De diode is een populair elektrisch onderdeel met een grote verscheidenheid aan toepassingen. Eén van de toepassingen is een diode als schakelaar.
Een diode is een elektrisch onderdeel met twee aansluitingen, opgebouwd door een PN-overgang, waardoor het in twee modi kan werken, net als een schakelaar.
In principe:
- Wanneer de diode in voorwaartse richting is voorgespannen, fungeert deze als een gesloten circuit of kortsluiting.
- Wanneer de diode in tegengestelde richting is voorgespannen, fungeert deze als een open circuit.
De voorwaartse bias is de AAN-status, terwijl de omgekeerde bias de UIT-status is.
De diode wordt in sperrichting voorgespannen en functioneert als een open schakelaar als een vooraf bepaalde spanning wordt overschreden, omdat de diode weerstand toeneemt. Er wordt een gesloten schakelaar gecreëerd wanneer de aangelegde spanning onder de referentiespanning daalt, omdat de diode weerstand afneemt en de diode in voorwaartse richting wordt voorgespannen.
Hoe bewijzen we het?
Het antwoord vinden we hieronder.
Diode als schakelaar
Waarom heeft een diode als schakelaar meer de voorkeur dan een mechanische schakelaar?
Er zijn verschillende voordelen aan het gebruik van een diode ten opzichte van een mechanische schakelaar:
- Diode wordt na verloop van tijd niet beïnvloed door oxidatie van metalen, in tegenstelling tot een mechanische schakelaar
- We hebben geen beweegbaar contact of onderdelen nodig zoals we die in een mechanische schakelaar vinden
- Er is een limiet aan het bedienen van de mechanische schakelaar, terwijl de elektrische schakelaar vrijwel onbeperkt is
- De mechanische schakelaar zal uiteindelijk kapot gaan in vergelijking met de diode die langer meegaat
Diode fungeert als schakelaar
De basiswerking van een diode is wanneer er spanning op de anode wordt gezet, de diode in voorwaartse richting is voorgespannen en als een gesloten circuit fungeert.
Anders, wanneer een spanning op de kathode wordt aangelegd, is de diode in tegengestelde richting ingesteld en werkt deze als een open circuit.
Deze elektronische component kan de omgekeerde stroomstroom blokkeren zolang de spanning op de kathode wordt aangelegd en nog steeds binnen de doorslagspanning blijft.
Een diode is opgebouwd uit een PN-overgang met:
- P-regio is licht gedoteerd en
- N-regio is zwaar gedoteerd
Als terminal A een hoger potentieel krijgt dan terminal K, wordt het apparaat in de voorwaartse voorspanning modus gebruikt en wordt de stroom die in de weergegeven richting vloeit, voorwaartse stroom (IF) genoemd.
Dit veroorzaakt een relatief kleine spanningsval over het apparaat (< 1 V), die in ideale omstandigheden kan worden genegeerd.
Bekijk het onderstaande circuit waar de diode AAN is (voorwaarts voorgespannen) wanneer de spanning voorwaarts voorgespannen is (toegepast op de anode), terwijl de diode UIT is (tegengesteld voorgespannen) wanneer de spanning in tegengestelde richting is voorgespannen (toegepast op de kathode).
Aan de andere kant laat hij, wanneer hij in tegengestelde richting is ingesteld, geen stroom door en een praktische vermogensdiode zal een kleine stroom in de omgekeerde richting laten vloeien, de zogenaamde lekstroom.
Afschakelkarakteristieken van diode
Het gebruik van een diode als schakelaar is niet zonder enige berekening. Er zal iets zijn dat “rinkelen” wordt genoemd als de diode plotseling AAN en UIT wordt geschakeld voordat de hersteltijd is bereikt.
De oscillatie wordt gegenereerd door de plotselinge verandering van voorwaartse stroom naar tegenstroom en omgekeerd.
Samen met de oscillatie zal de plotselinge stroomverandering vermogensverlies genereren als gevolg van de lekstroom van het overschakelen naar plotseling. Hoe hoger de lekstroom, hoe groter het verlies.
Schakel Karakteristieken van PN-verbinding diode
In tegenstelling tot een mechanische schakelaar die vrijwel onmiddellijk tussen AAN en UIT kan schakelen, hebben de diode en andere elektronische componenten natuurlijk iets gemeen:
Voorbijgaande reactie
Deze reactie treedt op wanneer de diode van de ene toestand naar de andere toestand overschakelt, wat een zeer korte tijd duurt.
De verandering van voorwaartse bias naar omgekeerde bias en vice versa in een korte tijd zal een effect op het circuit veroorzaken, en dit wordt vaak door veel mensen genegeerd.
Maar voordat we beginnen te leren over de schakelkarakteristiek van PN Junction Diode, zullen we een paar variabelen leren die in de uitleg worden gebruikt, deze zijn:
- Hersteltijd = de tijd voordat de diode herstelt van de transiënte toestand naar de stabiele toestand.
- Forward Recovery Time (tfr) = de tijd die de diode nodig heeft om over te schakelen van tegengesteld voorgespannen naar voorwaarts voorgespannen
- Reverse Recovery Time (trr) = de tijd die de diode nodig heeft om over te schakelen van voorwaarts voorgespannen naar achterwaarts voorgespannen
- Opslagtijd (Ts) = het tijdsinterval waarin een diode in de voorwaartse voorgespannen toestand (geleidingstoestand) blijft, zelfs als deze zich in de tegengestelde voorgespannen toestand bevindt.
- Overgangstijd (Tt) = de tijd die de diode nodig heeft om een stabiele toestand te bereiken na de verandering van voorwaarts voorgespannen naar tegengesteld voorgespannen en omgekeerd.
- Ladingsdragerdichtheid, ook wel dragerconcentratie genoemd = het aantal ladingsdragers per volume.
- Voorwaartse spanning, VF is de spanningsval van een diode over A en K wanneer deze voorwaarts is voorgespannen.
- Tegenstroom, IR is de stroom bij een specifieke spanning, die onder de doorslagspanning ligt.
Nu zullen we leren over de Reverse Recovery Time (trr), zoals hierboven vermeld is dit de tijd die nodig is voordat een diode in tegengestelde richting gaat van voorwaartse bias. De illustratie van de relatie tussen de tijd en de spanning wordt hieronder weergegeven.
De belangrijke tijdstempels zijn:
- Tijd 0 tot t1 is de stabiele toestand van voorwaartse bias.
- Tijd t1 is het moment waarop er een plotselinge verandering plaatsvindt van voorwaarts voorgespannen naar achterwaarts voorgespannen.
- Tijd t1 tot t2 is de opslagtijd (Ts), de benodigde tijd om de overtollige lading van de minderheid drager te verwijderen
- Tijd t2 tot t3 is de overgangstijd (Tt), de benodigde tijd om volledig over te schakelen naar omgekeerde bias
- Tijd t1 tot t3 is de omgekeerde hersteltijd (trr), de totale tijd die de diode nodig heeft om over te schakelen van voorwaarts voorgespannen naar achterwaarts voorgespannen
- Tijd t3 en daarna is de stabiele toestand van omgekeerde bias.
De omgekeerde hersteltijd van de diodeformule is de som van opslagtijd en overgangstijd.
Het is belangrijk om de omgekeerde hersteltijd te berekenen. Een lagere trr geeft aan dat er sneller kan worden geschakeld.
Als het tijdsinterval vanaf de maximale tegenstroom tot ongeveer 0,25 omgekeerde herstelstroom (IRR) kan worden genegeerd (veelvoorkomend geval), dan is de volgende vergelijking geldig:
En de omgekeerde herstelstroom
waarbij QRR de opslagkosten is.
Houd er rekening mee dat er verschillende factoren zijn die het vermogen van een diode als schakelaar kunnen beïnvloeden:
- Diode weerstand
- Diode Capaciteit
- Uitputting breedte
- Dopingconcentratie