Polarizacija diode je način, kako napetost povzroči, da dioda bodisi prenaša tok bodisi ga blokira. S spreminjanjem velikosti in smeri napetosti lahko dioda deluje v smeri naprej prevodnosti, povratnem blokiranju ali preboju. Ta članek pojasnjuje območje izčrpanosti, napredno koleno in eksponentni tok, obratno puščanje in preboj ter ponuja informacije o teh aplikacijah vezij.
Pregled polarizacije diode
Diodna polarizacija opisuje, kako se napetostni vir priključi na diodo, da nastavi njeno delovno stanje. Z eno polariteto dioda prevaja tok (naprejni polarizacij). Pri nasprotni polariteti dioda blokira tok (obratna polarizacija) in ostane le majhen tok uhajanja. Polarizacija določa, ali se dioda obnaša kot zaprta pot za tok ali kot odprta pot.
Območje izčrpanosti in učinek pristranskosti
Dioda nastane z združevanjem P-tip in N-tip polprevodniških območij. Na PN spoju se elektroni in luknje ponovno združijo blizu meje, pri čemer ostane območje z zelo malo gibljivimi nosilci. Ta cona je območje izčrpanosti in ustvarja pregrado, ki se upira toku toka. Glavne točke:
• Območje izčrpanosti skoraj nima prostih nosilcev naboja
• Pregrada v območju izčrpanosti nadzoruje, kako lahko teče tok
• Širina območja izčrpavanja se spreminja glede na naprej ali nazaj
Prednapetost v polarizaciji diode in toku
V smeri naprej je dioda povezana tako, da je P-stran pod višjo napetostjo kot N-stran. To potiska nosilce naboja proti PN spoju in naredi območje izčrpanosti tanjše. Ko pregrada postane dovolj majhna, lahko tok zlahka teče skozi diodo. V tem stanju dioda prevodi.
| Stanje | Opis |
|---|---|
| Zunanja napetost | P-stran, povezana s pozitivno, N-stran z negativno |
| Območje izčrpanosti | Širina se zmanjša |
| Trenutno | Hitro teče in je razmeroma visoka |
| Obnašanje diode | Prevodno stanje (tok teče skozi) |
Prag napetosti v smeri naprej pri polarizaciji diode
Dioda s smerjo naprej prevaja zelo malo toka, dokler dodana napetost ne doseže točke obrata, pogosto imenovane napetost v smeri naprej ali napetost kolena. Pod tem območjem tok ostaja majhen. Po tem tok hitro narašča ob majhnih spremembah napetosti.
Pogoste vrednosti napetosti v smeri naprej:
• Silicijeve diode: približno 0,7 V
• Germanijeve diode: približno 0,3 V
• LED diode: približno 1,8–3,3 V
Dioda s smerjo naprej: eksponentno območje toka
Ko dioda preseže območje kolena, tok raste eksponentno. Majhno povečanje napetosti v smeri naprej lahko povzroči veliko večje povečanje toka v smeri naprej. V mnogih vezjih napetost diode ostaja v ozkem območju, medtem ko tok močno niha.
| Parameter | Kaj to pomeni |
|---|---|
| *VF* | Napetost v smeri naprej se na diodo pripelje v smeri naprej |
| *ČE* | Tok, ki teče skozi diodo v smeri naprej |
| Eksponentna regija | Del I–V krivulje (za pragom), kjer tok močno narašča z napetostjo |
Obratna pristranskost: Blokiranje stanja in uhajajočega toka
Pri obratni polarizaciji je dioda priključena v nasprotni smeri od prevodne smeri. Območje izčrpanosti se razširi, spojna pregrada pa se dvigne, zato dioda blokira normalni tok toka. Majhen obratni tok še vedno obstaja zaradi manjšinskih nosilcev znotraj diode. Ta tok imenujemo uhajajoči tok ali obratni nasičeni tok.
Lastnosti obratne pristranskosti
• Območje izčrpavanja se razširi in blokira prehod nosilcev
• Obratni tok ostaja zelo majhen (odvisen od naprave)
• Puščanje se povečuje z naraščajočo temperaturo spoja
Obratna razčlenitev: Zener in Avalanche načini
Pri obratni polarizaciji dioda običajno blokira tok. Če vzvratna napetost postane prevelika, dioda doseže svojo prebojno napetost. V tem trenutku dioda nenadoma začne prevajati velik tok, čeprav je še vedno obratno polarizirana. To stanje imenujemo preboj in je osnovni del razumevanja polarizacije diode pri visokih obratnih napetostih.
Vrste razčlenitev
• Zenerjev preboj (nizka napetost) – Pojavi se pri nižjih obratnih napetostih, kar je pogosto pri posebej izdelanih Zenerjevih diodah.
• Plazovni preboj (višja napetost) – Pojavi se pri višjih obratnih napetostih, ko nosilci naboja pridobijo dovolj energije, da osvobodijo druge nosilce.
Usmerniška vezja (pretvorba iz AC v DC)
V usmerniških vezjih dioda prevaja med pol-ciklom, ko je polarizirana naprej, in blokira med nasprotnim pol-ciklom, ko je polarizirana v obratni smeri. To dejanje ustvari enosmerni izhod. Dodajanje filtrirnega kondenzatorja zgladi izhodno napetost z zmanjšanjem valovanja. Kje se pojavi
• Napajalniki in osnovni DC napajalniki
• Mostni usmerniki v omrežni opremi
• Poti zaščite pred polariteto v nizkonapetostnih sistemih
Delovanje LED diod (oddajanje svetlobe s prednjenim predpostavkam)
LED oddaja svetlobo, ko je usmerjena naprej in tok teče skozi njeno spojišče. Napetost v smeri naprej je odvisna od materiala in barve LED. LED diode poganja element za omejitev toka, kot je upor ali gonilnik s konstantnim tokom, da se prepreči prevelik tok. Najbolje je, da preverite naslednje:
• Višji tok LED poveča svetlost do omejitev naprave
• Serijski upori nastavljajo tok v preprostih vezjih
• Gonilniki natančneje nadzorujejo tok v svetlobnih sistemih
Zaznavanje in demodulacija signalov
Dioda se lahko uporabi za prehod enega dela signalne valovne oblike. Pri AM zaznavanju ovojnice naprej polarizirana prevodna pot polni kondenzator na signalnih vršnicah, kondenzator pa se prazni med vrhovi skozi obremenilni upor, s čimer se povrne vsebina sporočil nižje frekvence. Sorodne vloge na vezjih:
• Zaznavanje vrhov in stiskanje
• Polvalovno oblikovanje signala
• Preproste stopnje RF zaznavanja
Aplikacije z obratno pristranskostjo
Obratna polarizacija v fotodiodah
Fotodioda je v obratni polarizaciji, tako da je območje izčrpanosti široko in pripravljeno na odziv na svetlobo. To ga naredi bolj občutljivega na majhne spremembe svetlobe.
Obratna polarizacija v Zenerjevih diodah
Zenerjeva dioda se uporablja v obratni polarizaciji blizu prebojne napetosti. V tem stanju ohranja napetost skoraj stalno in pomaga uravnavati napajanje.
Obratna polarizacija v TVS zaščitnih diodah
TVS (Transient Voltage Suppression) diode med normalnim delovanjem ostanejo obratno polarizirane. Ko se pojavi nenaden napetostni sunek, vodijo v obratni smeri in pomagajo omejiti napetost.
Obratna pristranskost za izolacijo
Obratno polarizirana dioda blokira normalen tok toka. To pomaga izolirati dele vezja in ustavi nezaželene tokovne poti.
Zaključek
Diodna polarizacija povezuje PN spoj z dejanskim vedenjem vezja. Pri predpostavki naprej postane območje izčrpanosti tanko, napetost v kolenu je dosežena, tok pa hitro narašča in napaja usmernike, LED ter signalne ali logične stopnje. Pri obratni polarizaciji se območje širi, tok ostane majhen do preloma, kar omogoča fotodiode, Zenerjev nadzor, zaščito TVS in izolacijo.
Pogosta vprašanja [FAQ]
Kako temperatura vpliva na polarizacijo diode?
Višja temperatura zmanjša padec napetosti v smeri naprej in poveča obratni uhajalni tok.
Kakšen je čas obratnega okrevanja v diodi?
Čas obratnega okrevanja je zamik po preklopu iz prednjega v obratni pristranski položaj, medtem ko dioda še vedno prevaja zaradi shranjenega naboja.
Kako ocene diod vplivajo na pristranske pogoje?
Prednapetost in tok morata ostati pod največjim prehodnim tokom diode in največjo vzvratno napetostjo, da se preprečijo poškodbe.
Kaj je dinamična upornost v diodi s prednapetostjo?
Dinamična upornost je razmerje med majhno spremembo napetosti v prehodu in majhno spremembo toka v smeri naprej pri določeni delovni točki.
13,5 Kaj se zgodi, če je dioda preobremenjena v polarizaciji?
Prevelik tok ali vzvratna napetost pregreje spoj, poveča puščanje in lahko povzroči trajno okvaro.
