Обратное и прямое включение диода: Прямое и обратное включение перехода

Содержание

ВАХ полупроводникового диода

Вах-вах-вах… Обычно эти слова употребляют, рассказывая анекдоты про кавказцев))) Кавказцев прошу не обижаться – я уважаю Кавказ. Но, как говорится, из песни слов не выкинешь. Да и в нашем случае это слово имеет другой смысл. Да и не слово это даже, а аббревиатура.

ВАХ – это вольт амперная характеристика. Ну а нас в этом разделе интересует вольт амперная характеристика полупроводникового диода.

График ВАХ диода показан на рис. 6.

Рис. 6. ВАХ полупроводникового диода.

На графике изображены ВАХ для прямого и обратного включения диода. Ещё говорят, прямая и обратная ветвь вольт-амперной характеристики. Прямая ветвь (Iпр и Uпр) отображает характеристики диода при прямом включении (то есть когда на анод подаётся «плюс»). Обратная ветвь (Iобр и Uобр) отображает характеристики диода при обратном включении (то есть когда на анод подаётся «минус»).

На рис. 6 синяя толстая линия – это характеристика германиевого диода (Ge), а чёрная тонкая линия – характеристика кремниевого (Si) диода.

На рисунке не указаны единицы измерения для осей тока и напряжения, так как они зависят от конкретной марки диода.

Что же мы видим на графике? Ну для начала определим, как и для любой плоской системы координат, четыре координатных угла (квадранта). Напомню, что первым считается квадрант, который находится справа вверху (то есть там, где у нас буквы Ge и Si). Далее квадранты отсчитываются против часовой стрелки.

Итак, II-й и IV-й квадранты у нас пустые. Это потому, что мы можем включить диод только двумя способами – в прямом или в обратном направлении. Невозможна ситуация, когда, например, через диод протекает обратный ток и одновременно он включен в прямом направлении, или, иными словами, невозможно на один вывод одновременно подать и «плюс» и «минус». Точнее, это возможно, но тогда это будет короткое замыкание))). Остаётся рассмотреть только два случая –

прямое включение диода и обратное включение диода.

График прямого включения нарисован в первом квадранте. Отсюда видно, что чем больше напряжение, тем больше ток. Причём до какого-то момента напряжение растёт быстрее, чем ток. Но затем наступает перелом, и напряжение почти не меняется, а ток начинает расти. Для большинства диодов этот перелом наступает в диапазоне 0,5…1 В. Именно это напряжение, как говорят, «падает» на диоде. То есть если вы подключите лампочку по первой схеме на рис. 3, а напряжение батареи питания у вас будет 9 В, то на лампочку попадёт уже не 9 В, а 8,5 или даже 8 (зависит от типа диода). Эти 0,5…1 В и есть падение напряжения на диоде. Медленный рост тока до напряжения 0,5…1В означает, что на этом участке ток через диод практически не идёт даже в прямом направлении.

График обратного включения нарисован в третьем квадранте. Отсюда видно, что на значительном участке ток почти не изменяется, а затем увеличивается лавинообразно. Что это значит? Если вы включите лампочку по второй схеме на рис. 3, то светиться она не будет, потому что диод в обратном направлении ток не пропускает (точнее, пропускает, как видно на графике, но этот ток настолько мал, что лампа светиться не будет).

Но диод не может сдерживать напряжение бесконечно. Если увеличить, напряжение, например, до нескольких сотен вольт, то это высокое напряжение «пробьёт» диод (см. перегиб на обратной ветви графика) и ток через диод будет течь. Вот только «пробой» — это процесс необратимый (для диодов). То есть такой «пробой» приведет к выгоранию диода и он либо вообще перестанет пропускать ток в любом направлении, либо наоборот – будет пропускать ток во всех направлениях.

В характеристиках конкретных диодов всегда указывается максимальное обратное напряжение – то есть напряжение, которое может выдержать диод без «пробоя» при включении в обратном направлении. Это нужно обязательно учитывать при разработке устройств, где применяются диоды.

Сравнивая характеристики кремниевого и германиевого диодов, можно сделать вывод, что в p-n-переходах кремниевого диода прямой и обратный токи меньше, чем в германиевом диоде (при одинаковых значениях напряжения на выводах). Это связано с тем, что у кремния больше ширина запрещённой зоны и для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости им необходимо сообщить большую дополнительную энергию.


Идеальный диод

Представление реального диода в виде «идеального диода» равносильно модели идеального вентиля: полностью открыт (прямое включение), полностью закрыт (обратное включение). В закрытом положении ток равен нулю при любом отрицательном напряжении на диоде, в открытом положении напряжение равно нулю при любом токе. Таким образом дифференциальные сопротивления в закрытом и открытом состоянии равны соответственно бесконечности и нулю. На рис.2.2. представлены ВАХ «идеального диода»(жирно) и его схемы замещения в открытом и закрытом состяниях.

Рис. 2.2

Такое представление реального диода часто удобно использовать для анализа схем выпрямителей с большими значениями амплитуд выпрямляемых напряжений, когда нелинейностью начального участка прямой ветви ВАХ и наличием небольшого обратного тока можно пренебречь.

Рассмотрим пример работы простейшей выпрямительной схемы с «идеальным диодом» при гармоническом входном напряжении и нулевом постоянном смещении (Рис.

2.3). Величина сопротивления нагрузки R , с которого снимается выпрямленное напряжение, значительно больше дифференциального сопротивления в открытом состоянии реального диода, и меньше дифференциального сопротивления закрытого перехода.

Рис. 2.3

Пусть , причем амплитуда Еm такова, что можно использовать модель «идеального диода». При положительных значениях входного напряжения диод обладает нулевым дифференциальным сопротивлением, и ток в цепи равен

а при отрицательных значениях е(t) ток равен нулю. Осциллограммы тока и напряжений в схеме показаны на рис.2.4.

Рис. 2.4

Поскольку напряжение на нагрузке R несинусоидально, его можно разложить в ряд Фурье по гармоникам частоты входного напряжения. Выпрямленным напряжением является постоянная составляющая напряжения uR (t) :

Из рисунка 2.4 видно, что напряжение на нагрузке отнюдь не постоянно, а пульсирует относительно постоянного напряжения UR,0.

При наличии дополнительного постоянного напряжения Есм (смещение) изменится уровень положительных и отрицательных напряжений на диоде, т.к. входное напряжение выпрямителя будет равно

На рис.2.5 показаны осциллограммы тока и напряжений для отрицательного смещения. На рисунке положительные уровни сигналов отмечены штриховкой.

Рис. 2.5

Как видим, обратное напряжение на диоде здесь увеличилось на величину смещения, а выпрямленное напряжение уменьшилось не только за счет уменьшения амплитуды тока, но и за счет уменьшения длительности импульсов тока.

В данной схеме выпрямителя выходное напряжение не постоянно, а имеет форму усеченных косинусоидальных импульсов, что свидетельствует о наличии в спектре тока и напряжения гармоник частоты выпрямляемого напряжения. Для уменьшения амплитуды гармоник на нагрузке выпрямителя ставят специальные фильтры нижних частот. Простейшим вариантом такого фильтра является параллельная цепочка

RC вместо одного сопротивления R (см. рис.2.6).

Рис. 2.6

Величину емкости определяют исходя из заданного коэффициента подавления амплитуды первой гармоники, как наибольшей в спектре тока или из неравенства:

При выполнении этого неравенства постоянная составляющая тока протекает через резистор R , а все переменные составляющие – через конденсатор С , так как его сопротивление переменным токам будет значительно меньше сопротивления резистора.

Можно рассмотреть работу выпрямителя и во временной области. Осциллограммы токов и напряжений в установившемся режиме показаны на рис. 2.7, причем входное и выходное напряжения здесь совмещены на одном графике.

Рис. 2.7

Напряжение на диоде определяется разностью входного и выходного напряжений:

Напряжение же на выходе можно представить в виде процессов заряда и разряда конденсатора С . При положительных напряжениях на диоде сопротивление последнего равно нулю (или мало в реальном диоде в прямом режиме) конденсатор быстро (практически мгновенно) заряжается до напряжения, примерно равному е(t1); в следующие моменты времени напряжение на диоде становится отрицательным, диод закрывается, и емкость медленно разряжается через сопротивление

R достаточно большой величины. При правильном выборе С и R постоянная времени разряда емкости значительно больше постоянной времени заряда, так что при разряде напряжение на выходе почти не меняется. В установившемся режиме выходное напряжение колеблется около некоторого среднего значения Uвых,0 , близком по величине к амплитуде входного напряжения. Пульсации выпрямленного напряжения здесь значительно меньшие, чем в схеме без конденсатора.

Полупроводниковый диод

Проводники и изоляторы

Все вещества состоят из одного или более химических элементов, таких, как кислород, сера и т. д. Мельчайшей составной частью вещества явля­ется атом. Атомы различных элементов могут, соединяясь, образовывать молекулы вещества: например, молекула воды включает в себя два атома водорода и один атом кислорода. Таким образом, получаются различные вещества.

Атом, в свою очередь, состоит из более мелких частиц, электронов, вращающихся вокруг ядра, которое находится в центре атома и содержит один или более протонов (рис. 20.1). Отрицательно заряженные электро­ны притягиваются положительно заряженными протонами и непрерывно вращаются по орбитам, или оболочкам, вокруг ядра. Количество элек­тронов в точности равно количеству протонов.

Атомы различных элементов отличаются друг от друга количеством электронов: например, у атома водорода один электрон, тогда как атом углерода имеет шесть электронов. Под действием электрического потен­циала электроны, слабо связанные с ядром (так называемые свободные электроны), покидают свои орбиты и начинают упорядоченное движение, образуя поток электронов, или электрический ток. Возникает электри­ческая проводимость.

 

Рис. 20.1. Атомы состоят из отрицательно заряженных электронов, вращаю­щихся вокруг положительного ядра.

 

Рис. 20.2. Проводники, полупроводники и изоляторы. 

Хороший проводник имеет большое число «несвязанных», или свобод­ных, электронов, которые способствуют возникновению электрического тока. Хороший проводник обладает столь малым сопротивлением, что им можно пренебречь. Примерами могут служить серебро, медь или алюми­ний (рис. 20.2).

Изолятор — это материал, имеющий очень малое количество свобод­ных электронов. Изоляторы препятствуют протеканию электрического тока и, следовательно, обладают очень большим сопротивлением, при­ближающимся к сопротивлению разомкнутой цепи. Примерами могут служить стекло, сухое дерево, резина, поливинилхлорид, слюда и полистирол.  

Полупроводники

Атомы полупроводников сгруппированы в правильную структуру, назы­ваемую «кристаллической решеткой». Они не являются хорошими про­водниками (откуда и их название), поскольку содержат очень мало сво­бодных электронов. Количество свободных электронов возрастает при повышении температуры, что приводит к увеличению проводимости. Эти свободные электроны называют неосновными носителями.

Проводимость также может быть улучшена посредством добавления определенного количества примесей. Такие примеси, как атомы мы­шьяка, вносят в решетку дополнительные электроны, в результате че­го получается полупроводник n-типа. Эти атомы называются атомами-донорами. Добавление атомов, называемых атомами-акцепторами (например, атомов алюминия) приводит к недостатку электронов, или к образованию так называемых дырок, при этом получается полупровод­ник p-типа (рис. 20.3). Электроны и дырки, полученные при внедрении примесей, называют основными носителями.

                  

                               

Рис. 20.3. Полупроводники n— и p-типа     Рис. 20.4. Плоскостной диод с рп-переходом.

 

Плоскостной диод

Если полупроводник р-типа соединить с полупроводником n-типа (рис. 20.4), то под действием диффузии электроны из области с прово­димостью n-типа начнут перетекать в область с проводимостью р-типа, чтобы заполнить дырки в этой области. Перетекание электронов продол­жается до тех пор, пока по обе стороны рта-перехода не образуется ней­тральная зона, или так называемый обедненный слой. Этот обедненный слой приводит к возникновению потенциального барьера, препятствую­щего дальнейшему движению электронов через границу раздела.

Чтобы пересечь границу раздела, электроны должны теперь обладать энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера. Ис­точником этой энергии может служить внешняя электродвижущая сила (ЭДС). Высота потенциального барьера зависит от типа применяемого полупроводника. Например, для германия (Ge) она составляет 0,3В, адля кремния (Si) – 0,6 В.

 

Характеристики диода

При обратном включении диода (рис. 20.5) электроны области с проводи­мостью n-типа (n-области) притягиваются положительным полюсом ис­точника напряжения смещения, а дырки р-области притягиваются отри­цательным полюсом. В результате обедненный слой расширяется, и уве­личившийся потенциальный барьер еще сильнее препятствует проникно­вению электронов через границу раздела.

При прямом включении диода (рис. 20.6) обедненный слой исчезает, и электроны получают возможность перетекать через границу раздела, т. е. ток, создаваемый основными носителями, свободно протекает через диод

.

Рис. 20.5. Обратное включение диода. На рис. (а) видно, что обедненный слой расширился.

Рис. 20.6. Прямое включение диода. На рис, (а) показано исчезновение обед­ненного слоя.

 

Но следует отметить, что на диоде существует постоянное падение напряжения, называемое падением напряжения при прямом включении или прямым напряжением диода (0,3 В для диодов из германия и 0,6 В для кремниевых диодов).

Характеристики плоскостного диода в случае прямого включения по­казаны на рис. 20.7. Заметим, что, как только напряжение смещения превысит потенциальный барьер диода, через него начинает протекать большой ток. При этом очень малое увеличение напряжения смещения приводит к сильному увеличению тока, протекающего через диод. При напряжениях ниже прямого напряжения через диод протекает малый ток утечки (несколько микроампер), которым обычно пренебрегают.

 Характеристики диода в случае обратного включения показаны на рис. 20.8. При обратном включении через диод протекает очень малый ток, вызванный неосновными носителями. Величина этого обратного тока практически постоянна вплоть до достижения максимального напряже­ния, называемого напряжением пробоя рта-перехода или обратным пико­вым напряжением. Если приложить еще большее напряжение, то насту­пает пробой и обратный ток резко возрастает, что приводит к разрушению диода. Поэтому при включении диода в схему следует убедиться, что обратное напряжение на нем не превысит напряжение пробоя, ука­занное изготовителем. Германиевые диоды имеют больший ток утечки и, следовательно, более низкое сопротивление при обратном включении, чем кремниевые диоды.

Рис. 20.7. Характеристики герма­ниевого

и кремниевого диодов при прямом включении.        Рис. 20.8. Характеристики плос­костного диода в случае обратного включения.

В этом видео рассказывается о принципах работы диода:

Лабораторная работа№10 по электротехнике

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10. -6ч
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА

  1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

  1. Ознакомиться с устройством и принципом работы полупроводниковых диодов.

  2. Приобрести практические навыки в снятии вольтамперной характеристики кремниевого и германиевого диодов.

  3. Определить статическое и дифференциальное сопротивления исследуемых диодов.

  1. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ

Широко распространенным элементом электрических цепей являются полупроводниковые диоды.

Диодами называются полупроводниковые приборы, имеющие один pn переход и два вывода (электрода). Структура и схематическое обозначение диода показано на рис. 10.1. P-область представлена стрелкой, а n-часть — чертой. Вывод от n-области называется катодом, а вывод от p-области — анодом.

p-n переход

Анод

р

i n

i

Катод А

N

К

А

1

1

1

i

i

i

К

Рис.10.1. Структура (а) и схематическое обозначение (б) диода

а б

Диод образован соединением двух полупроводников p и n типа. В месте контакта этих материалов образуется pn переход, который определяет свойства диода. Ширина pn перехода очень мала, от 1 до 50 мкм.

Так как концентрация электронов в n-области больше, чем в p-области, электроны диффундируют из n-области в р-область. Аналогичным образом дырки диффундируют из р-области в n-область. По мере диффузии пограничный слой р-области обедняется дырками и в нем возникает отрицательный объемный заряд ионизированных атомов акцепторной примеси. Пограничный слой n-области обедняется электронами, и в нем возникает положительный объемный заряд за счет ионизированных атомов доноров.

Область pn перехода, имеющую пониженную концентрацию основных носителей заряда, называют запирающим слоем или обедненным слоем. За счет положительного объемного заряда в пограничном слое n-области электрический потенциал этой области становится выше, чем потенциал р-области.

Между п- и р-областями возникает разность потенциалов, которая называется контактной.

Поскольку электрическое поле pn перехода препятствует диффузии основных носителей в соседнюю область, то считают, что между ри n областями установился потенциальный барьер.

Потенциальный барьер довольно мал, его величина составляет несколько десятых долей вольта. Типичные значения потенциального барьера — 0,3 вольта для pn перехода в германии, и 0,7 вольта для pn перехода в кремнии. Потенциальный барьер проявляется, когда к pn переходу прикладывается внешнее напряжение.

При прямом включении pn перехода (рис. 10.2, а), когда «+» источника питания подается на область р, а «-» — на область n, потенциальный барьер уменьшается. Вследствие этого диффузия основных носителей через pn переход значительно облегчается и во внешней цепи возникает ток. Такой ток называют токо м прямо го направления или прямым током, а переход считают смещенным в прямо м направлении .

Рис. 10.2. Способы подачи напряжения на p-n переход:
а — прямое включение; б — обратное включение

При обратном включении pn перехода (рис. 10.2, б), когда «+» источника питания подается на область n, а «-» — на область р, потенциальный барьер возрастает. В этом случае переход основных носителей из одной области в другую затрудняется и уменьшается ток во внешней цепи. Такой ток называют обратным, а переход считают смещенным в обратном направлении.

Таким образом, в зависимости от полярности приложенного напряжения диод может находиться в одном из двух состояний: открытом либо закрытом. Такое свойство pn перехода и диода называют вентильным эффектом.

В зависимости от функционального назначения диоды делят на выпрямительные, универсальные, импульсные, стабилитроны, варикапы, туннельные, параметрические, фотодиоды, светодиоды и др.

В качестве выпрямительных диодов используют сплавные и диффузионные диоды, выполненные на основе несимметричных pn переходов. Для выпрямительных диодов характерно малое сопротивление в проводящем состоянии и возможность пропускать большие токи. Барьерная емкость из-за большой площади pn перехода велика и достигает значений десятков пикофарад.

Выпрямительные диоды обладают односторонней проводимостью электрического тока. Это свойство используют, например, в выпрямителях, где диоды преобразуют переменный ток электрической сети в ток постоянный для питания радиоаппаратуры и другой электротехники, в приемниках — для детектирования модулированных колебаний высокой частоты, то есть преобразования их в колебания низкой (звуковой) частоты и т.д.

Зависимость тока, протекающего через диод, от приложенного к нему напряжения называют вольтамперной характеристикой (ВАХ) pn перехода (полупроводникового диода). ВАХ диода снимают экспериментально. Типичная вольтамперная характеристика для кремниевого и германиевого диодов приведена на рис. 10.3.

Основные параметры выпрямительных диодов

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

  • прямое напряжение на диоде ипр. — напряжение при определенном значении прямого тока

  • максимально допустимый прямой ток диода — 1пр.тах’,

  • максимально допустимое обратное напряжение иобртах — значение напряжения, приложенного в обратном направлении, которое диод может выдержать в течение длительного времени без нарушения его работоспособности;

  • обратный ток диода 1обр — среднее значение обратного тока при заданном обратном напряжении Uo6p;

  • максимально допустимая рассеиваемая мощность на диоде Ртах.

  • предельно допустимая температура диода Tmax.

Рис.10.3. Вольтамперные характеристики кремниевого и германиевого диодов

Превышение предельно допустимых параметров приводит, как правило, к тепловому пробою и разрушению полупроводникового диода.

Основные электрические параметры полупроводниковых диодов связаны с односторонней проводимостью диодов и показаны на ВАХ (рис. 10.4).

Рис. 10.4. Основные параметры диодов

К основным параметрам полупроводникового диода также отно

сятся:

статическое сопротивление (сопротивление диода постоянному току)

» (10.1)

где U и I — напряжение и ток в рабочем режиме; дифференциальное сопротивление диода Ri (сопротивление переменному току) — отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его приращению тока

В прямом направлении Ri составляет единицы Ом, в обратном — сотни кОм.

Эти параметры можно определить на прямой ветви вольтамперной характеристики диода (рис. 10.5) следующим образом:

Аналогично можно определить данные параметры и на обратной ветви ВАХ.

Важным параметром диода является его емкость. В pn переходе имеется двойной слой из положительно заряженных доноров с одной стороны и отрицательно заряженных акцепторов — с другой. Этот двойной электрический слой подобен заряженным обкладкам конденсатора. Эту емкость называют барьерной

(1а5)

где S — площадь p-n перехода;

d — толщина обедненного слоя; s — диэлектрическая проницаемость среды; s0 = 8,8510-12 Ф/м.

Изменение заряда в pn переходе может быть также вызвано изменениями концентрации подвижных носителей заряда в p и n областях при прямом смещении pn перехода. Эту емкость называют диффузионной Сдиф.. Эта емкость зависит от тока: чем выше ток, тем выше Сдиф. Обе емкости обуславливают инерционность pn перехода. Наибольшее влияние на работу pn перехода оказывает барьерная емкость.

В настоящее время более широкое распространение получили кремниевые выпрямительные диоды, которые имеют следующие преимущества:

  1. малые обратные токи;

  2. высокое значение допустимого обратного напряжения, которое достигает 2500. .. 3500 В;

  3. работоспособность кремниевых диодов сохраняется при температурах от — 60° С до +150 °С, германиевых лишь от -60 °С до +80 °С. Преимуществом германиевых диодов является малое падение

напряжения при пропускании прямого тока (0,2 — 0,6 В против 0,8 — 1,2 у кремниевых). Поэтому в выпрямительных устройствах низких напряжений выгоднее применять германиевые диоды, так как их сопротивление в прямом направлении в 1,5.2 раза меньше, чем у кремниевых.

  1. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ

    1. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В данной лабораторной работе исследуются наиболее широко распространенные кремниевые и германиевые диоды. Для этого необходимо снять прямую и обратную ветвь вольтамперной характеристики, используя ВАХ, определить статическое и динамическое сопротивления полупроводникового диода.

Для снятия прямой ветви вольтамперной характеристики в данной лабораторной работе используют схему, показанную на рис. 10.6. Для снятия обратной ветви ВАХ диода необходимо изменить полярность питающего напряжения и его значение (рис. 10.7).

Входное напряжение с помощью трансформатора понижается до определенного значения. Для преобразования переменного тока в постоянный используется выпрямительный мост на диодах VD1VD4. Изменяя положение движка потенциометра R1, можно задавать различный ток через исследуемый диод VD5. Измеряя напряжение на диоде с помощью вольтметра PVи ток с помощью амперметра РА, построить по точкам прямую и обратную ветви вольтамперной характеристики.

TV

— 220 B

~ 220 B 50 Гц

  1. Ознакомиться с оборудованием лабораторного стенда и измерительными приборами.

  2. Записать в таблицу 10.1 технические данные измерительных приборов, используемых при выполнении работы.

Таблица 10. 1

Сведения об измерительных приборах

РА

PV

Наименование прибора

Тип и номер прибора

Система измерительного механизма (наименование и обозначение)

Предел измерений

Класс точности

Род тока

Цена деления прибора

(при предельных значениях тока 1,5 А и 0, 015 А)

(при предельных значениях напряжения 1,5 В и 75 В)

Абсолютная погрешность измерения

  1. Выписать из справочника основные параметры используемых диодов.

  2. Собрать схему электрической цепи по рис. 10.6. В качестве трансформатора используется унифицированный анодно-накальный трансформатор ТАН-17. Реостат Rj = 15 Ом. На амперметре РА типа М2051 установить предел измерений 1,5 А, на вольтметре PV типа М2051 установить предел измерений 1,5 В и представить схему для проверки преподавателю.

  3. Изменяя положение движка резистора Rj, подать на диоды напряжение от 0 до 0, 7 В, при этом снимая показания вольтметра и амперметра. Во избежание выхода диода из строя ток не должен превышать 1,5 А. Данные занести в табл. 10.2.

  4. Собрать цепь, показанную на рис. 10.7. Реостат R2 = 470 Ом. На амперметре РА типа М2051 установить предел измерений 0,015 А, на вольтметре PV типа М2051 установить предел измерений 75 В и представить схему для проверки преподавателю.

  5. Изменяя положение движка резистора R2, подать на диоды обратное напряжение от 0 до 80 В, при этом снимая показания вольтметра и амперметра. Данные занести в таблицу 10.3.

Таблица 10.2

Экспериментальные данные прямого включения диодов

U,

В

Si

Ge

А

Si

Ge

Таблица 10.3

Экспериментальные данные обратного включения диодов

иобр-, В

Si

Ge

1обр-, А

Si

Ge

  1. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

  1. Используя экспериментальные данные таблиц 10.2 и 10.3, построить вольтамперные характеристики германиевого и кремниевого диодов. Построение ВАХ каждого диода сделать на отдельном рисунке.

  2. Из полученных характеристик найти ипр при 1пр = 0,5 мА и иобр при 1обр= 0,5 мА для германиевого и кремниевого диода.

  3. Определить статическое и дифференциальное сопротивление диодов в точке, указанной преподавателем.

  4. ВОПРОСЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ И САМОКОНТРОЛЯ СТУДЕНТОВ

  1. Какое основное свойство диода на основе p-n перехода?

  2. Что такое обедненный слой, потенциальный барьер?

  3. Что такое прямое и обратное включение диода? Нарисовать, пользуясь схематическим обозначением диода.

  4. При каких условиях открывается кремниевый (германиевый) диод?

  5. Нарисовать вольтамперную характеристику диода. Показать на ней прямую и обратную ветвь.

  6. Перечислите основные параметры выпрямительных диодов и показать их на вольтамперной характеристике диода.

  7. Каким образом можно определить статическое и дифференциальное сопротивление диода?

Полупроводниковые диоды

 

3.7. Полупроводниковые диоды

 

1. Электронно-дырочный переход

Основным элементом большинства полупроводниковых приборов является электронно-дырочный переход (p-n переход) – область на границе двух полупроводников с электронный и дырочной проводимостью.

При отсутствии внешнего электрического поля за счет теплового движения носители заряда будут диффундировать из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией: электроны из n области переходят в р область, дырки – в обратном направлении (см. рисунок 3.26а, где темными кружками изображены электроны, светлыми – дырки). В результате ухода электронов в n области остаются положительные ионы донорной примеси, а в результате ухода дырок в p области остаются отрицательные ионы акцепторной примеси. Кроме этого, электроны, пришедшие в р область, рекомбинируют с дырками, образуя отрицательные ионы. Аналогично, дырки в n области рекомбинируют с электронами, образуя положительные ионы.

В результате на границе между областями образуется двойной слой разноименно заряженных ионов (на рисунке ионы показаны кружками с плюсом и минусом). Этот слой называется запирающим. Он обеднен основными носителями заряда и обладает большим сопротивлением по сравнению с сопротивлением n и p областей.

 Между образовавшимися объемными зарядами существует электрическое поле с разностью потенциалов 0,3-0,7 В (контактная разность потенциалов). Напряженность этого поля Ек направлена из n области в  р область (рис. 3.26а).

Она препятствует дальнейшей диффузии основных носителей заряда и способствует переходу неосновных носителей в соседнюю область. Для основных носителей в этом случае возникает потенциальный барьер, высота которого равна контактной разности потенциалов.

Электрический ток, созданный диффузией основных носителей через переход, называется диффузионным. Электрический ток, созданный движением неосновных носителей под действием электрического поля, называется дрейфовым. Эти токи направлены в разные стороны и в отсутствие внешнего электрического поля компенсируют друг друга. Поэтому полный ток через переход равен нулю.

 

2. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода

Полупроводниковый диод представляет собой кристалл с электронно-дырочным переходом, к противоположным областям которого присоединены контакты для включения в цепь. Рассмотрим процессы протекания тока через диод при различной полярности внешнего напряжения.

Сначала подключим положительный полюс источника напряжения к области р-типа, а отрицательный – к области n-типа (прямое подключение) и будем постепенно увеличивать подаваемое напряжение (рис. 3.26 б). Напряженность внешнего электрического поля Епр направлена противоположно напряженности электрического поля запирающего слоя Ек, высота потенциального барьера понижается, что способствует движению основных носителей заряда через переход. Сопротивление перехода резко уменьшается и уже при напряжении десятые доли вольта запирающий слой (и, соответственно, потенциальный барьер) практически исчезает. Поэтому на начальном участке прямая ветвь вольт-амперной характеристики (зависимость силы тока в элементе от приложенного к нему напряжения) полупроводникового диода имеет значительную нелинейность, а затем становится почти линейной (рис. 3.27а). Небольшая нелинейность здесь объясняется тем, что при увеличении силы тока n и p области нагреваются и их сопротивление уменьшается (за счет генерации основных носителей заряда). У германиевых диодов рост тока начинается уже при напряжении около 0,1 В, а у кремниевых – около 0,5 В (рис. 3.27а).

При повышении температуры происходит разрыв ковалентных связей в полупроводниках, что приводит к увеличению концентрации носителей и, соответственно, уменьшению сопротивления. Поэтому при повышении температуры прямая ветвь вольт-амперной характеристики приближается к оси силы тока (рис. 3.28).

Если к диоду приложить напряжение обратной полярности (обратное подключение), то направление напряженности внешнего поля совпадет с направлением напряженности запирающего электрического слоя (рис. 3.26 в). Результирующее поле усиливается (потенциальный барьер повышается). Толщина запирающего слоя, а, следовательно, и сопротивление перехода значительно увеличивается. Это приводит к почти полному прекращению тока основных носителей и почти не увеличивает ток неосновных носителей, поскольку их число ограничено. В результате при увеличении обратного напряжения обратный ток через переход сначала резко увеличивается (за счет уменьшения тока основных носителей, направленного навстречу току неосновных), а затем практически не изменяется (рис. 3.27б). Рост обратного тока происходит за счет нагрева перехода током, а также за счет увеличения числа носителей заряда в результате ударной ионизации (при высоком обратном напряжении электроны приобретают большую скорость и энергию, достаточную для выбивания из атомов кристаллической решетки новых электронов).

Обратный ток сильно зависит от температуры и у германиевых диодов он значительно больше, чем у кремниевых. Поэтому германиевые диоды можно использовать как датчики температуры при их обратном включении.

При некотором значении обратного напряжения возникает электрический пробой p-n перехода (при нем еще не происходит разрушения структуры вещества). Сопротивление запирающего слоя значительно уменьшается и обратный ток резко возрастает (участок А-Б-В на рисунке 3.27б). Могут существовать два вида электрического пробоя – лавинный и туннельный. Лавинный пробой происходит за счет лавинного увеличения числа носителей в результате ударной ионизации. Он характерен для p-n переходов большой толщины, получающихся при малой концентрации примесей в полупроводниках. В тонких переходах возможен туннельный пробой за счет туннельного эффекта. Работа диода в режиме электрического пробоя используется в специальных типах диодов – полупроводниковых стабилитронах.

При дальнейшем увеличении напряжения возникает  тепловой пробой перехода (участок В-Г). При протекании большого обратного тока в переходе выделяется количество теплоты больше того, которое отводится от перехода. Поэтому температура перехода увеличивается, сопротивление уменьшается и ток еще больше возрастает. Переход перегревается и вещество разрушается.

Анализ прямого и обратного подключения диода к источнику напряжения позволяет сделать вывод, что полупроводниковый диод хорошо проводит ток в прямом направлении и очень плохо в обратном. Это свойство диода позволяет применять его для выпрямления переменного тока.

 

3. Проверка исправности и определение выводов диодов

Проверка исправности полупроводниковых диодов может осуществляться с помощью омметра. Для этого измеряют сопротивление диода, подключая его к омметру сначала в одном направлении, затем в обратном. Как указывалось выше, при подключении диода в прямом направлении его сопротивление малое, в обратном направлении – очень большое. У неисправного диода сопротивление в обоих случаях равно нулю или бесконечности.

По аналогии с выводами вакуумного диода выводы полупроводникового диода также называют катодом и анодом. Катод – это вывод от области n типа, а анод – вывод от области p типа. На корпусе больших диодов изображают условное обозначение диода, на корпусе малых диодов делают специальную отметку, позволяющую найти вывод анода. Полярность диода можно определить экспериментально с помощью омметра. Для этого нужно знать, какой вывод внутреннего источника питания омметра подключен к гнезду «общ». Это можно определить с помощью диода с маркированной полярностью или вольтметра.

Для определения выводов диода необходимо подключить его к омметру в прямом направлении (чтобы сопротивление было малым) и посмотреть, какой вывод диода подключен к проводу омметра, соединенному с положительным полюсом внутреннего источника питания. Этот вывод диода и будет анодом.

 

Прямое смещение против обратного смещения и их влияние на функциональность диода

 

С того дня, когда моя мама удивила меня первым домашним компьютером на Рождество, ну, скажем так, давным-давно, я был заинтригован этой технологией. Как бы то ни было, в то время я был предметом зависти всех товарищей-компьютерщиков, ботаников и учителей в моей школе. Там я был с впечатляющими 64 килобайтами необработанной вычислительной мощности.

Теперь перенесемся в настоящее время, и мой ноутбук использует в 100 000 раз больше только оперативной памяти.Таким образом, можно с уверенностью сказать, что компьютерные технологии развивались. Однако есть одна вещь, которой нет, и это конкурентоспособность производителей компьютеров.

Бывают случаи, когда выбор одного устройства или метода зависит от потребности или функции. Более того, потребность в той или иной функциональности является преобладающей движущей силой при выборе устройства или процесса в области электроники.

Что такое диодное смещение или смещение?

Прежде чем мы сравним два типа предвзятости, сначала я расскажу об их индивидуальных характеристиках.В электронике мы определяем смещение или смещение как метод установления набора токов или напряжений в различных точках электронной схемы для установления надлежащих условий работы внутри электронного компонента. Хотя это упрощенная версия ответа, в целом она верна. Кроме того, при смещении существуют два типа смещения: прямое смещение и обратное смещение.

Я уверен, вы знаете, что диод (PN-переход) действует подобно шоссе с односторонним движением, поскольку он позволяет току легче течь в одном направлении, чем в другом.Таким образом, диод обычно проводит ток в одном направлении, и напряжение, которое они прикладывают, соответствует описанной ориентации прямого смещения. Однако, когда напряжение движется в обратном направлении, мы называем эту ориентацию обратным смещением. Кроме того, при обратном смещении стандартный диод с PN-переходом обычно подавляет или блокирует протекание тока, почти как электронный вариант обратного клапана.

Прямое смещение и обратное смещение

В стандартном диоде прямое смещение происходит, когда напряжение на диоде допускает естественное протекание тока, тогда как обратное смещение обозначает напряжение на диоде в противоположном направлении.

Однако напряжение, присутствующее на диоде во время обратного смещения, не вызывает значительного протекания тока. Кроме того, эта конкретная характеристика полезна для преобразования переменного тока (AC) в постоянный ток (DC).

Существует множество других применений этой характеристики, включая управление электронными сигналами.

Знание размещения стабилитронов может создать или разрушить проект.

 

Работа диода

Ранее я дал более упрощенное объяснение работы стандартного диода.Детальный процесс диода может быть несколько сложным для понимания, поскольку он требует понимания квантовой механики. Работа диода связана с потоком отрицательных зарядов (электронов) и положительных зарядов (дырок). С технической точки зрения мы называем полупроводниковый диод p-n переходом. P-n переходы также являются неотъемлемой частью работы фотогальванического элемента.

В целом, для правильной работы диода требуется еще один важный элемент или процесс, называемый легированием.Вы можете легировать полупроводник материалами, чтобы облегчить избыток легко вытесняемых электронов, которые мы называем n-типом или отрицательной областью. Кроме того, полупроводник также можно легировать, чтобы создать избыток дырок, которые также легко поглощают эти электроны, и мы называем это p-типом или положительной областью. Причем положительные и отрицательные участки диода также называют его анодом (Р) и катодом (Н).

В целом именно различия между двумя материалами и их последующая синергия на очень коротких расстояниях (< миллиметра) облегчают работу диода.Однако функциональность диода возможна, конечно, только тогда, когда мы объединяем два типа (P, N) материалов. Кроме того, слияние этих двух типов материалов образует то, что мы называем p-n переходом. Кроме того, область, которая существует между двумя элементами, называется областью истощения.

Примечание. Имейте в виду, что для правильной работы диода требуется минимальное пороговое напряжение для преодоления области истощения. Кроме того, минимальное пороговое напряжение в большинстве случаев для диодов примерно равно 0.7 вольт. Кроме того, напряжение обратного смещения создает небольшой ток через диод, и это называется током утечки, но обычно им можно пренебречь. Наконец, если вы приложите значительное обратное напряжение, это вызовет полный электронный пробой диода, что позволит току течь в противоположном направлении через диод.

Функциональность и работа диода (продолжение)

Обычно, когда диффузия способствует последующему перемещению электронов из области n-типа, они начинают заполнять дырки в области p-типа.В результате этого действия образуются отрицательные ионы в области p-типа, оставляя после себя положительные ионы в области n-типа. В целом, управляющий контроль этого действия находится в направлении электрического поля. Как вы можете себе представить, это приводит к благоприятному электрическому поведению, зависящему, конечно, от того, как вы прикладываете напряжение, то есть от смещения.

Кроме того, что касается стандартного диода с p-n переходом, существуют три условия смещения и две рабочие области. Возможны следующие три типа условий смещения:

  • Прямое смещение : Это условие смещения включает подключение положительного потенциала напряжения к материалу P-типа и отрицательного потенциала к материалу N-типа через диод, что уменьшает ширину диода.

  • Обратное смещение : Напротив, это условие смещения включает соединение отрицательного потенциала напряжения с материалом P-типа и положительного потенциала с материалом N-типа через диод, что увеличивает ширину диода.

  • Нулевое смещение : Это состояние смещения, при котором на диод не подается внешний потенциал напряжения.

Прямое смещение против обратного смещения и их различия

Обратное смещение усиливает потенциальный барьер и препятствует потоку носителей заряда.Напротив, прямое смещение ослабляет потенциальный барьер, что позволяет току легче течь через переход.

При прямом смещении мы подключаем положительную клемму источника напряжения к аноду, а отрицательную клемму к катоду. Напротив, при обратном смещении мы подключаем положительный вывод источника напряжения к катоду, а отрицательный вывод — к аноду.

  • Прямое смещение уменьшает силу потенциального барьера электрического поля поперек потенциала, тогда как обратное смещение усиливает потенциальный барьер.

  • Прямое смещение имеет анодное напряжение, превышающее катодное напряжение. Напротив, при обратном смещении напряжение на катоде больше, чем напряжение на аноде.

  • Прямое смещение имеет значительный прямой ток, а обратное смещение имеет минимальный прямой ток.

  • Обедненный слой диода значительно тоньше при прямом смещении и намного толще при обратном смещении.

  • Прямое смещение уменьшает сопротивление диода, а обратное смещение увеличивает сопротивление диода.

  • Ток течет без усилий при прямом смещении, но обратное смещение не позволяет току течь через диод.

  • Уровень тока зависит от прямого напряжения при прямом смещении, однако величина тока минимальна или пренебрежимо мала при обратном смещении.

  • При прямом смещении устройство работает как проводник, а при обратном — как изолятор.

Планирование схемы на основе потенциалов смещения является признаком грамотного анализа.

 

Способность диода функционировать как два отдельных, но одинаково эффективных устройства делает его действительно адаптивным компонентом. Влияние смещения на функциональность диода обеспечивает оптимальный контроль над тем, какую функцию диод будет играть в вашей схеме. Использование прямого и обратного смещения дает разработчику схемы оптимальный контроль над функциональностью диода.

К счастью, благодаря набору инструментов Cadence для проектирования и анализа ваши дизайнеры и производственные группы будут работать вместе над внедрением методов прямого и обратного смещения во всех ваших проектах печатных плат.Allegro PCB Designer — это решение для компоновки, которое вы искали, и оно, несомненно, может облегчить реализацию стратегий проектирования с прямым или обратным смещением в ваших текущих и будущих проектах печатных плат.

Если вы хотите узнать больше о том, как у Cadence есть решение для вас, обратитесь к нам и нашей команде экспертов. Чтобы посмотреть видео по связанным темам или узнать, что нового в нашем наборе инструментов для проектирования и анализа, подпишитесь на наш канал YouTube.

Диод — MecatrónicaLATAM

ЧТО ТАКОЕ ДИОД?

Это полупроводниковое устройство с двумя выводами, анодом (+) и катодом (-), пропускающее электричество только в одном направлении.Благодаря этому диод имеет те же характеристики, что и ключ.

АнодКатодАнодКатод

Идеальный диод — это компонент, который имеет нулевое сопротивление прохождению тока в определенном направлении и бесконечное сопротивление в обратном направлении. В следующем примере мы можем заметить, что при правильной полярности диода он действует как замкнутый переключатель, и наоборот, при неправильной полярности диода он действует как разомкнутый переключатель, из-за чего цепь не замыкается.

Прямая поляризацияОбратная поляризация

Примечание : Некоторые диоды имеют обратную полярность, например стабилитрон.

Диоды обычно идентифицируются по ссылке:

  • В американской системе обозначение состоит из префикса «1N», за которым следует серийный номер. В этом случае «N» означает, что это полупроводник, «1» указывает количество PN-переходов, а серийный номер «XXXX» — точные характеристики или технические характеристики устройства.
  • В европейской или континентальной системе используется двухбуквенный префикс. В этом случае мы будем использовать BY254 в качестве примера, где «B» указывает на материал (кремний) и «Y» тип (выпрямитель).

Примечание : многие производители используют свои собственные каталожные номера.


СОСТАВ ДИОДА

Чтобы иметь возможность говорить о составе диода, мы должны сначала знать разницу между типом материала «P» и «N».

Тип материала P

    Полупроводник P-типа получают путем легирования, добавляя в полупроводник атомы для увеличения количества носителей заряда (в данном случае положительных зарядов или промежутков).

Тип материала N

    Полупроводник типа N получают путем легирования, добавляя в полупроводник атомы для увеличения количества носителей заряда (в данном случае отрицательных зарядов или электронов).

Полупроводниковый диод состоит в основном из PN-перехода, с добавлением клеммного соединения к каждому из металлических контактов его концов и капсулы, в которой находится все, оставляя снаружи клеммы, соответствующие аноду (зона P) и катоду (зона N). .


ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИОДА

Существует два типа поляризации диода: прямая и обратная.

Прямая поляризация

Анод подключается к положительному полюсу батареи, а катод к отрицательному полюсу.Одной из характеристик прямой поляризации является то, что диод проводит при падении напряжения от 0,6 до 0,7 В. Приложенное напряжение превышает контактный потенциал и уменьшает область обеднения. Анод, по сути, становится источником дырок, а катод — источником электронов, так что в соединении непрерывно генерируются промежутки и электроны. Ток экспоненциально возрастает по мере того, как приложенное напряжение стремится к величине контактного потенциала (от 0,6 до 0,7 В для кремния).(

кв Д / кт

) -1]

Где I D — ток через переход, I o — обратный ток насыщения, q — заряд электрона (1.60 x 10 -19 C), k — постоянная Больцмана (1,381 x 10 -23 Дж/К), V D — прямое напряжение смещения на переходе и T — абсолютная температура перехода в кельвинах .

Обратная поляризация

Анод подключается к отрицательной клемме батареи, а катод — к положительной клемме. Одной из характеристик обратной поляризации является то, что значение внутреннего сопротивления диода очень велико и, следовательно, действует как разомкнутый переключатель.Анод соединен с кремнием n-типа, а катод с кремнием p-типа, увеличивается область обеднения, что препятствует диффузии электронов и, следовательно, току. Хотя и протекает обратный ток насыщения (I o ), он чрезвычайно мал (порядка от 10 -9 до 10 -15 А).


ТИПЫ ДИОДОВ

Существуют различные типы диодов, которые могут различаться по своему внешнему виду, примесям, использованию электронов, а некоторые из них имеют определенные электрические характеристики, используемые для специального применения в цепи.

Вот некоторые из наиболее часто используемых диодов:

  • Выпрямительный диод
  • Диод Шоттки
  • Стабилитрон
  • Варикапный диод
  • Штифтовой диод
  • Диодный тоннель
  • Светодиод
  • Фотодиод

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Как и все электронные компоненты, диоды обладают свойствами, которые отличают их от других полупроводников.Необходимо знать эти спецификации, и этого требуют потребности проектирования. В этих заметках будут представлены наиболее важные характеристики с практической точки зрения.

Номинальные значения напряжения:

  • VF = постоянное напряжение на концах проводящего диода.
  • VR = Обратное напряжение на концах обратнополяризованного диода.
  • VRSM = обратное напряжение неповторяющегося пика.
  • VRRM = обратное пиковое обратное напряжение.
  • VRWM = рабочее пиковое обратное напряжение.

Номинальные значения тока:

  • IF = постоянный ток.
  • IR = обратный ток.
  • IFAV = Среднее значение формы волны тока за период.
  • IFRMS = Эффективный ток в состоянии проводимости. Это максимальный эффективный ток, который диод способен поддерживать.
  • IFSM = пиковый постоянный ток (начальный) неповторяющийся.
  • AV = среднее значение
  • RMS = среднеквадратичное значение (корень из среднего)

Номинальные значения температуры:

  • Tstg = Указывает максимальное и минимальное значения температуры хранения.
  • Tj = максимальное значение температуры, поддерживаемое полупроводниковым переходом.

ХАРАКТЕРИСТИКА ДИОДА

Вольт-амперная характеристика идеального диода показана на рисунке красным цветом. Эта модель подразумевает, что диод полностью активируется при любом напряжении, большем или равном 0. Кроме того, предполагается, что обратный ток насыщения равен 0, когда он имеет обратную поляризацию. Хорошее начальное приближение для реального диода дается синей линией, поскольку они воспроизводят фактическое падение напряжения от 0.от 6 до 0,7 В, измеренное через кремниевый диод при прямой поляризации.

Область разрываИнверсная поляризацияПрямая поляризацияI[ma]VO

«Идеальный диод имеет нулевое сопротивление при прямой полярности и бесконечное сопротивление при обратной полярности».

Реальному диоду требуется примерно 0,7 В прямой поляризации, чтобы обеспечить протекание значительного тока. Когда реальный диод смещен в обратном направлении, он может выдерживать обратное напряжение до предела, известного как напряжение пробоя, при котором диод выходит из строя при резком увеличении обратного тока.


ОСТОРОЖНО ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ДИОДА
  • Напряжение отключения : Приложение достаточно большого отрицательного напряжения к диоду может привести к тому, что ток будет течь в обратном направлении, для обычных диодов напряжение отключения составляет от -50 В до -100 В (некоторые диоды специально разработаны для в районе разрыва).

Схемы защиты от обратной полярности — ElectroSoftCloud

Сегодня я предлагаю вам несколько схем, которые помогут вам защитить ваши проекты от обратной полярности.Это поможет вам избежать повреждения вашей схемы, если в любой момент кто-то подключит блок питания наоборот.

Сначала я начну с самых простых диодов, затем перейду к релейным и, наконец, буду использовать мосфеты.

В своих объяснениях я буду использовать классический метод циркуляции тока, то есть от положительного полюса источника к отрицательному. В реальном смысле тока, наоборот, циркуляция тока была бы от отрицательного полюса к положительному полюсу.

Защита от обратной полярности с помощью диода

Этот тип защиты является самым простым и основным из всех, но я рекомендую его только для цепей низкого напряжения и тока. В эту цепь будет помещен диод прямого смещения, что сделает ее проводящей только при правильной полярности.

Рекомендуется использовать диоды Шоттки, так как падение напряжения на них меньше. Это также приведет к тому, что в них будет выделяться меньше тепла.

Если мы правильно подключим источник питания, ток будет циркулировать, и наша схема будет работать нормально.

Если, с другой стороны, мы неправильно подключим источник питания, диод заблокирует прохождение тока и, следовательно, защитит нашу цепь.

  • Преимущества:
    • Простая и дешевая схема
    • Компоненты не повреждаются при перепутывании источника
  • Недостатки:
    • Падение напряжения на диоде рассеивается в виде тепла. Это означает, что чем больше ток, тем больше рассеяние

Защита с помощью выпрямительного моста

Во второй схеме защиты от обратной полярности мы будем использовать выпрямительный мост.Отличие от предыдущего в том, что этим мостом мы будем выпрямлять ток, так что наша схема будет работать вне зависимости от того, как она подключена.

Как и предыдущий, рекомендуется только для цепей низкого напряжения и тока, так как тепловыделение диодов пропорционально величине проходящего через них тока.

При подключении, как показано на рисунке выше, диод D1 блокирует ток, поскольку он смещен в обратном направлении. Поэтому ток идет по пути D4 к нашей нагрузке.Как только он покидает нагрузку, он, наконец, проходит через диод D3, пока не достигнет отрицательного полюса источника.

Как видите, несмотря на то, что источник перевернут, ток также находит правильный путь к нашему заряду. На этот раз он покинет положительный полюс и пройдет через D2, который будет иметь прямую поляризацию. Пройдя через диод, он достигнет нагрузки, а затем выйдет, чтобы пройти через диод D1 и достичь отрицательного полюса нашего источника.

  • Преимущества:
    • Простая схема
    • Наша схема будет работать независимо от того, как подключен источник .Это означает, что чем больше ток, тем больше рассеивание

Защита с использованием диода и предохранителя

Этот тип защиты от обратной полярности основан на подключении предохранителя между нашей цепью и нагрузкой, а затем ее защите диодом параллельно источнику.

При подключении источника с соблюдением полярности наша схема будет работать нормально.

Однако при подключении к обратному смещению диод переходит в прямое смещение, пропуская через него весь ток.

Когда это произойдет, ток через предохранитель будет выше максимально допустимого, и он расплавится, размыкая цепь и защищая ее.

Этот тип схемы широко используется из-за своей простоты, но лично я не считаю ее лучшей, так как диод имеет свойство сгорать вместе с предохранителем. Это приведет к тому, что в дополнение к замене предохранителя необходимо заменить диод. Кроме того, в течение короткого момента, когда предохранитель перегорает, ваша цепь будет смещена в обратном направлении, поэтому, если она очень чувствительна, она может пострадать от последствий.

Поэтому в этой цепи рекомендуется использовать диод и быстродействующий предохранитель, чтобы минимизировать время, в течение которого цепь находится под обратным смещением.

  • Преимущества:
    • Схема проста и может быть использована в самых разных цепях
  • Недостатки:
    • Диод имеет тенденцию перегорать вместе с предохранителем, поэтому необходимо будет заменить оба
    • Во время момент, когда предохранитель перегорает, ваша цепь смещена в обратном направлении.

Защита от обратной полярности с помощью диода, SCR и предохранителя

В этом методе видно, что он является производным от предыдущего, только мы добавили к нему SRC. Этот компонент будет тем, который закоротит, если мы неправильно подключим источник, перегоревший предохранитель.

Преимущество этой схемы в том, что SCR может выдержать больший ток, чем диод, поэтому он будет держаться до тех пор, пока не перегорит предохранитель.

Как и все остальные, подключение схемы с соблюдением полярности будет работать без проблем.

Однако при подключении с обратной полярностью эта цепь будет проходить через две фазы.

Фаза 1: диод проводит Фаза 2: Тиристор проводит

Как мы видим, в первой фазе диод будет иметь прямую полярность. Этот диод будет иметь ограничительное сопротивление, чтобы предотвратить протекание большого тока, что предотвратит его перегорание. Также в этой фазе увеличится напряжение на затворе тиристора, что приведет к его отключению.

Во второй фазе тиристор сработает и, следовательно, перейдет в проводимость, что вызовет короткое замыкание и приведет к срабатыванию предохранителя.

  • Преимущества:
    • Схема проста и может использоваться в самых разных цепях
    • Тиристор поглощает ток, необходимый для сжигания предохранителя, поэтому диод не сгорает
  • Недостатки:
    • Время Чтобы сократить ток, требуется больше времени, чтобы управлять диодом, а затем тиристором. В этот момент цепь будет смещена в обратном направлении

Защита от обратной полярности с помощью диода и реле

Эта схема является вариацией первой, в которой мы поставили диод прямого смещения.Разница в том, что мы добавим реле, чтобы избежать падения напряжения на диоде.

Избегая этого падения, мы гарантируем, что все подаваемое напряжение достигает нашей цепи. Кроме того, диод не будет рассеивать столько тепла, имея дело только с релейной нагрузкой.

Фаза 1: диод ведет, и реле активируется Фаза 2: Когда реле активировано, наша нагрузка получает ток

При правильном подключении источника диод пропускает ток, так как имеет прямую полярность.Это активирует реле, которое замыкает контакты и пропускает ток к нашей нагрузке.

Если, наоборот, неправильно подключить блок питания, то диод будет смещен в обратном направлении и не будет пропускать ток.

Диод, включенный параллельно реле, на работу не влияет. Он предназначен для защиты цепи от пиков напряжения, генерируемых катушкой реле.

  • Преимущества:
    • Отсутствие падения напряжения между источником и нагрузкой
    • Поддерживаемый ток ограничен только используемым реле, поэтому он поддерживает гораздо более высокие токи
    • Диод должен поддерживать только нагрузку реле, поэтому он не будет рассеиваться так сильно heat
    • Цепь холостого хода разомкнута, поэтому при реверсировании проводимость отсутствует.
    • Компоненты не повреждаются при перепутывании источника
  • Недостатки:
    • Реле механическое, поэтому оно подвержено износу
    • Для больших токов используйте реле высокого качества, иначе контакты сгорят
  • 21 Обратное защита от полярности с Mosfet

    И мы заканчиваем одну из схем, которая мне больше всего нравится. Эта схема сочетает в себе необходимость поляризации МОП-транзистора для проведения, а также его низкое сопротивление во время движения.

    Для этой схемы мы будем использовать МОП-транзистор P-типа, хотя, немного изменив схему, мы можем использовать N-тип. Мы подключим наш источник к контакту Drain, нагрузку к контакту Source и контакту Gate, который мы подключим к земле. Чтобы избежать повреждения МОП-транзистора в случае использования напряжения выше допустимого, мы будем использовать стабилитрон вместе с ограничительным резистором.

    Фаза 1: внутренний диод МОП-транзистора проводит и создает разницу напряжений между эмиттером и базой.Фаза 2: МОП-транзистор начинает работать, позволяя схеме работать нормально.

    Как видно, при правильном подключении источника внутренний диод мосфета начинает лидировать, потому что он прямо поляризован. Это вызывает увеличение напряжения эмиттера и, следовательно, разницы между базой и эмиттером. Когда это напряжение достигает точки насыщения, МОП-транзистор начинает проводить почти без падения напряжения.

    В случае обратного подключения источника напряжение база-эмиттер будет равно нулю.Это приведет к тому, что Mosfet останется разрезанным и, следовательно, не будет проводить ток. Кроме того, внутренний диод этого будет смещен в обратном направлении, поэтому он также не будет пропускать ток.

    Если наша схема будет работать с более низким напряжением, чем максимально поддерживаемое между базой и эмиттером нашего мосфета, стабилитрон станет необязательным. Этот компонент будет служить только для более высоких напряжений, что предотвратит повреждение МОП-транзистора.

    Кроме того, мы также можем использовать вариант транзистора N-типа, немного изменив схему.Преимущество этого типа транзистора в том, что он обычно имеет более низкое сопротивление, способен выдерживать больший ток и имеет меньшее падение напряжения.

    Важно помнить о сопротивлении Mosfet в режиме насыщения (RdsOn). Чем меньше это сопротивление, тем меньше падение напряжения в нашем мосфете. Вот почему важно посмотреть в техпаспорт, чтобы найти вариант с наименьшим сопротивлением.

    Для примера сравним очень распространенный IRF540 с WSR200N.IRF540 имеет сопротивление насыщения (RdsOn) 44 м, что при 20 А дает нам падение напряжения почти на один вольт (0,88 В). Со своей стороны, WSR200N имеет сопротивление насыщения всего 3,5 м, поэтому падение напряжения при 20 А составит 0,07 В.

    Вдобавок к падению напряжения будут еще и рассеивания. IRF540 будет рассеивать мощность 17,6 Вт, требуя радиатора, по сравнению с 1,4 Вт WSR200N.

    • Преимущества:
      • Минимальное падение напряжения между источником и нагрузкой.
      • Низкое тепловыделение.
      • Цепь холостого хода разомкнута, поэтому проводимость отсутствует в любое время при реверсировании.
      • Компоненты не повреждаются при перепутывании источника
    • Недостатки:
      • Чем больше ток, тем больше будет падение напряжения и больше тепловыделение
      • Для перехода в режим насыщения требуется минимальное напряжение. Ниже этого напряжения он ведет себя как переменное сопротивление, вызывая большее падение напряжения и выделение тепла.

    Ну и пока моя запись по защитам от переполюсовки.Надеюсь, вам понравилось, и, как всегда, комментарии приветствуются.

    Нравится:

    Нравится Загрузка…

    Уравнение диода | PVОбучение

    Обзор

    1. I 0 напрямую связана с рекомбинацией и, таким образом, обратно пропорциональна качеству материала.
    2. Неидеальные диоды содержат член «n» в знаменателе показателя степени. N — коэффициент идеальности, варьирующийся от 1 до 2, который увеличивается с уменьшением тока.{\ frac {q V} {k T}} -1 \ справа) $ $

      где:
      I = чистый ток, протекающий через диод;
      I 0 = «темновой ток насыщения», плотность тока утечки диода в отсутствие света;
      В = приложенное напряжение на клеммах диода;
      q = абсолютное значение заряда электрона;
      k = постоянная Больцмана; и
      T = абсолютная температура (К).{\frac{q V}{n k T}}-1\right)$$

      где:
      n = коэффициент идеальности, число от 1 до 2, которое обычно увеличивается по мере уменьшения тока.

      Уравнение диода показано на интерактивном графике ниже. Измените ток насыщения и наблюдайте за изменением кривой IV. Обратите внимание, что хотя вы можете просто изменять температуру и коэффициент идеальности, полученные ВАХ вводят в заблуждение. При моделировании подразумевается, что входные параметры независимы, но это не так. В реальных устройствах ток насыщения сильно зависит от температуры устройства. Точно так же механизмы, которые изменяют фактор идеальности, также влияют на ток насыщения.Температурные эффекты обсуждаются более подробно на странице «Влияние температуры».

      Изменение темнового тока насыщения изменяет напряжение включения диода. Фактор идеальности изменяет форму диода. График не соответствует коэффициенту идеальности. Это означает, что увеличение коэффициента идеальности увеличит напряжение включения. В действительности это не так, поскольку любой физический эффект, увеличивающий коэффициент идеальности, существенно увеличивает темновой ток насыщения I 0 , так что устройство с высоким коэффициентом идеальности обычно имеет более низкое напряжение включения.

      Закон диода для кремния проиллюстрирован на следующем рисунке. Повышение температуры заставляет диод «включаться» при более низких напряжениях.

      Диодный закон для кремния — ток меняется в зависимости от напряжения и температуры. При заданном токе кривая смещается примерно на 2 мВ/°С. Светло-голубая кривая показывает влияние на кривую IV, если I 0 не изменяется с температурой. На самом деле I 0 быстро меняется с температурой, что приводит к темно-синей кривой.

      3: Уравнение идеального диода — Инженерные тексты LibreTexts

      1. Последнее обновление
      2. Сохранить как PDF
      1. . при обратном смещении есть небольшой постоянный обратный ток, а при прямом смещении есть прямой ток, который увеличивается с напряжением.Вольтамперная функция (также называемая характеристикой i v ) для идеального диода равна

        .

        \[i(v) = I_S \left[\exp \left(\dfrac{v}{ηV_T}\right) — 1\right], \quad v > V_Z \label{eq1}\]

        • где \(I_S\) — обратный ток насыщения,
        • \(v\) — приложенное напряжение (обратное смещение отрицательное),
        • \(V_T = T / 11,586\) — вольтовый эквивалент температуры, а
        • \(η\) — коэффициент эмиссии , который равен 1 для германиевых устройств и 2 для кремниевых устройств.

        Обратите внимание, что \(i\) определяется как положительное значение при переходе от p к n . Уравнение \ref{eq1} также называют уравнением идеального диода Шокли или законом диода . Также обратите внимание, что при \(v ≤ V_Z\) диод находится в состоянии пробоя, и уравнение идеального диода больше не применяется; для \(v ≤ V_Z, \quad i = -∞\). Идеальный диод i v характеристическая кривая показана ниже:

        Рисунок \(\PageIndex{1}\): Уравнение идеального диода

        Уравнение идеального диода очень полезно в качестве формулы для тока как функции напряжения.Однако иногда обратное соотношение может быть более полезным; если уравнение идеального диода инвертировать и решить для напряжения как функции тока, мы находим:

        \[v(i) = ηV_T \ln \left[\left(\dfrac{i}{I_S}\right) + 1\right].\]

        Приблизительно

        Функция бесконечного шага

        Из уравнения идеального диода можно сделать ряд приближений к поведению диода. Самое простое приближение состоит в том, чтобы представить диод как устройство, которое не пропускает ток, т. е. действует как разомкнутая цепь, при обратном смещении, и пропускает неограниченный ток через замкнутую цепь. при прямом смещении.В этой упрощенной модели зависимость ток-напряжение (также называемая характеристикой i v ) представляет собой бесконечную ступенчатую функцию:

        \[i=\left\{\begin{array}{l}
        0, v \leq 0 \\
        \infty, v>0
        \end{array}\right.\]

        Эта характеристика изображена ниже:

        Это приближение используется при анализе цепей, как мы увидим в следующем разделе.

        Приближение прямого тока

        В случае большого прямого смещения хорошей аппроксимацией уравнения идеального диода является просто установка второго члена уравнения \ref{eq1} равным нулю.Это приближение справедливо, потому что кривая i-v идеального диода увеличивается очень быстро, а обратный ток насыщения IS обычно очень мал. Это приближение приемлемо для v > 0,2 В. Приближение прямого тока, как мы его будем называть, приводит к следующей формуле:

        \[i(v) ≈ I_S \exp \left(\dfrac{v}{ηV_T}\right) \quad v > 0,2 \,V.\]

        Аппроксимация обратного тока

        При обратном смещении результирующий ток можно рассматривать просто как обратный ток насыщения \(I_S\).В действительности ток при обратном смещении будет асимптотически приближаться к \(I_S\), но малая величина обратного тока насыщения делает это расхождение незначительным. Приближение обратного тока справедливо в диапазоне \(V_Z < v < 0\) (диод выходит из строя при \(v ≤ V_Z\)):

        \[i(v) ≈ I_S, \quad V_Z < v < 0.\]

        Каталожные номера

        1. «Глава 6: Диоды.» Основы электротехники. 2-е изд. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Оксфордский университет, 1996.363-64. Распечатать.

        Что такое блокирующий диод и обходной диод в распределительной коробке панели солнечных батарей?

        Обходной диод и блокирующий диод, используемые для защиты солнечной панели в затененном состоянии

        В различных типах конструкций солнечных панелей производители включают как обходные, так и блокирующие диоды для защиты, надежной и бесперебойной работы. Мы подробно обсудим как блокирующие, так и обходные диоды в солнечных панелях с рабочими и принципиальными схемами ниже.

        Байпасный диод в солнечной панели используется для защиты частично затененной матрицы фотогальванических элементов внутри солнечной панели от нормально работающей фотогальванической цепочки при пиковом солнечном свете в той же фотогальванической панели. В цепочках фотоэлектрических панелей с несколькими панелями неисправная панель или цепочка были зашунтированы диодом, который обеспечивает альтернативный путь для тока, протекающего от солнечных панелей к нагрузке.

        Блокировочный диод в солнечной панели используется для предотвращения разрядки или обратного разряда батарей через фотоэлементы внутри солнечной панели, поскольку они действуют как нагрузка ночью или в случае, если небо полностью покрыто облаками и т. д.Короче говоря, поскольку диод пропускает ток только в одном направлении, ток от солнечных панелей течет (с прямым смещением) к батарее и блокируется от батареи к солнечной панели (с обратным смещением).

        Что такое диод?

        Диод — это однонаправленное полупроводниковое устройство, которое пропускает ток только в одном направлении (прямое смещение, т. е. анод подключается к положительному выводу, а катод — к отрицательному). Он блокирует протекание тока в обратном направлении (обратное смещение, т.е. Анод к клемме -Ve и катод к клемме +Ve).

        Они изготовлены из полупроводниковых материалов, таких как кремний и германий. Они обеспечивают высокое сопротивление току в одном направлении (обратное смещение) и образуют путь короткого замыкания для тока в противоположном направлении (прямое смещение). Ниже приведен общий символ диода с выводом анода и катода.

        Работа блокирующих и обходных диодов в фотоэлектрических панелях Система солнечных панелей

        является лучшей альтернативой бесплатному электричеству в широком диапазоне (от мВт до МВт) и может использоваться с энергосистемой On-Grid или Off-Grid.Он может быть установлен в любом месте в диапазоне солнечного света для выработки электроэнергии.

        Фотогальванический элемент внутри солнечной панели представляет собой простой полупроводниковый фотодиод, состоящий из взаимосвязанных элементов кристаллического кремния, которые всасывают/поглощают фотоны от прямого солнечного света на своей поверхности и преобразуют их в электрическую энергию. фотогальванические элементы соединены последовательно внутри солнечной панели, и они генерируют электроэнергию при нормальной работе, когда солнечный свет попадает на эти фотогальванические элементы.

        Но на способность солнечных батарей генерировать электроэнергию влияют некоторые факторы, такие как аномальные условия окружающей среды, т. е. дождь, снегопад и влажность, сплошные облака, покрывающие небо, степень солнечной радиации, изменения температуры и положение массива панелей по отношению к солнцу и т. д.

        Одним из факторов, влияющих на выходную мощность и эффективность, является полное или частичное затенение солнечных панелей из-за облаков, деревьев, листьев, зданий и т. д. В этом случае некоторые фотоэлементы не могут генерировать энергию, поскольку они не подвергаются воздействию. к прямому солнечному свету.В этом сценарии затронутые ячейки действуют как нагрузка и могут быть повреждены из-за горячей точки. Вот почему нам нужен обходной диод в солнечной панели.

         

        Давайте посмотрим ниже, чем могут быть опасны заштрихованные солнечные панели и как байпасный диод предотвращает солнечные панели или повреждение фотогальванических цепочек.

        Фотоэлементы без обходных диодов

        Одиночный фотоэлектрический элемент генерирует около 0,58 В постоянного тока при 25°C . В случае разомкнутой цепи обычно значение V OC равно 0.5 – 0,6 В, а мощность одного фотоэлемента составляет от 1 до 1,5 Вт в случае разомкнутой цепи. Таким образом, один фотостатический элемент мощностью 1,5 Вт с напряжением 0,5 В будет производить ток 3 А, , поскольку I = P/V (1,5 Вт / 0,5 В = 3 ампера).

        Предположим, что между фотоэлементами не подключены обходные диоды. Как видите, фотоэлементы соединены последовательно (плюсовая клемма подключается к отрицательной клемме второй солнечной панели и так далее).

        Мы знаем, что ток «I» в последовательном соединении одинаков в каждой точке, а напряжения суммируются i.е. V T = V 1 + V 2 + V 3 … V n . Таким образом, общее напряжение V T = 0,5 В + 0,5 В + 0,5 В = 1,5 В.

        При нормальной работе все фотоэлементы работают отлично, т.е. все три фотоэлемента производят номинальную мощность в токах и вольтах. Мощность аддитивна как при последовательном, так и при параллельном соединении. Так мы получаем идеальную максимальную номинальную мощность в Амперах и Вольтах. Поток тока показан синими пунктирными линиями от фотоэлектрических элементов к выходной нагрузке.

        Но что делать в случае с заштрихованными ячейками? А если еще и обходного диода нет? Посмотрим, что будет дальше.

        Заштрихованные фотоэлементы без обходных диодов

        В случае опавших листьев или облаков заштрихованные фотоэлементы не смогут производить электроэнергию и действуют как резистивная полупроводниковая нагрузка. В случае отсутствия обходных диодов энергия, вырабатываемая цепочкой фотоэлементов, обращенной к прямому солнечному свету, начнет поступать в затененные элементы, поскольку они также ведут себя как нагрузка.Этот чрезмерный ток приведет к нагреву экранированных тензодатчиков, поскольку они рассеивают мощность, что приводит к возникновению точки перегрева и может повредить или сжечь затронутый(е) элемент(ы).

        Поскольку в затененных ячейках происходит падение напряжения, нормальные ячейки без затенения пытаются отрегулировать падение напряжения, увеличивая напряжение разомкнутой цепи. Таким образом, затронутые заштрихованные фотоэлементы становятся смещенными назад, и отрицательное напряжение появляется в противоположном направлении на его клеммах. Это отрицательное напряжение вызывает протекание тока в противоположном направлении в затронутых заштрихованными фотоэлементами, которые потребляют мощность в размере рабочего тока и тока короткого замыкания I SC .Таким образом, заштрихованная ячейка внутри солнечной панели будет рассеивать энергию, а не производить ее, поскольку в ней происходит обратное падение напряжения из-за протекания электронных токов. Весь этот процесс снизит общую эффективность или может привести к повреждению и взрыву фотоэлементов в солнечной панели.

        Синие пунктирные линии показывают протекание токов, т.е. некоторый ток течет от нормальных ячеек № 1 и ячейки № 3 к затронутой заштрихованной ячейке № 2. В случае разомкнутой цепи все токи могут течь к затронутым ячейкам, в то время как в случае нагрузки, подключенной к фотоэлектрической панели, некоторый ток течет к нагрузке с уменьшенной скоростью.

        Вот почему нам нужны обходные диоды в солнечной панели. Давайте посмотрим, что происходит, когда в фотоэлектрической панели есть обходной диод, как показано ниже.

        Фотоэлементы с обходными диодами

        Теперь давайте посмотрим, как мы можем защитить солнечную панель или фотоэлектрическую батарею и струны от частичных или полностью затененных фотоэлементов. Это обходной диод. Обходные диоды можно использовать, подключив их параллельно фотоэлектрической ячейке последовательно соединенной гирлянды, чтобы исключить фактор риска и защитить солнечные панели от общего повреждения и взрыва в случае полного или частичного затенения.

        Байпасные диоды подключаются снаружи (параллельно) с фотогальваническими элементами в обратном смещении (анодная клемма подключена к +Ve, а катод к -Ve стороне солнечного элемента), что обеспечивает альтернативный путь для протекания тока в случае заштрихованных элементов. . Обходные диоды обратного смещения не пропускают ток, вырабатываемый в нормальных ячейках, в заштрихованные ячейки.

        Поток генерируемых токов показан синими пунктирными линиями. В случае ясного неба, т. е. пикового солнечного света, вырабатываемый ток не будет протекать через обходные диоды, как показано красными пунктирными линиями, поскольку они смещены в обратном направлении и действуют как разомкнутая цепь.Таким образом, общая мощность, идущая на зарядку аккумулятора или подключенную нагрузку, не влияет на ожидаемую эффективность.

        Но что происходит, когда на частичных ячейках есть облака или тени от зданий? давайте посмотрим, следуйте.

        Затененные фотоэлементы с обходными диодами

        В случае облаков, снега и т. д. ячейка № 2 будет затронута и не сможет генерировать энергию, поэтому полупроводниковый резистор теперь действует как нагрузка. Теперь заштрихованные ячейки обеспечивают отрицательную мощность (хотят рассеивать мощность, а не генерировать ее), байпасные диоды на ячейке активируются (поскольку сейчас они находятся в прямом смещении) и отводят поток тока на нагрузку, как показано синими пунктирными линиями. минуя заштрихованную ячейку на рис.

        Короче говоря, обходные диоды, подключенные к заштрихованным ячейкам №2, обеспечивают альтернативный путь для протекания токов от ячейки №1 к ячейке №3 и затем к нагрузке. Таким образом, обходной диод поддерживает надежную и бесперебойную работу фотоэлектрических элементов без повреждения фотоэлектрического элемента или всего массива фотоэлектрических цепочек с пониженной мощностью, поскольку элемент № 2 не может генерировать электроэнергию.

        В качестве обходных диодов в солнечных панелях используются два типа диодов: диод с PN-переходом и диод Шоттки (также известный как диод с барьером Шоттки) с широким диапазоном номинального тока.Диод Шоттки имеет более низкое прямое падение напряжения 0,4 В по сравнению с обычным кремниевым диодом с PN-переходом, который составляет 0,7 В.

        Это означает, что при прямом смещении диод Шоттки сохраняет почти уровень напряжения одиночного фотоэлемента (что составляет 0,5 В) в каждой последовательной цепочке. Иными словами, обеспечивает эффективную работу фотоэлементов за счет меньшего рассеивания мощности в блокировочном режиме.

        Еще одним преимуществом обходного диода, включенного параллельно солнечным элементам, является то, что при его работе (т.е. прямое смещение), прямое падение напряжения составляет 0,4 В (и 0,7 В в случае диода с PN-переходом), что ограничивает обратное, т. е. отрицательное напряжение, создаваемое заштрихованной ячейкой, что снижает вероятность возникновения горячих точек. Повышение температуры может привести к возгоранию или повреждению фотоэлектрических элементов, но в случае шунтирующих диодов оно возвращает заштрихованную ячейку в нормальный режим работы после удаления облака. Вышеупомянутое является точными причинами, по которым в солнечных панелях есть обходные диоды.

        Почему на каждой фотоэлектрической ячейке нет обходного диода?

        Подключение обходного диода к каждому отдельному фотоэлементу приведет к удорожанию и сложности конструкции.Таким образом, производитель устанавливает обходные диоды снаружи в распределительной коробке солнечной панели (задняя сторона фотоэлектрической панели) в виде цепочек вместо одиночных фотоэлементов.

        Как правило, двух обходных диодов достаточно для солнечной панели мощностью 50 Вт, имеющей 36-40 отдельных фотоэлементов и заряжающей последовательное или параллельное соединение батарей от 12 до 24 В в зависимости от номинального тока и напряжения, которое составляет 1-60 А и 45 В в случае диод Шоттки.

        Блокировочные диоды в солнечных панелях

        Как было сказано выше, диоды пропускают ток только в одном направлении (прямое смещение) и блокируют в обратном направлении (обратное смещение).

        Это то, что на самом деле делают блокирующие диоды в солнечной панели. При нормальной работе солнечных элементов при ясном солнечном свете солнечные элементы генерируют электрическую энергию и пропускают поток электронов в одном направлении, то есть от солнечной панели к аккумулятору или контроллеру заряда и другим подключенным нагрузкам.

        Ночью, в облаках или без нагрузки в тени, подключенная батарея будет подавать ток на солнечные элементы, поскольку они ведут себя как обычные резисторы. Чтобы решить эту проблему, используются блокирующие диоды, чтобы блокировать ток обратно к солнечным панелям, что предотвращает разрядку батареи, а также защищает солнечные элементы от точек перегрева из-за рассеивания мощности внутри них, что приводит к повреждению солнечного элемента.

        Короче говоря, блокировочные диоды обеспечивают только один путь для тока от солнечной панели к батарее и блокируют токи от батареи к солнечным элементам в ночное время, поскольку солнечные элементы действуют как нагрузка, а не генерируют энергию.

        Имейте в виду, что блокировочные диоды устанавливаются последовательно с солнечной панелью. На следующем рисунке показана комбинация блокирующих диодов, соединенных последовательно, и шунтирующих диодов, соединенных параллельно с солнечной панелью.

        Как показано на рисунке ниже, лист упал на ячейку № 3.Таким образом, генерируемый ток будет течь от ячейки № 1 и ячейки № 2 к выходу, как это происходит при нормальной работе. Ток будет течь через обходной диод через ячейку № 3, которая подвергается воздействию, и ячейку № 4, а затем к нагрузкам, затем через блокировочные диоды, что, как и ожидалось, является надежной работой солнечной энергосистемы.

        Надеюсь, стало понятно, что это за байпасные и блокировочные диоды в распределительной коробке на задней стороне солнечной панели.

        Похожие сообщения:

        Новости — Антиреверсивный диод и обходной диод

                В квадратной матрице солнечных элементов диод является очень распространенным устройством.Обычно используемые диоды представляют собой в основном кремниевые выпрямительные диоды. При выборе оставьте запас в характеристиках, чтобы предотвратить поломку. Как правило, обратное пиковое напряжение пробоя и максимальный рабочий ток должны более чем в два раза превышать максимальное рабочее напряжение и рабочий ток. Диоды в основном делятся на две категории в солнечных фотоэлектрических системах производства электроэнергии.

         

         

        1. Антиреверсивный (анти-обратный) диод

                Одной из функций антиреверсивного диода является предотвращение обратного тока батареи от модуля солнечных батарей или квадратного массива к модулю или квадратному массиву, когда он не вырабатывает электричество, что не только потребляет энергию , но также вызывает нагрев или даже повреждение модуля или квадратной матрицы; Вторая функция заключается в предотвращении протекания тока между ветвями квадратного массива в аккумуляторном массиве.Это связано с тем, что выходное напряжение каждой последовательно соединенной ветви не может быть абсолютно равным, всегда существует разница между высоким и низким напряжением каждой ветви, или выходное напряжение ветви уменьшается из-за неисправности или затенения, и ток ветви высокого напряжения будет течь в ветвь низкого напряжения, или даже будет уменьшено выходное напряжение всего квадратного массива. Этого явления можно избежать путем последовательного включения диодов обратного заряда в каждую ветвь.
                В независимой фотогальванической системе выработки электроэнергии некоторые схемы фотогальванического контроллера были подключены к диодам защиты от обратного заряда, то есть, когда контроллер имеет функцию защиты от обратного заряда, выход компонента не нужно подключать к диоду.
                Защитный диод имеет прямое падение напряжения, и при последовательном включении в цепь будет потребляться определенная мощность. Падение напряжения обычно используемого кремниевого выпрямительного диода составляет около 0,7 В, а мощность лампы может достигать 1 ~ 20,3 В, но ее выдерживаемое напряжение и мощность невелики, что подходит для маломощных приложений.

         

        Защитные диоды PV должны иметь следующие характеристики:

                1. Высокое напряжение: обычно должно превышать 1500 В, поскольку максимальное напряжение фотоэлектрической батареи достигает или превышает 1000 В.

                2. Низкое энергопотребление, то есть сопротивление во включенном состоянии (импеданс во включенном состоянии как можно меньше, обычно менее 0,8–0,9 В): поскольку фотогальваническая система должна поддерживать высокую эффективность всей системы, потребляемая мощность антиреверсивного диода в комбайнерной коробке должна быть как можно меньше.

                3. Хорошая способность рассеивания тепла (требуется низкое тепловое сопротивление и хорошее рассеивание тепла). рассмотреть климатические условия, такие как Гоби и плато.

         

        2. Байпасный диод

                Если имеется несколько модулей солнечных элементов, соединенных последовательно для формирования массива квадратных элементов или ответвления массива квадратных элементов, необходимо подключить один (или 2–3) диода в обратном параллельном направлении к положительным и отрицательным выходным клеммам каждого из них. панель аккумулятора. Диоды, соединенные параллельно на обоих концах компонента, называются обходными диодами.
                Функция обходного диода состоит в том, чтобы предотвратить затенение или неисправность определенного компонента в квадратной матрице или определенной части компонента, чтобы остановить выработку электроэнергии.Прямое смещение будет формироваться на обоих концах обходного диода компонента, чтобы сделать диод проводящим. Рабочий ток цепочки обходит неисправный компонент и протекает через диод, что не влияет на выработку электроэнергии другими нормальными компонентами. В то же время он также защищает обходной компонент от повреждения из-за сильного прямого смещения или нагревания из-за «эффекта горячей точки».
                Обходные диоды обычно устанавливаются непосредственно в распределительной коробке. В зависимости от мощности компонентов и количества цепочек аккумуляторов устанавливаются от 1 до 3 диодов.
                Обходные диоды не требуются ни при каких обстоятельствах. Когда компоненты используются по отдельности или параллельно, их не нужно подключать к диоду. В тех случаях, когда количество последовательно соединенных компонентов невелико, а условия работы хорошие, также можно не использовать шунтирующий диод.

         

        Принцип схемы диодной защиты

                Наиболее распространенная функция диода — пропускать ток только в одном направлении (так называемое прямое смещение) и блокировать его в обратном направлении (так называемое обратное смещение).

                При генерации прямого смещения напряжения взаимное подавление внешнего электрического поля и собственного электрического поля увеличивает диффузионный ток носителей и вызывает прямой ток (то есть причину электропроводности).

                При формировании обратного напряжения смещения внешнее электрическое поле и собственное электрическое поле дополнительно усиливаются, образуя обратный ток насыщения I0, не имеющий ничего общего с обратным напряжением смещения в определенном диапазоне обратного напряжения (это причина непроводимости).

                При наличии внешнего смещения обратного напряжения внешнее электрическое поле и собственное электрическое поле дополнительно усиливаются, образуя обратный ток насыщения I0, не зависящий от значения напряжения обратного смещения в определенном диапазоне обратного напряжения.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.