Obwody elektroniczne - dioda jako przełącznik

Dioda to dwuzaciskowe złącze PN, które może być używane w różnych aplikacjach. Jedną z takich aplikacji jest przełącznik elektryczny. Złącze PN, gdy spolaryzowane do przodu, działa jako zwarte, a gdy spolaryzowane do tyłu, działa jak otwarte. Stąd zmiana stanów spolaryzowanych do przodu i do tyłu powoduje, że dioda działa jako przełącznikforward istota ON i reverse istota OFF stan.

Przełączniki elektryczne zamiast przełączników mechanicznych

Przełączniki elektryczne są preferowanym wyborem w stosunku do przełączników mechanicznych z następujących powodów -

• Przełączniki mechaniczne są podatne na utlenianie metali, podczas gdy przełączniki elektryczne nie.
• Przełączniki mechaniczne mają ruchome styki.
• Są bardziej podatne na stres i odkształcenia niż przełączniki elektryczne.
• Zużyte i rozdarte przełączniki mechaniczne często wpływają na ich działanie.

Dlatego przełącznik elektryczny jest bardziej przydatny niż przełącznik mechaniczny.

Działanie diody jako przełącznika

Po przekroczeniu określonego napięcia rezystancja diody wzrasta, powodując odwrócenie polaryzacji diody i działa jak otwarty przełącznik. Ilekroć przyłożone napięcie jest poniżej napięcia odniesienia, rezystancja diody zmniejsza się, powodując, że dioda jest spolaryzowana do przodu i działa jak zamknięty przełącznik.

Poniższy obwód wyjaśnia działanie diody jako przełącznika.

Dioda przełączająca ma złącze PN, w którym obszar P jest lekko domieszkowany, a obszar N jest mocno domieszkowany. Powyższy obwód symbolizuje, że dioda włącza się, gdy dodatnie napięcie polaryzuje diodę i wyłącza się, gdy ujemne napięcie polaryzuje diodę.

Dzwonienie

Gdy prąd przewodzenia płynie do tego momentu, z nagłym napięciem wstecznym, prąd wsteczny płynie na przykład zamiast natychmiastowego wyłączania. Im wyższy prąd upływu, tym większa strata. Przepływ prądu wstecznego, gdy dioda jest nagle spolaryzowana wstecz, może czasami powodować kilka oscylacji, zwanych asRINGING.

Ten stan dzwonienia jest stratą i dlatego należy go zminimalizować. Aby to zrobić, należy zrozumieć czasy przełączania diody.

Czasy przełączania diody

Podczas zmiany warunków polaryzacji dioda przechodzi a transient response. Odpowiedź układu na jakąkolwiek nagłą zmianę z położenia równowagi nazywana jest reakcją przejściową.

Nagła zmiana z jazdy do przodu na wsteczny iz odwrotnej do przodu wpływa na obwód. Czas potrzebny na reakcję na takie nagłe zmiany jest ważnym kryterium określającym skuteczność przełącznika elektrycznego.

• Czas potrzebny do powrotu diody do stanu ustalonego nazywa się Recovery Time.

• Przedział czasu potrzebny diodzie do przełączenia ze stanu spolaryzowanego do tyłu do stanu polaryzacji do przodu jest nazywany jako Forward Recovery Time.($t_{fr}$)

• Przedział czasu potrzebny diodzie do przełączenia ze stanu spolaryzowanego do przodu do stanu spolaryzowanego do tyłu jest nazywany jako Reverse Recovery Time. ($t_{fr}$)

Aby lepiej to zrozumieć, spróbujmy przeanalizować, co się dzieje po przyłożeniu napięcia do przełączającej diody PN.

Koncentracja przewoźników

Stężenie nośników ładunku mniejszościowego zmniejsza się wykładniczo, patrząc z dala od złącza. Po przyłożeniu napięcia, ze względu na stan spoczynkowy, większość nośników jednej strony przesuwa się w kierunku drugiej. Stają się mniejszościowymi nosicielami drugiej strony. Ta koncentracja będzie bardziej na skrzyżowaniu.

Na przykład, jeśli rozważa się typ N, nadmiar otworów, które wchodzą w typ N po zastosowaniu odchylenia w przód, dodaje się do już obecnych mniejszościowych nośników materiału typu N.

Rozważmy kilka zapisów.

• Większość przewoźników typu P (dziury) = $ P_ {po} $
• Większość nośników typu N (elektrony) = $ N_ {nie} $
• Nośniki mniejszościowe typu P (elektrony) = $ N_ {po} $
• Większość przewoźników typu N (dziury) = $ P_ {nie} $

During Forward biased Condition- Przewoźnicy mniejszościowi znajdują się bliżej skrzyżowania, a mniej daleko od skrzyżowania. Poniższy wykres wyjaśnia to.

Nadwyżka opłaty przewoźnika mniejszościowego w typie P = $ P_n-P_ {no} $ z $ p_ {nie} $ (wartość stanu ustalonego)

Opłata za nadwyżkę przewoźnika mniejszościowego w typie N = $ N_p-N_ {po} $ z $ N_ {po} $ (wartość stanu ustalonego)

During reverse bias condition- Większość przewoźników nie przewodzi prądu przez skrzyżowanie i dlatego nie uczestniczy w obecnym stanie. Dioda przełączająca zachowuje się jak zwarcie, na przykład w odwrotnym kierunku.

Przewoźnicy mniejszościowi przekroczą skrzyżowanie i przewodzą prąd zwany as Reverse Saturation Current. Poniższy wykres przedstawia stan podczas odwrotnego odchylenia.

Na powyższym rysunku linia przerywana przedstawia wartości równowagi, a linie ciągłe przedstawiają wartości rzeczywiste. Ponieważ prąd pochodzący od nośników ładunku mniejszościowego jest wystarczająco duży, aby przewodzić, obwód będzie WŁĄCZONY, dopóki ten nadmiar ładunku nie zostanie usunięty.

Wywoływany jest czas potrzebny diodzie do zmiany z polaryzacji w przód na wsteczne Reverse recovery time ($t_{rr}$). Poniższe wykresy szczegółowo wyjaśniają czasy przełączania diod.

Z powyższego rysunku rozważmy wykres prądu diody.

Przy $ t_ {1} $ dioda jest nagle przełączana do stanu OFF ze stanu ON; jest znany jako czas przechowywania.Storage timeto czas wymagany do usunięcia nadmiernej opłaty przewoźnika mniejszościowego. Ujemny prąd płynący z materiału typu N do P ma znaczną wielkość w czasie przechowywania. Ten ujemny prąd jest

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

Następnym okresem jest transition time”(Od $ t_2 $ do $ t_3 $)

Czas przejścia to czas potrzebny diodzie do całkowitego przejścia w stan obwodu otwartego. Po $ t_3 $ dioda będzie w stanie ustalonego odwrotnego polaryzacji. Przed $ t_1 $ dioda jest w stanie ustalonego odchylenia do przodu.

Zatem czas potrzebny do całkowitego przejścia do stanu otwartego obwodu wynosi

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

Natomiast przejście do stanu ON z OFF zajmuje mniej czasu, nazywanego as Forward recovery time. Czas przywracania do tyłu jest dłuższy niż czas odzyskiwania do przodu. Dioda działa jako lepszy przełącznik, jeśli ten czas powrotu do tyłu jest krótszy.

Definicje

Przyjrzyjmy się tylko definicjom omawianych okresów.

• Storage time - Okres, przez który dioda pozostaje w stanie przewodzenia, nawet w stanie spolaryzowanym odwrotnym, nazywany jest ciągiem Storage time.

• Transition time - Czas, jaki upłynął w powrocie do stanu nieprzewodzenia, czyli odwrotnego odchylenia w stanie ustalonym, nazywany jest Transition time.

• Reverse recovery time - Czas potrzebny diodzie do zmiany z polaryzacji w przód na wsteczny jest nazywany jako Reverse recovery time.

• Forward recovery time - Czas wymagany do zmiany diody z odchylenia wstecznego do przodu nazywany jest jako Forward recovery time.

Czynniki wpływające na czasy przełączania diod

Jest kilka czynników, które wpływają na czasy przełączania diody, np

• Diode Capacitance - Pojemność złącza PN zmienia się w zależności od warunków polaryzacji.

• Diode Resistance - Opór oferowany przez diodę do zmiany jej stanu.

• Doping Concentration - Poziom domieszkowania diody wpływa na czasy przełączania diody.

• Depletion Width- Im węższa szerokość warstwy zubożenia, tym szybsze przełączanie. Dioda Zenera ma wąski obszar zubożenia niż dioda lawinowa, co czyni ją lepszym przełącznikiem.

Aplikacje

Istnieje wiele zastosowań, w których stosowane są obwody przełączające diody, takie jak:

• Obwody prostownicze o dużej szybkości
• Szybkie obwody przełączające
• Odbiorniki RF
• Zastosowania ogólnego przeznaczenia
• Aplikacje konsumenckie
• Aplikacje motoryzacyjne
• Aplikacje telekomunikacyjne itp.