo nadmernému prúdu. Najlepšie je skontrolovať nasledovné:
• Vyšší prúd LED zvyšuje jas až do limitov zariadenia
• Sériové rezistory nastavujú prúd v jednoduchých obvodoch
• Rušiče prísnejšie regulujú prúd v osvetľovacích systémoch
Detekcia signálu a demodulácia
Na prechod jednej časti signálneho priebehu môže byť použitá dióda. Pri detekcii AM obálky vedie cesta s predným predpätím nabíja kondenzátor na signálových špičkách a kondenzátor sa vybíja medzi špičkami cez záťažový rezistor, čím sa obnovuje obsah správy na nižšej frekvencii. Súvisiace úlohy na okruhoch:
• Detekcia a svorkovanie vrcholov
• Polvlnové tvarovanie signálu
• Jednoduché RF detekčné fázy
Aplikácie s reverzným predsudkom
Spätné predpätie vo fotodiódach
Fotodióda je udržiavaná v reverznom predpätí, takže oblasť vyčerpania je široká a pripravená reagovať na svetlo. To ho robí citlivejším na malé zmeny svetla.
Reverzné predpätie v Zenerových diódach
Zenerova dióda sa používa v reverznom predpätí blízko prierazného napätia. V tomto stave udržiava napätie takmer stabilné a pomáha regulovať napájanie.
Spätné predpätie v ochranných diódach TVS
TVS (Transient Voltage Suppression) diódy zostávajú počas bežnej prevádzky v spätnom predpätí. Keď sa objaví náhly výkyv napätia, vedú ho opačne a pomáhajú obmedziť napätie.
Reverzný bias pre izoláciu
Dióda s opačným predpätím blokuje normálny tok prúdu. To pomáha izolovať časti obvodu a zastavuje nežiaduce prúdové cesty.
Záver
Polarizácia diódy spája PN prechod s reálnym správaním obvodu. Pri prednom predpätí sa oblasť vyčerpania ztenčuje, napätie v kolene sa dosahuje a prúd rýchlo stúpa, zásobujúc usmerňovače, LED diódy a signálne alebo logické stupne. Pri reverznom predpätí sa oblasť rozširuje, prúd zostáva malý až do prerušenia, čo umožňuje fotodiódy, Zenerovu reguláciu, ochranu TVS a izoláciu.
Často kladené otázky [FAQ]
Ako teplota ovplyvňuje polarizáciu diód?
Vyššia teplota znižuje pokles predného napätia a zvyšuje spätný únikový prúd.
Aký je čas spätného zotavenia v dióde?
Čas spätného zotavenia je oneskorenie po prechode z predného na spätné predpätie, kým dióda stále vedie v dôsledku uloženého náboja.
Ako ovplyvňujú hodnoty diód podmienky predpätia?
Predpätie a prúd musia zostať pod maximálnym prepustným prúdom diódy a maximálnym spätným napätím, aby sa predišlo poškodeniu.
Čo je dynamický odpor v dióde s predným predpätím?
Dynamický odpor je pomer malej zmeny prepustového napätia k malej zmene prepustného prúdu v danom prevádzkovom bode.
Čo sa stane, ak je dióda preťažená v polarizácii?
Príliš vysoký prúd alebo spätné napätie prehrieva spoj, zvyšuje úniky a môže spôsobiť trvalé zlyhanie.
