Einführung in Dioden und Gleichrichter

Alles über Dioden

Eine Diode ist ein elektrisches Gerät, das Strom ermöglicht in die eine Richtung viel leichter zu bewegen als in die andere. Die gebräuchlichste Diodenart im modernen Schaltungsdesign ist der Halbleiter Diode, obwohl andere Diodentechnologien existieren. Halbleiterdioden werden in schematischen Diagrammen wie der folgenden Abbildung symbolisiert. Der Begriff „Diode“ ist üblicherweise Kleinsignalgeräten vorbehalten, I 1 A. Der Begriff Gleichrichter wird für Leistungsgeräte verwendet, I> 1 A.

Schaltplansymbol Halbleiterdiode:Pfeile zeigen die Richtung des Stromflusses an.

In einem einfachen Batterie-Lampen-Schaltkreis erlaubt oder verhindert die Diode je nach Polarität der angelegten Spannung Strom durch die Lampe. (Abbildung unten)

Diodenbetrieb:(a) Stromfluss ist erlaubt; die Diode ist in Durchlassrichtung vorgespannt. (b) Stromfluss ist verboten; die Diode ist in Sperrrichtung vorgespannt.

Wenn die Polarität der Batterie so ist, dass Strom durch die Diode fließen kann, wird die Diode als vorgespannt bezeichnet . Umgekehrt, wenn die Batterie "rückwärts" ist und die Diode den Strom blockiert, wird die Diode als in Sperrrichtung vorgespannt bezeichnet . Eine Diode kann man sich wie einen Schalter vorstellen:„geschlossen“ bei Vorwärtsspannung und „offen“ bei Sperrspannung.

Die Richtung der „Pfeilspitze“ des Diodensymbols zeigt auf die Stromrichtung bei konventionellem Fluss. Diese Konvention gilt für alle Halbleiter mit „Pfeilspitzen“ in ihren Schaltplänen. Das Gegenteil ist der Fall, wenn Elektronenfluss verwendet wird, bei dem die Stromrichtung entgegen der „Pfeilspitze“ ist.

Analogie hydraulisches Rückschlagventil

Das Verhalten der Diode ist analog zum Verhalten eines hydraulischen Geräts, das als Rückschlagventil bezeichnet wird . Ein Rückschlagventil ermöglicht den Flüssigkeitsfluss nur in eine Richtung, wie in der Abbildung unten gezeigt.

Analogie zum hydraulischen Rückschlagventil:(a) Zulässiger Stromfluss. (b) Stromfluss verboten.

Rückschlagventile sind im Wesentlichen druckbetätigte Vorrichtungen:Sie öffnen und ermöglichen einen Durchfluss, wenn der Druck über sie die richtige „Polarität“ zum Öffnen des Schiebers hat (in der gezeigten Analogie ist der Flüssigkeitsdruck rechts größer als links). Wenn der Druck die entgegengesetzte „Polarität“ hat, schließt die Druckdifferenz über das Rückschlagventil und hält den Schieber so, dass kein Durchfluss auftritt.

Wie Rückschlagventile sind Dioden im Wesentlichen „druck“betriebene (spannungsbetriebene) Geräte. Der wesentliche Unterschied zwischen Vorwärts- und Rückwärtsvorspannung ist die Polarität der an der Diode abfallenden Spannung. Schauen wir uns die zuvor gezeigte einfache Batterie-Dioden-Lampen-Schaltung genauer an und untersuchen diesmal die Spannungsabfälle zwischen den verschiedenen Komponenten in der folgenden Abbildung.

Messungen der Diodenschaltungsspannung:(a) Vorwärtsspannung. (b) Reverse Bias.

Konfiguration der Vorwärts-Vorspannungsdiode

Eine in Durchlassrichtung vorgespannte Diode leitet Strom und lässt eine kleine Spannung darüber abfallen, wodurch der größte Teil der Batteriespannung über der Lampe abfällt. Wenn die Polarität der Batterie umgekehrt wird, wird die Diode in Sperrrichtung vorgespannt und fällt alle der Batteriespannung, so dass keine für die Lampe übrig bleibt. Betrachtet man die Diode als selbsttätigen Schalter (im Vorwärtsbetrieb geschlossen und im Sperrbetrieb geöffnet), ist dieses Verhalten sinnvoll. Der größte Unterschied besteht darin, dass die Diode beim Leiten viel mehr Spannung abfällt als der durchschnittliche mechanische Schalter (0,7 Volt gegenüber mehreren zehn Millivolt).

Dieser von der Diode gezeigte Spannungsabfall in Durchlassrichtung ist auf die Wirkung des Verarmungsbereichs zurückzuführen, der durch den P-N-Übergang unter dem Einfluss einer angelegten Spannung gebildet wird. Wenn über eine Halbleiterdiode keine Spannung angelegt wird, existiert ein dünner Verarmungsbereich um den Bereich des P-N-Übergangs, der den Stromfluss verhindert. (Abbildung unten (a)) Die Verarmungsregion ist fast frei von verfügbaren Ladungsträgern und wirkt als Isolator:

Diodendarstellungen:PN-Übergangsmodell, Schaltplansymbol, physikalischer Teil.

Das schematische Symbol der Diode ist in der obigen Abbildung (b) so gezeigt, dass die Anode (zeigendes Ende) dem P-Typ-Halbleiter bei (a) entspricht. Der Kathodenstab, nicht zeigendes Ende, bei (b) entspricht dem N-Typ-Material bei (a). Beachten Sie auch, dass der Kathodenstreifen auf dem physischen Teil (c) der Kathode auf dem Symbol entspricht.

Reverse-Bias-Diodenkonfiguration

Wenn eine Sperrspannung an den P-N-Übergang angelegt wird, dehnt sich dieser Verarmungsbereich aus und widersteht weiter jedem Strom durch ihn. (Abbildung unten)

Die Verarmungsregion dehnt sich mit Sperrvorspannung aus.

Durchlassspannung

Umgekehrt kollabiert der Verarmungsbereich, wenn eine Vorwärtsspannung an den P-N-Übergang angelegt wird, und wird dünner. Die Diode wird weniger widerstandsfähig gegen den Strom durch sie. Damit ein anhaltender Strom durch die Diode fließt; jedoch muss der Verarmungsbereich durch die angelegte Spannung vollständig kollabiert sein. Dies erfordert eine bestimmte Mindestspannung, die als Durchlassspannung bezeichnet wird wie in der Abbildung unten dargestellt.

Eine Erhöhung der Vorwärtsspannung von (a) auf (b) verringert die Dicke des Verarmungsbereichs.

Für Siliziumdioden beträgt die typische Durchlassspannung 0,7 Volt nominal. Bei Germaniumdioden beträgt die Durchlassspannung nur 0,3 Volt. Die chemische Zusammensetzung des P-N-Übergangs, der die Diode umfasst, erklärt ihre Nenndurchlassspannung, weshalb Silizium- und Germaniumdioden so unterschiedliche Durchlassspannungen aufweisen. Der Durchlassspannungsabfall bleibt für einen weiten Bereich von Diodenströmen ungefähr konstant, was bedeutet, dass der Diodenspannungsabfall nicht wie der eines Widerstands oder sogar eines normalen (geschlossenen) Schalters ist. Für die einfachste Schaltungsanalyse kann der Spannungsabfall über einer leitenden Diode als konstant beim Nennwert und nicht in Bezug auf die Stromstärke betrachtet werden.

Diodengleichung

Tatsächlich ist der Durchlassspannungsabfall komplexer. Eine Gleichung beschreibt den genauen Strom durch eine Diode, wenn die an der Sperrschicht abfallende Spannung, die Temperatur der Sperrschicht und mehrere physikalische Konstanten gegeben sind. Sie ist allgemein als Diodengleichung bekannt :

Der Begriff kT/q beschreibt die Spannung, die innerhalb des P-N-Übergangs aufgrund der Temperatureinwirkung erzeugt wird und wird als thermische Spannung bezeichnet , oder Vt der Kreuzung. Bei Raumtemperatur sind dies etwa 26 Millivolt. Wenn wir dies wissen und einen „Nichtidealitäts“-Koeffizienten von 1 annehmen, können wir die Diodengleichung vereinfachen und so umschreiben:

Sie müssen nicht mit der „Diodengleichung“ vertraut sein, um einfache Diodenschaltungen zu analysieren. Verstehe nur, dass die Spannung, die über einer stromleitenden Diode abfällt, abnimmt sich mit der durch ihn fließenden Strommenge ändert, diese Änderung jedoch über einen weiten Bereich von Strömen ziemlich gering ist. Aus diesem Grund sagen viele Lehrbücher einfach, dass der Spannungsabfall über einer leitenden Halbleiterdiode konstant bei 0,7 Volt für Silizium und 0,3 Volt für Germanium bleibt.

Einige Schaltungen nutzen jedoch absichtlich die inhärente exponentielle Strom-Spannungs-Beziehung des P-N-Übergangs und können daher nur im Kontext dieser Gleichung verstanden werden. Da die Temperatur ein Faktor in der Diodengleichung ist, kann auch ein in Durchlassrichtung vorgespannter P-N-Übergang als Temperatursensor verwendet werden und kann daher nur verstanden werden, wenn man ein konzeptionelles Verständnis dieser mathematischen Beziehung hat.

Umgekehrter Betrieb

Eine in Sperrrichtung vorgespannte Diode verhindert aufgrund des erweiterten Verarmungsbereichs, dass Strom durch sie fließt. Tatsächlich kann eine sehr kleine Strommenge durch eine in Sperrrichtung vorgespannte Diode fließen, die als Leckstrom bezeichnet wird , kann aber für die meisten Zwecke ignoriert werden.

Die Fähigkeit einer Diode, Sperrspannungen zu widerstehen, ist wie bei jedem Isolator begrenzt. Wenn die angelegte Sperrspannung zu groß wird, erfährt die Diode einen Zustand, der als Durchbruch bekannt ist (Abbildung unten), die normalerweise destruktiv ist.

Die maximale Sperrspannung einer Diode wird als Spitzen-Inverse-Spannung bezeichnet , oder PIV , und ist beim Hersteller erhältlich. Wie die Durchlassspannung variiert der PIV-Wert einer Diode mit der Temperatur, außer dass der PIV zunimmt mit erhöhter Temperatur und Abnahme wenn die Diode kühler wird – genau entgegengesetzt zur Durchlassspannung.

Diodenkurve:zeigt Knie bei 0,7 V Vorwärtsspannung für Si und Rückwärtsdurchbruch.

Normalerweise beträgt der PIV-Wert einer generischen „Gleichrichter“-Diode mindestens 50 Volt bei Raumtemperatur. Dioden mit PIV-Werten in vielen Tausend Volt sind zu moderaten Preisen erhältlich.

RÜCKBLICK:

• Eine Diode ist eine elektrische Komponente, die als Einwegventil für Strom fungiert.
• Wenn eine Spannung an einer Diode so angelegt wird, dass die Diode Strom durchlässt, wird die Diode als in Vorwärtsrichtung vorgespannt .
• Wenn eine Spannung an einer Diode so angelegt wird, dass die Diode Strom unterbindet, spricht man von einer Sperrvorspannung .
• Die an einer leitenden, in Durchlassrichtung vorgespannten Diode abfallende Spannung wird als Durchlassspannung bezeichnet . Die Durchlassspannung einer Diode variiert nur geringfügig bei Änderungen des Durchlassstroms und der Temperatur und wird durch die chemische Zusammensetzung des P-N-Übergangs festgelegt.
• Siliziumdioden haben eine Durchlassspannung von ungefähr 0,7 Volt.
• Germaniumdioden haben eine Durchlassspannung von ungefähr 0,3 Volt.
• Die maximale Sperrspannung, der eine Diode standhalten kann, ohne „durchzubrechen“, wird als Spitzeninversspannung bezeichnet , oder PIV Bewertung.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt zum Gleichrichten von Dioden
• Arbeitsblatt für PN-Kreuzungen