Elektronische Schaltungen - Diode als Schalter

Die Diode ist ein PN-Übergang mit zwei Anschlüssen, der in verschiedenen Anwendungen verwendet werden kann. Eine solche Anwendung ist ein elektrischer Schalter. Der PN-Übergang wirkt, wenn er in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist, als geschlossen und wenn er in Rückwärtsrichtung vorgespannt ist, wirkt er als offener Stromkreis. Daher bewirkt die Änderung der vorwärts und rückwärts vorgespannten Zustände, dass die Diode als Schalter arbeitet, derforward Sein ON und die reverse Sein OFF Zustand.

Elektrische Schalter über mechanische Schalter

Elektrische Schalter sind aus folgenden Gründen eine bevorzugte Wahl gegenüber mechanischen Schaltern:

• Mechanische Schalter neigen zur Oxidation von Metallen, elektrische Schalter dagegen nicht.
• Mechanische Schalter haben bewegliche Kontakte.
• Sie sind anfälliger für Belastungen als elektrische Schalter.
• Das Abnutzen und Abreißen mechanischer Schalter beeinträchtigt häufig deren Funktion.

Daher ist ein elektrischer Schalter nützlicher als ein mechanischer Schalter.

Funktion der Diode als Schalter

Immer wenn eine bestimmte Spannung überschritten wird, erhöht sich der Diodenwiderstand, wodurch die Diode in Sperrrichtung vorgespannt wird und als offener Schalter fungiert. Immer wenn die angelegte Spannung unter der Referenzspannung liegt, wird der Diodenwiderstand verringert, wodurch die Diode in Vorwärtsrichtung vorgespannt wird, und sie wirkt als geschlossener Schalter.

Die folgende Schaltung erklärt die als Schalter wirkende Diode.

Eine Schaltdiode hat einen PN-Übergang, in dem der P-Bereich leicht dotiert und der N-Bereich stark dotiert ist. Die obige Schaltung symbolisiert, dass die Diode eingeschaltet wird, wenn die Diode durch positive Spannung vorwärts vorgespannt wird, und ausgeschaltet wird, wenn die Diode durch negative Spannung rückwärts vorgespannt wird.

Klingeln

Da der Vorwärtsstrom bis dahin mit einer plötzlichen Rückwärtsspannung fließt, fließt der Rückwärtsstrom für eine Instanz, anstatt sofort ausgeschaltet zu werden. Je höher der Leckstrom ist, desto größer ist der Verlust. Der Sperrstromfluss, wenn die Diode plötzlich in Sperrrichtung vorgespannt wird, kann manchmal zu wenigen Schwingungen führen, die als bezeichnet werdenRINGING.

Dieser Klingelzustand ist ein Verlust und sollte daher minimiert werden. Dazu sollten die Schaltzeiten der Diode verstanden werden.

Diodenschaltzeiten

Während die Vorspannungsbedingungen geändert werden, erfährt die Diode a transient response. Die Reaktion eines Systems auf eine plötzliche Änderung von einer Gleichgewichtsposition wird als Übergangsreaktion bezeichnet.

Der plötzliche Wechsel von Vorwärts nach Rückwärts und von Rückwärts nach Vorwärts wirkt sich auf die Schaltung aus. Die Zeit, die benötigt wird, um auf solche plötzlichen Änderungen zu reagieren, ist das wichtige Kriterium, um die Wirksamkeit eines elektrischen Schalters zu definieren.

• Die Zeit, die benötigt wird, bevor die Diode ihren stationären Zustand wiedererlangt, wird als bezeichnet Recovery Time.

• Das Zeitintervall, das die Diode benötigt, um vom in Sperrrichtung vorgespannten in den in Vorwärtsrichtung vorgespannten Zustand zu wechseln, wird als bezeichnet Forward Recovery Time.($t_{fr}$)

• Das Zeitintervall, das die Diode benötigt, um vom vorwärts vorgespannten Zustand in den rückwärts vorgespannten Zustand umzuschalten, wird als bezeichnet Reverse Recovery Time. ($t_{fr}$)

Um dies besser zu verstehen, versuchen wir zu analysieren, was passiert, wenn die Spannung an eine schaltende PN-Diode angelegt wird.

Trägerkonzentration

Die Ladungsträgerladung von Minderheiten nimmt exponentiell ab, wenn sie von der Verbindungsstelle weg gesehen wird. Wenn die Spannung angelegt wird, bewegen sich aufgrund des Vorwärtsvorspannungszustands die Mehrheitsträger einer Seite in Richtung der anderen. Sie werden zu Minderheitenträgern der anderen Seite. Diese Konzentration wird mehr an der Kreuzung sein.

Wenn zum Beispiel der N-Typ berücksichtigt wird, addiert sich der Überschuss an Löchern, die nach dem Anlegen einer Vorwärtsvorspannung in den N-Typ eintreten, zu den bereits vorhandenen Minoritätsträgern des Materials vom N-Typ.

Betrachten wir einige Notationen.

• Die Mehrheitsträger im P-Typ (Löcher) = $ P_ {po} $
• Die Mehrheitsträger im N-Typ (Elektronen) = $ N_ {no} $
• Die Minoritätsträger im P-Typ (Elektronen) = $ N_ {po} $
• Die Mehrheitsträger im N-Typ (Löcher) = $ P_ {no} $

During Forward biased Condition- Die Minderheitsträger sind näher an der Kreuzung und weniger weit von der Kreuzung entfernt. Die folgende Grafik erklärt dies.

Überschüssige Gebühr für Minderheitsträger in P-Typ = $ P_n-P_ {no} $ mit $ p_ {no} $ (stationärer Wert)

Überschüssige Gebühr für Minderheitsträger in N-Typ = $ N_p-N_ {po} $ mit $ N_ {po} $ (stationärer Wert)

During reverse bias condition- Mehrheitsbetreiber leiten den Strom nicht durch die Verbindungsstelle und nehmen daher nicht am aktuellen Zustand teil. Die Schaltdiode verhält sich für eine Instanz in umgekehrter Richtung wie ein Kurzschluss.

Die Minoritätsträger überqueren die Verbindungsstelle und leiten den Strom, der als bezeichnet wird Reverse Saturation Current. Das folgende Diagramm zeigt den Zustand während der Sperrvorspannung.

In der obigen Abbildung repräsentiert die gepunktete Linie Gleichgewichtswerte und durchgezogene Linien repräsentieren tatsächliche Werte. Da der Strom aufgrund von Minoritätsladungsträgern groß genug ist, um ihn zu leiten, ist die Schaltung eingeschaltet, bis diese überschüssige Ladung entfernt ist.

Die Zeit, die die Diode benötigt, um von Vorwärtsvorspannung zu Rückwärtsvorspannung zu wechseln, wird aufgerufen Reverse recovery time ($t_{rr}$). Die folgenden Grafiken erläutern die Schaltzeiten der Dioden im Detail.

Betrachten wir aus der obigen Abbildung den Diodenstromgraphen.

Bei $ t_ {1} $ wird die Diode plötzlich vom EIN-Zustand in den AUS-Zustand gebracht; Es ist als Speicherzeit bekannt.Storage timeist die Zeit, die erforderlich ist, um die überschüssige Ladung der Minderheitsträger zu entfernen. Der negative Strom, der von Material vom Typ N nach P fließt, ist während der Lagerzeit beträchtlich. Dieser negative Strom ist,

$$ - I_R = \ frac {-V_ {R}} {R} $$

Der nächste Zeitraum ist der transition time”(Von $ t_2 $ bis $ t_3 $)

Die Übergangszeit ist die Zeit, die die Diode benötigt, um vollständig in den Leerlaufzustand zu gelangen. Nach $ t_3 befindet sich die Diode im stationären Sperrzustand. Bevor sich die $ t_1 $ -Diode im stationären Vorwärtsvorspannungszustand befindet.

Die Zeit, die benötigt wird, um vollständig in den Leerlaufzustand zu gelangen, ist also

$$ Reverse \: \: recovery \: \: time \ left (t_ {rr} \ right) = Storage \: \: time \ left (T_ {s} \ right) + Transition \: \: time \ left ( T_ {t} \ right) $$

Um von AUS in den EIN-Zustand zu gelangen, dauert es weniger Zeit als Forward recovery time. Die Rückwärtswiederherstellungszeit ist länger als die Vorwärtswiederherstellungszeit. Eine Diode funktioniert als besserer Schalter, wenn diese Rücklaufzeit verkürzt wird.

Definitionen

Lassen Sie uns nur die Definitionen der besprochenen Zeiträume durchgehen.

• Storage time - Der Zeitraum, für den die Diode auch im in Sperrrichtung vorgespannten Zustand im Leitungszustand bleibt, wird als bezeichnet Storage time.

• Transition time - Die Zeit, die verstrichen ist, um in den Zustand der Nichtleitung zurückzukehren, dh in die stationäre Sperrvorspannung, wird aufgerufen Transition time.

• Reverse recovery time - Die Zeit, die die Diode benötigt, um von Vorwärtsvorspannung zu Rückwärtsvorspannung zu wechseln, wird als bezeichnet Reverse recovery time.

• Forward recovery time - Die Zeit, die die Diode benötigt, um von der Sperrvorspannung zur Vorwärtsvorspannung zu wechseln, wird als bezeichnet Forward recovery time.

Faktoren, die die Diodenschaltzeiten beeinflussen

Es gibt nur wenige Faktoren, die die Diodenschaltzeiten beeinflussen, wie z

• Diode Capacitance - Die Kapazität des PN-Übergangs ändert sich in Abhängigkeit von den Vorspannungsbedingungen.

• Diode Resistance - Der Widerstand, den die Diode bietet, um ihren Zustand zu ändern.

• Doping Concentration - Der Dotierungsgrad der Diode beeinflusst die Schaltzeiten der Diode.

• Depletion Width- Je schmaler die Breite der Verarmungsschicht ist, desto schneller wird umgeschaltet. Eine Zenerdiode hat einen engen Verarmungsbereich als eine Lawinendiode, was die erstere zu einem besseren Schalter macht.

Anwendungen

Es gibt viele Anwendungen, in denen Diodenschaltkreise verwendet werden, wie z.

• Hochgeschwindigkeits-Gleichrichterkreise
• Hochgeschwindigkeitsschaltkreise
• HF-Empfänger
• Allzweckanwendungen
• Verbraucheranwendungen
• Automobilanwendungen
• Telekommunikationsanwendungen usw.