Электронные схемы - диод как переключатель

Диод - это двухконтактный PN переход, который может использоваться в различных приложениях. Одно из таких приложений - электрический выключатель. PN-переход при прямом смещении действует как замкнутый, а при обратном смещении действует как разомкнутый. Следовательно, изменение состояния прямого и обратного смещения заставляет диод работать как переключатель,forward будучи ON и reverse будучи OFF штат.

Электрические переключатели вместо механических переключателей

Электрические переключатели предпочтительнее механических переключателей по следующим причинам:

• Механические переключатели склонны к окислению металлов, тогда как электрические переключатели - нет.
• Механические переключатели имеют подвижные контакты.
• Они более подвержены нагрузкам и деформациям, чем электрические выключатели.
• Износ механических переключателей часто влияет на их работу.

Следовательно, электрический переключатель более полезен, чем механический.

Работа диода как переключателя

Всякий раз, когда заданное напряжение превышается, сопротивление диода увеличивается, заставляя диод смещаться в обратном направлении, и он действует как размыкающий переключатель. Всякий раз, когда напряжение, приложенное ниже опорного напряжения, сопротивление диода получает уменьшается, что делает диод смещен в прямом направлении, и он действует как замкнутый переключатель.

Следующая схема объясняет, как диод работает как переключатель.

Переключающий диод имеет PN-переход, в котором P-область слабо легирована, а N-область сильно легирована. Вышеупомянутая схема символизирует, что диод включается, когда положительное напряжение смещает диод в прямом направлении, и выключается, когда отрицательное напряжение смещает диод в обратном направлении.

Звон

Поскольку прямой ток течет до этого момента, с внезапным обратным напряжением, обратный ток течет, например, вместо того, чтобы немедленно отключаться. Чем выше ток утечки, тем больше потери. Поток обратного тока, когда диод внезапно смещен в обратном направлении, иногда может создавать небольшие колебания, называемыеRINGING.

Это состояние звонка является потерей и, следовательно, должно быть минимизировано. Для этого следует понимать времена переключения диода.

Время переключения диодов

При изменении условий смещения диод испытывает transient response. Реакция системы на любое внезапное изменение положения равновесия называется переходной реакцией.

Внезапное переключение с прямого на обратное и с обратного на прямое смещение влияет на схему. Время, необходимое для реакции на такие внезапные изменения, является важным критерием для определения эффективности электрического переключателя.

• Время, необходимое до того, как диод вернется в устойчивое состояние, называется Recovery Time.

• Интервал времени, необходимый диоду для переключения из состояния обратного смещения в состояние прямого смещения, называется Forward Recovery Time.($t_{fr}$)

• Интервал времени, необходимый диоду для переключения из состояния с прямым смещением в состояние с обратным смещением, называется Reverse Recovery Time. ($t_{fr}$)

Чтобы понять это более четко, давайте попробуем проанализировать, что происходит, когда напряжение подается на переключающий диод PN.

Концентрация носителя

Концентрация неосновных носителей заряда уменьшается экспоненциально, если смотреть вдали от перехода. При подаче напряжения из-за состояния прямого смещения большинство носителей одной стороны движутся по направлению к другой. Они становятся миноритарными носителями другой стороны. Эта концентрация будет больше на стыке.

Например, если рассматривается N-тип, избыток дырок, которые входят в N-тип после приложения прямого смещения, добавляет к уже присутствующим неосновным носителям материала N-типа.

Рассмотрим несколько обозначений.

• Большинство носителей в P-типе (дырки) = $ P_ {po} $
• Большинство носителей в N-типе (электроны) = $ N_ {no} $
• Неосновные носители в P-типе (электроны) = $ N_ {po} $
• Большинство носителей в N-типе (дырки) = $ P_ {no} $

During Forward biased Condition- Неосновные носители больше находятся рядом с перекрестком и меньше от него. График ниже объясняет это.

Избыточный заряд неосновного носителя в P-типе = $ P_n-P_ {no} $ с $ p_ {no} $ (значение устойчивого состояния)

Избыточный заряд неосновного носителя в N-типе = $ N_p-N_ {po} $ с $ N_ {po} $ (значение устойчивого состояния)

During reverse bias condition- Большинство носителей не проводят ток через переход и, следовательно, не участвуют в текущем состоянии. Переключающий диод ведет себя, например, как короткозамкнутый в обратном направлении.

Неосновные носители пересекают переход и проводят ток, который называется Reverse Saturation Current. Следующий график представляет состояние при обратном смещении.

На приведенном выше рисунке пунктирная линия представляет значения равновесия, а сплошные линии представляют фактические значения. Поскольку ток неосновных носителей заряда достаточно велик, чтобы проводить, цепь будет включена до тех пор, пока этот избыточный заряд не будет удален.

Время, необходимое диоду для перехода от прямого смещения к обратному, называется Reverse recovery time ($t_{rr}$). Следующие графики подробно поясняют время переключения диодов.

Из рисунка выше рассмотрим график тока диода.

В $ t_ {1} $ диод внезапно переводится в выключенное состояние из включенного состояния; это известно как время хранения.Storage timeвремя, необходимое для снятия избыточного заряда неосновного носителя. Отрицательный ток, протекающий от материала типа N к материалу P, имеет значительную величину во время хранения. Этот отрицательный ток

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

Следующий временной период - это transition time”(От $ t_2 $ до $ t_3 $)

Время перехода - это время, за которое диод полностью перейдет в состояние разомкнутой цепи. После $ t_3 $ диод перейдет в установившееся состояние обратного смещения. До того, как $ t_1 $ диод находится в состоянии устойчивого прямого смещения.

Итак, время, необходимое для полного перехода в состояние разомкнутой цепи, равно

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

В то время как для перехода в состояние ВКЛ из ВЫКЛ требуется меньше времени, называемого Forward recovery time. Время обратного восстановления больше, чем время прямого восстановления. Диод работает как лучший переключатель, если это время обратного восстановления сделать меньше.

Определения

Давайте просто пройдемся по определениям обсуждаемых периодов времени.

• Storage time - Период времени, в течение которого диод остается в состоянии проводимости даже в состоянии обратного смещения, называется Storage time.

• Transition time - Время, прошедшее до возврата в состояние непроводимости, то есть установившееся обратное смещение, называется Transition time.

• Reverse recovery time - Время, необходимое диоду для перехода от прямого смещения к обратному смещению, называется Reverse recovery time.

• Forward recovery time - Время, необходимое диоду для перехода от обратного смещения к прямому смещению, называется Forward recovery time.

Факторы, влияющие на время переключения диодов

Есть несколько факторов, которые влияют на время переключения диодов, например:

• Diode Capacitance - Емкость PN-перехода изменяется в зависимости от условий смещения.

• Diode Resistance - Сопротивление, предлагаемое диодом для изменения своего состояния.

• Doping Concentration - Уровень легирования диода влияет на время переключения диода.

• Depletion Width- Чем уже ширина обедненного слоя, тем быстрее будет переключение. Стабилитрон имеет более узкую область истощения, чем лавинный диод, что делает его лучшим переключателем.

Приложения

Есть много приложений, в которых используются схемы переключения диодов, такие как:

• Высокоскоростные выпрямительные схемы
• Цепи высокоскоростной коммутации
• Радиоприемники
• Приложения общего назначения
• Потребительские приложения
• Автомобильные приложения
• Телекоммуникационные приложения и т. Д.