Диоды и их применение

1.

Диоды и их применение

2.

Диод - это
Диод — это электронный компонент,
который пропускает электрический ток
только в одном направлении. Он
состоит из двух основных частей: анода
и катода.
Диоды используются для выпрямления
переменного тока, в качестве защитных
элементов от переполюсовки, а также
для преобразования высокочастотных
сигналов.

3.

История создания диода
История создания диода насчитывает более века.
В 1873 году британский учёный Фредерик Гутри
открыл принцип работы термионных диодов,
представляющих собой вакуумные лампы с прямым
накалом.
В 1874 году немецкий учёный Карл Фердинанд Браун
раскрыл принцип работы кристаллических диодов.
Принцип работы термионных диодов был повторно
открыт Томасом Эдисоном 13 февраля 1880 года, а
затем был запатентован в 1883 году (патент США
№307031).
Впервые диод с термоэлектронной эмиссией был
запатентован в Британии Джоном Амброзом
Флемингом 16 ноября 1904 года.
В 1919 году Вильям Генри Иклс ввёл в обиход термин
«диод».

4.

Устройство диода
Диод состоит из следующих основных
элементов:
Корпус. Герметизированный корпус,
материалом которого может быть керамика,
металл, стекло, пластик и др..
Катод. Представляет собой тонкую нить
или металлический цилиндр, который
разогревается в процессе работы и
испускает электроны.
Анод. По конструкции аналогичен катоду,
но имеет положительный потенциал и
используется для сбора электронов.
Кристалл. Изготавливается из германия
или кремния, или их соединений. Одна
часть кристалла имеет p-тип проводимости
с дефицитом электронов, а другая часть
имеет n-тип проводимости с избытком
электронов, граница между этими двумя
областями кристалла называется p-n
переходом.

5.

Принцип работы
Принцип работы диода основан на свойстве p-n перехода, который образуется на границе между двумя
разнородными полупроводниками с различной концентрацией примесей (p- и n-типа).
Когда к диоду прикладывается прямое напряжение (анод подключён к плюсу, катод к минусу),
электрическое поле внутри p-n перехода помогает основным носителям заряда (электронам и дыркам)
преодолеть потенциальный барьер, что приводит к протеканию тока через диод от анода к катоду.
Если же к диоду приложить обратное напряжение (анод к минусу, катод к плюсу), электрическое поле
будет препятствовать движению основных носителей заряда, и ток через диод будет пренебрежимо мал.
Таким образом, диод работает как односторонний клапан для тока, пропуская его только в одном
направлении (от анода к катоду) и блокируя в обратном направлении.

6.

Виды диодов
Вакуумный диод — это электронное
устройство, использующее вакуум для
передачи электрических сигналов. Он
состоит из анода и катода,
разделённых вакуумной камерой.
Анод является положительным
электродом, а катод — отрицательным.
Катод обычно представляет собой нить
или пластину, которая испускает
электроны при нагреве.
Принцип работы вакуумного диода
основан на эффекте
термоэлектронной эмиссии. Когда
катод нагревается, электроны,
находящиеся на его поверхности,
получают достаточную энергию для
преодоления потенциального барьера
между анодом и катодом. Эти
электроны «выпрыгивают» с катода и
перемещаются к аноду. При этом,
между анодом и катодом создаётся
электрическое поле, которое ускоряет
электроны, увеличивая их скорость и
энергию. Когда электроны достигают
анода, они создают электрический ток,
который может быть использован для
различных целей, например, в
усилителях сигналов или выпрямителях.

7.

Виды диодов
Выпрямительный диод —
это полупроводниковый диод, предназначенный
для преобразования переменного тока в
постоянный либо пульсирующий ток одной
полярности.
Это основной элемент в электронных схемах
питания, который обеспечивает стабильное питание
для электронных устройств.
Принцип работы выпрямительного диода основан
на использовании зависимости электропроводности
p–n-перехода или контакта металл — полупроводник
от значения и знака приложенного внешнего
напряжения. Когда к выпрямителю прилагается
переменное напряжение, переход пропускает ток в
одном направлении (от анода к катоду) и блокирует
его в другом (от катода к аноду). В результате на
выходе получается постоянный ток с
положительными полупериодами.

8.

Виды диодов
Стабилитрон, или диод Зенера, —
это полупроводниковый диод,
работающий при обратном
смещении в режиме пробоя.
До наступления пробоя через
стабилитрон протекают
незначительные токи утечки, а его
сопротивление весьма высоко. При
наступлении пробоя ток через
стабилитрон резко возрастает, а его
дифференциальное сопротивление
падает. Поэтому в режиме пробоя
напряжение на стабилитроне
поддерживается с заданной
точностью в широком диапазоне
обратных токов.
Основное назначение
стабилитронов — стабилизация
напряжения. Серийные
стабилитроны изготавливаются на
напряжения от 1,8 до 400 Вольт.

9.

Виды диодов
Туннельный диод — это полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, на
вольт-амперной характеристике которого при приложении напряжения в прямом направлении
имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Этот эффект обусловлен
туннельным эффектом.
Принцип действия: когда напряжение на туннельном диоде меньше порогового значения, ток через диод
очень мал, так как большинство электронов не могут преодолеть потенциальный барьер. При увеличении
напряжения выше порогового значения ток резко возрастает из-за туннелирования электронов.

10.

Виды диодов
Варикап — полупроводниковый диод, используемый в качестве электрически управляемой
ёмкости.
Работа варикапа основана на зависимости барьерной ёмкости p-n-перехода от обратного
напряжения. С ростом напряжения ёмкость падает.
Варикапы применяются в схемах настройки частоты фильтров и колебательных контуров
передающих устройств, в генераторах и усилителях СВЧ-волн.

11.

Виды диодов
Фотодиод это полупроводниковый диод,
чувствительный к фотонному
излучению, такому как видимый
свет, инфракрасное или
ультрафиолетовое излучение,
рентгеновские лучи и гамма-лучи.
Он производит электрический
ток, когда поглощает фотоны.
Основная функция
фотодиода — трансформация
светового потока в электросигнал.
Они предназначены для
обнаружения и измерения
интенсивности света

12.

Виды диодов
Диод Ганна — тип полупроводниковых диодов, не имеющих в структуре p-n-переходов.
Используется для генерации и преобразования колебаний в диапазоне СВЧ на частотах от 0,1 до 100
ГГц.
Основан на эффекте Ганна — явлении осцилляций тока в многодолинном проводнике при
приложении к нему сильного электрического поля, открытом Джоном Ганном в 1963 году.
Конструкция диода Ганна традиционно представляет собой прямоугольную пластинку из арсенида
галлия с омическими контактами с противоположных граней сторон.
Применение диодов Ганна широко распространено: они используются в телеметрических
системах, переносных радиолокационных станциях, радиолокационных высотомерах и другом
радиотехническом оборудовании.

13.

Виды диодов
Диод Шоттки — полупроводниковый диод с малым падением напряжения при
прямом пропускании тока. Назван в честь немецкого физика Вальтера Шоттки.
В диодах Шоттки в качестве барьера используется переход металл-полупроводник, в
отличие от обычных диодов, где используется p-n-переход.
Диоды Шоттки используются в компьютерной технике и бытовых приборах,
радиотехнике, стабилизаторах напряжения, блоках питания. Также полупроводниковый
элемент может применяться в качестве детектора напряжения или фотодиода

14.

Виды диодов
Лавинный диод — подкласс
полупроводниковых диодов с
p-n переходом, разновидность
стабилитрона. Обычно
изготавливается из кремния.
Принцип действия основан на
явлении лавинного пробоя:
когда напряжение на диоде
достигает определённого
уровня, в полупроводнике
происходит лавинообразное
размножение носителей
заряда, что приводит к резкому
увеличению тока через диод.
Это позволяет диоду быстро
переключаться из закрытого
состояния в открытое и обратно,
ограничивая напряжение на
заданном уровне и защищая
схему от повреждений.

15.

Виды диодов
Лавинно-пролётный диод (ЛПД, IMPATT-диод) — диод, основанный на лавинном умножении носителей
заряда.
Лавинно-пролётные диоды применяются в основном для генерации колебаний в диапазоне СВЧ. Процессы,
происходящие в полупроводниковой структуре диода, ведут к тому, что активная составляющая
комплексного сопротивления на малом переменном сигнале в определённом диапазоне частот
отрицательна

16.

Виды диодов
Магнитодиод — полупроводниковый прибор с p-n-переходом и невыпрямляющими
контактами, между которыми находится область высокоомного полупроводника
собственного типа проводимости.
Применение: бесконтактные кнопки и клавиши, датчики положения перемещающихся
тел, магнитное считывание информации, контроль и измерение не электрических
величин, преобразователи магнитных полей и преобразователи угла.

17.

Виды диодов
Стабистор —
полупроводниковый диод, в
котором для стабилизации
напряжения используется
прямая ветвь вольт-амперной
характеристики (то есть в
области прямого смещения
напряжение на p-n переходе
стабистора слабо зависит от
тока).
Отличительной особенностью
стабисторов по сравнению со
стабилитронами является
меньшее напряжение
стабилизации, которое
составляет примерно 0,7 В для
приборов изготовленных из
кремния.

18.

Виды диодов
Тиристоры — это более
сложный полупроводниковый
прибор, который можно назвать
управляемым диодом. Он
имеет три вывода и позволяет не
только пропускать ток в одном
направлении, но и управлять его
прохождением. Тиристоры
переключаются между двумя
состояниями: закрытым, когда
ток не течёт, и открытым, когда
он проходит в любом
направлении. Именно так
тиристоры регулируют
мощность и напряжение.
Таким образом, основное
отличие в том, что диоды
пропускают ток только в одном
направлении, а тиристоры
управляют током как в прямом,
так и в противоположном
направлениях

19.

Виды диодов
Импульсные диоды —
это диоды,
предназначенные для
работы в высокочастотных
импульсных схемах.
Они имеют очень малое
время восстановления, то
есть время, за которое диод
может переключаться из
открытого состояния в
закрытое и обратно. Это
свойство делает
импульсные диоды
идеальными для работы в
схемах, где необходимо
быстрое переключение
между двумя состояниями.

20.

Основные характеристики диодов, ВАХ
Знание характеристик диодов необходимо для выбора подходящего устройства для конкретной задачи, а также для расчета и
проектирования электронных схем, в которых используются диоды. Основные характеристики диодов включают:
• Максимальный прямой ток. Максимальный ток, который диод может проводить без перегрева или повреждения. Прямые
токи могут варьироваться от миллиампер до десятков ампер в зависимости от размера и конструкции диода.
• Максимальное обратное напряжение. Максимальное напряжение, которое можно приложить к диоду, не вызывая его
пробоя или повреждения. Обратное напряжение обычно составляет от нескольких десятков до сотен вольт для обычных
кремниевых выпрямительных диодов.
• Напряжение стабилизации. Это напряжение на выводах диода, при котором его сопротивление начинает изменяться.
• Напряжение пробоя. Это напряжение, при котором происходит пробой диода, то есть его сопротивление резко падает до
нуля.
• Мощность. Это количество энергии, которую диод способен рассеивать без перегрева и повреждения.
• Время восстановления. Время, необходимое для диода, чтобы вернуться в состояние низкой проводимости после снятия
обратного напряжения. Время восстановления может варьироваться от сотен наносекунд до нескольких микросекунд в
зависимости от типа диода.
• Емкость диода. Емкость между анодом и катодом диода, которая может варьироваться от единиц до тысяч пикофарад в
зависимости от конструкции диода и его рабочей частоты.
• Тепловое сопротивление. Параметр, характеризующий способность диода рассеивать тепло. Тепловое сопротивление
обычно указывается в градусах Цельсия на ватт и может варьироваться от десятков до сотен градусов на ватт в зависимости
от корпуса диода.

21.

Некоторые области применения диодов в
электронике:
Диодные выпрямители. Диоды используются для преобразования переменного тока в постоянный
(точнее, в однонаправленный пульсирующий). Это основной компонент блоков питания
практически всех электронных устройств.
Диодные детекторы. Диоды в сочетании с конденсаторами применяются для выделения
низкочастотной модуляции из амплитудно-модулированного радиосигнала или других
модулированных сигналов. Диодные детекторы используются в радиоприёмных устройствах:
радиоприёмниках, телевизорах и т. п..
Диодная защита. Диоды применяются для защиты разных устройств от неправильной полярности
включения и т. п..
Диодные переключатели. Применяются для коммутации высокочастотных сигналов.
Светодиоды. Светоизлучающие диоды (СИД), известные как светодиоды, преобразуют
электрическую энергию в световую. LED-подсветка широко применяется в освещении, дисплеях и
сигнальных устройствах.
Солнечные батареи. Полупроводниковые диоды преобразуют солнечный свет в электрическую
энергию.

22.

Применение диодов в солнечных
батареях
Диоды в солнечных батареях применяются для предотвращения
перегрева и выхода из строя фотоэлектрических ячеек. Когда ячейка
солнечной панели освещена, шунтирующий диод заперт, и ток через него
не идёт. При затенении ячейки диод открывается, и ток проходит мимо неё,
не нанося повреждений.
Также блокирующие диоды используются при параллельном соединении
трёх и более солнечных батарей. Если затеняется одна панель, даже
частично, она становится нагрузкой для той, что осталась освещённой.
Противоток приводит к дополнительному нагреву. Чтобы исключить это, для
каждой параллельной цепочки устанавливается блокирующий диод.

23.

Роль диодов в
современной технике
Диод позволяет току течь в
одном направлении,
эффективно блокируя
обратный поток. В источниках
питания
несколько диодов часто
используются вместе в
устройствах, называемых
мостовыми выпрямителями.
Этот процесс обеспечивает
питание всего, от вашего
ноутбука до телефона, что
делает диоды незаменимыми
в современной электронике.

24.

Некоторые перспективы развития
применения диодов:
Улучшение энергоэффективности. Постоянное улучшение технологий позволяет снизить энергопотребление диодов, что
способствует экономии ресурсов и снижению воздействия на окружающую среду.
Расширение применения в медицине. Светодиоды используются в медицинских устройствах для фототерапии, стерилизации
и биологических исследований. Будущие разработки могут привести к новым методам лечения и диагностики заболеваний с
использованием светодиодов.
Умные города и инфраструктура. Светодиоды будут важным элементом умных городов, обеспечивая энергоэффективное и
адаптивное освещение улиц и общественных пространств. Интеграция с системами управления трафиком и коммунальными
службами улучшит качество жизни в городах.
Инновационные применения. Светодиоды найдут применение в новых сферах, таких как текстиль, искусство и архитектура,
где они смогут создавать уникальные световые эффекты и решения. Развитие гибких и прозрачных светодиодов расширит
возможности для дизайнеров и инженеров.

25.

Важность использования диодов заключается в их роли в
электронике, вот некоторые области, где они применяются:
Ректификация в источниках питания. Диоды преобразуют переменный ток в постоянный, что важно
практически для всех электронных устройств, которые работают от батарей, но заряжаются от источников
переменного тока.
Защита устройств. Диоды блокируют вредные обратные токи, обеспечивая долговечность и надёжность
электронных устройств.
Солнечные панели. В системах солнечных панелей диоды используются для предотвращения обратного
протекания тока, которое может происходить ночью или когда на панель падает тень.
Логические элементы в цифровой электронике. Диоды помогают конструировать вентили, которые
выполняют основные логические функции, что важно для современных вычислений и цифровой связи.

26.

Некоторые основные параметры диода:
Максимальный прямой ток. Максимальный ток,
который диод может проводить без перегрева или
повреждения. Прямые токи могут варьироваться от
миллиампер до десятков ампер в зависимости от размера
и конструкции диода.
Максимальное обратное напряжение. Максимальное
напряжение, которое можно приложить к диоду, не
вызывая его пробоя или повреждения.
Напряжение стабилизации. Это напряжение на выводах
диода, при котором его сопротивление начинает
изменяться.
Напряжение пробоя. Это напряжение, при котором
происходит пробой диода, то есть его сопротивление
резко падает до нуля.
Мощность. Это количество энергии, которую диод
способен рассеивать без перегрева и повреждения.
Время восстановления. Время, необходимое для диода,
чтобы вернуться в состояние низкой проводимости после
снятия обратного напряжения.
Ёмкость диода. Ёмкость между анодом и катодом диода,
которая может варьироваться от единиц до тысяч
пикофарад в зависимости от конструкции диода и его
рабочей частоты.
Тепловое сопротивление. Параметр, характеризующий
способность диода рассеивать тепло. Тепловое
сопротивление обычно указывается в градусах Цельсия
на ватт и может варьироваться от десятков до сотен
градусов на ватт в зависимости от корпуса диода.

27.

СПАСИБО ЗА
ВНИМАНИЕ!!!