Die Diode ist ein beliebtes elektrisches Bauteil mit vielen verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten. Eine ihrer Anwendungen ist die Verwendung als Schalter.
Eine Diode ist ein elektrisches Bauteil mit zwei Anschlüssen, das aus einer PN-Verbindung besteht, um wie ein Schalter in zwei Betriebsarten arbeiten zu können.
Grundsätzlich gilt:
- Wenn die Diode in Durchlassrichtung vorgespannt ist, wirkt sie wie ein geschlossener Stromkreis oder Kurzschluss.
- Wenn die Diode in Sperrrichtung vorgespannt ist, wirkt sie wie ein offener Stromkreis.
Die Vorwärts Vorspannung ist der EIN-Zustand, während die Rückwärts Vorspannung der AUS-Zustand ist.
Die Diode wird rückwärts vorgespannt und fungiert als offener Schalter, wenn eine vorgegebene Spannung überschritten wird, da der Diodenwiderstand zunimmt. Ein geschlossener Schalter entsteht, wenn die angelegte Spannung unter die Referenzspannung fällt, da der Diodenwiderstand abnimmt und die Diode vorwärts vorgespannt wird.
Wie beweisen wir das?
Die Antwort finden wir weiter unten.
Diode als Schalter
Warum ist eine Diode als Schalter einem mechanischen Schalter vorzuziehen?
Die Verwendung einer Diode gegenüber einem mechanischen Schalter bietet mehrere Vorteile:
- Im Gegensatz zu einem mechanischen Schalter wird die Diode im Laufe der Zeit nicht durch Oxidation von Metallen beeinträchtigt.
- Wir benötigen keine beweglichen Kontakte oder Teile wie bei einem mechanischen Schalter.
- Die Funktion eines mechanischen Schalters ist begrenzt, während die eines elektrischen Schalters nahezu unbegrenzt ist.
- Der mechanische Schalter wird im Vergleich zur Diode, die länger hält, irgendwann kaputt gehen.
Diode fungiert als Schalter
Die grundlegende Funktionsweise einer Diode besteht darin, dass sie in Durchlassrichtung vorgespannt ist und als geschlossener Stromkreis fungiert, wenn an die Anode eine Spannung angelegt wird.
Andernfalls wird die Diode in Sperrrichtung vorgespannt und fungiert als offener Stromkreis, wenn an die Kathode eine Spannung angelegt wird.
Dieses elektronische Bauteil kann den Rückfluss von Strom blockieren, solange die Spannung an der Kathode anliegt und noch innerhalb der Durchbruchspannung liegt.
Eine Diode besteht aus einem PN-Übergang mit:
- Die P-Region ist leicht dotiert und
- Die N-Region ist stark dotiert
Wenn Anschluss A ein höheres Potenzial als Anschluss K erhält, wird das Gerät im Vorwärtsmodus betrieben und der in die gezeigte Richtung fließende Strom wird als Vorwärtsstrom (IF) bezeichnet.
Dies erzeugt einen relativ kleinen Spannungsabfall über dem Gerät (< 1 V) und kann unter idealen Bedingungen ignoriert werden.
Beobachten Sie den Schaltkreis unten, in dem die Diode eingeschaltet (vorwärts vorgespannt) ist, wenn die Spannung vorwärts vorgespannt ist (an die Anode angelegt), während die Diode ausgeschaltet (rückwärts vorgespannt) ist, wenn die Spannung rückwärts vorgespannt ist (an die Kathode angelegt).
Wenn sie hingegen in Sperrrichtung vorgespannt ist, lässt sie keinen Strom durch und bei einer praktischen Leistungsdiode fließt ein kleiner Strom in Sperrrichtung, der sogenannte Leckstrom.
Schalteigenschaften der Diode
Die Verwendung einer Diode als Schalter ist nicht ohne Berechnung möglich. Es kommt zu einem sogenannten „Klingeln“, wenn die Diode plötzlich ein- und ausgeschaltet wird, bevor ihre Wiederherstellungszeit erreicht ist.
Die Schwingung wird durch den plötzlichen Wechsel von Vorwärtsstrom zu Rückwärtsstrom und umgekehrt erzeugt.
Zusammen mit der Schwingung erzeugt der plötzliche Stromwechsel einen Leistungsverlust aufgrund des Leckstroms durch das plötzliche Schalten. Je höher der Leckstrom, desto größer ist sein Verlust.
Schalteigenschaften der PN-Übergang Diode
Im Gegensatz zu mechanischen Schaltern, die fast augenblicklich zwischen EIN und AUS umschalten können, haben die Diode und andere elektronische Komponenten natürlich etwas gemeinsam:
Einschwingverhalten
Diese Reaktion tritt auf, wenn die Diode von einem Zustand in einen anderen wechselt, und dauert nur sehr kurze Zeit.
Der Wechsel von Vorwärts- zu Rückwärts Vorspannung und umgekehrt in kurzer Zeit hat Auswirkungen auf den Schaltkreis und wird von vielen Leuten oft ignoriert.
Doch bevor wir uns mit den Schalteigenschaften von PN-Übergang Dioden befassen, lernen wir einige Variablen kennen, die in der Erklärung verwendet werden. Diese sind:
- Wiederherstellungszeit = die Zeit, die die Diode benötigt, um vom Übergangszustand in den stationären Zustand zurückzukehren.
- Vorwärts Wiederherstellungszeit (tfr) = die Zeit, die die Diode benötigt, um von Sperrspannung auf Vorwärtsspannung umzuschalten
- Rückwärts Wiederherstellungszeit (trr) = die Zeit, die die Diode benötigt, um von Vorwärtsspannung auf Rückwärtsspannung umzuschalten
- Speicherzeit (Ts) = das Zeitintervall, in dem eine Diode im Vorwärts Zustand (Leitungszustand) bleibt, selbst wenn sie sich im Rückwärts Zustand befindet.
- Übergangszeit (Tt) = die Zeit, die die Diode benötigt, um nach ihrem Wechsel von Vorwärtsspannung auf Rückwärtsspannung und umgekehrt den stationären Zustand zu erreichen.
- Ladungsträgerdichte, auch Träger Konzentration genannt = die Anzahl der Ladungsträger pro Volumen.
- Vorwärtsspannung, VF ist der Spannungsabfall einer Diode über A und K, wenn sie in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist.
- Rückstrom, IR ist der Strom bei einer bestimmten Spannung, die unter der Durchbruchspannung liegt.
Jetzt lernen wir die Sperrverzögerungszeit (trr) kennen. Wie oben angegeben ist dies die Zeit, die eine Diode braucht, um von einer Vorwärts Vorspannung in eine Sperr Vorspannung zu wechseln. Die Beziehung zwischen der Zeit und der Spannung wird unten dargestellt.
Die wichtigen Zeitstempel sind:
- Der Zeitpunkt 0 bis t1 ist der stationäre Zustand der Vorwärts Vorspannung.
- Zum Zeitpunkt t1 findet ein plötzlicher Wechsel von Vorwärts Vorspannung zu Rückwärts Vorspannung statt.
- Die Zeit t1 bis t2 ist die Speicherzeit (Ts), die erforderliche Zeit, um die überschüssige Minoritätsträger Ladung zu entfernen.
- Die Zeit t2 bis t3 ist die Übergangszeit (Tt), die erforderliche Zeit, um vollständig auf Sperrspannung umzuschalten.
- Die Zeit t1 bis t3 ist die Sperrverzögerungszeit (trr), also die Gesamtzeit, die die Diode zum Umschalten von Vorwärts- auf Rückwärts-Vorspannung benötigt.
- Ab der Zeit t3 ist der stationäre Zustand der Rückwärts Vorspannung erreicht.
Die Sperrverzögerungszeit einer Diode ergibt sich aus der Summe von Speicherzeit und Übergangszeit.
Es ist wichtig, die Sperrverzögerungszeit zu berechnen. Ein niedrigerer trr bedeutet, dass schneller geschaltet werden kann.
Wenn das Zeitintervall vom maximalen Sperrstrom bis zu etwa 0,25 des Sperrverzögerung Stroms (IRR) ignoriert werden kann (üblicher Fall), gilt die folgende Gleichung:
Und der Sperrverzögerung Strom
wobei QRR die Speicherladung ist.
Bedenken Sie, dass es mehrere Faktoren gibt, die die Fähigkeit einer Diode als Schalter beeinflussen können:
- Diode Widerstand
- Diodenkapazität
- Verarmung Breite
- Dotierungskonzentration