วงจรอิเล็กทรอนิกส์ - ไดโอดเป็นสวิตช์

Diode เป็นทางแยก PN สองขั้วที่สามารถใช้ในงานต่างๆ หนึ่งในแอปพลิเคชันดังกล่าวคือสวิตช์ไฟฟ้า ทางแยก PN เมื่อลำเอียงไปข้างหน้าทำหน้าที่ปิดวงจรและเมื่อลำเอียงย้อนกลับทำหน้าที่เป็นวงจรเปิด ดังนั้นการเปลี่ยนสถานะเอนเอียงไปข้างหน้าและย้อนกลับทำให้ไดโอดทำงานเป็นสวิตช์forward การเป็น ON และ reverse การเป็น OFF สถานะ.

สวิตช์ไฟฟ้าเหนือสวิตช์เชิงกล

สวิตช์ไฟฟ้าเป็นทางเลือกที่ดีกว่าสวิตช์เชิงกลเนื่องจากเหตุผลดังต่อไปนี้ -

  • สวิตช์เชิงกลมีแนวโน้มที่จะเกิดออกซิเดชันของโลหะในขณะที่สวิตช์ไฟฟ้าไม่ทำ
  • สวิตช์เชิงกลมีหน้าสัมผัสที่เคลื่อนย้ายได้
  • พวกเขามีแนวโน้มที่จะเกิดความเครียดและกดดันมากกว่าสวิตช์ไฟฟ้า
  • สวิตช์เชิงกลที่สึกหรอและขาดมักส่งผลต่อการทำงาน

ดังนั้นสวิตช์ไฟฟ้าจึงมีประโยชน์มากกว่าสวิตช์เชิงกล

การทำงานของไดโอดเป็นสวิตช์

เมื่อใดก็ตามที่แรงดันไฟฟ้าเกินที่กำหนดความต้านทานของไดโอดจะเพิ่มขึ้นทำให้ไดโอดกลับด้านเอนเอียงและทำหน้าที่เป็นสวิตช์เปิด เมื่อใดก็ตามที่แรงดันไฟฟ้าที่ใช้อยู่ต่ำกว่าแรงดันอ้างอิงความต้านทานของไดโอดจะลดลงทำให้ไดโอดไปข้างหน้าเอนเอียงและทำหน้าที่เป็นสวิตช์ปิด

วงจรต่อไปนี้อธิบายถึงไดโอดที่ทำหน้าที่เป็นสวิตช์

ไดโอดสวิตชิ่งมีทางแยก PN ซึ่ง P-region ถูกเจือเพียงเล็กน้อยและ N-region ถูกเจืออย่างมาก วงจรด้านบนเป็นสัญลักษณ์ว่าไดโอดเปิดขึ้นเมื่อแรงดันไฟฟ้าบวกไปข้างหน้าทำให้ไดโอดมีอคติและจะดับลงเมื่อแรงดันไฟฟ้าเชิงลบย้อนกลับไบโอดไดโอด

เสียงเรียกเข้า

เมื่อกระแสไปข้างหน้าไหลจนถึงตอนนั้นด้วยแรงดันย้อนกลับอย่างกะทันหันกระแสย้อนกลับจะไหลไปยังอินสแตนซ์แทนที่จะปิดทันที กระแสไฟรั่วยิ่งสูงการสูญเสียก็ยิ่งมากขึ้น การไหลของกระแสย้อนกลับเมื่อไดโอดกลับลำเอียงอย่างกะทันหันบางครั้งอาจสร้างการสั่นเล็กน้อยเรียกว่าRINGING.

เงื่อนไขการเรียกเข้านี้เป็นการสูญเสียดังนั้นจึงควรลดให้น้อยที่สุด ในการทำเช่นนี้ควรเข้าใจเวลาในการเปลี่ยนไดโอด

เวลาเปลี่ยนไดโอด

ในขณะที่เปลี่ยนเงื่อนไขไบแอสไดโอดจะผ่าน a transient response. การตอบสนองของระบบต่อการเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันจากตำแหน่งสมดุลเรียกว่าเป็นการตอบสนองชั่วคราว

การเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันจากไปข้างหน้าเป็นย้อนกลับและจากการย้อนกลับเป็นอคติไปข้างหน้ามีผลต่อวงจร เวลาที่ใช้ในการตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันดังกล่าวเป็นเกณฑ์สำคัญในการกำหนดประสิทธิภาพของสวิตช์ไฟฟ้า

  • เวลาที่ดำเนินการก่อนที่ไดโอดจะกู้คืนสถานะคงที่เรียกว่าเป็น Recovery Time.

  • ช่วงเวลาที่ไดโอดใช้เพื่อเปลี่ยนจากสถานะเอนเอียงย้อนกลับเป็นสถานะลำเอียงไปข้างหน้าเรียกว่าเป็น Forward Recovery Time.($t_{fr}$)

  • ช่วงเวลาที่ไดโอดใช้เพื่อเปลี่ยนจากสถานะเอนเอียงไปข้างหน้าเป็นสถานะลำเอียงย้อนกลับเรียกว่าเป็น Reverse Recovery Time. ($t_{fr}$)

เพื่อให้เข้าใจสิ่งนี้ชัดเจนยิ่งขึ้นให้เราลองวิเคราะห์สิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อแรงดันไฟฟ้าถูกนำไปใช้กับไดโอด PN แบบสวิตชิ่ง

ความเข้มข้นของผู้ให้บริการ

ความเข้มข้นของผู้ให้บริการรายย่อยจะลดลงแบบทวีคูณเมื่อเห็นห่างจากทางแยก เมื่อใช้แรงดันไฟฟ้าเนื่องจากสภาพเอนเอียงไปข้างหน้าผู้ให้บริการส่วนใหญ่ของด้านหนึ่งจะเคลื่อนไปทางอีกด้านหนึ่ง พวกเขากลายเป็นพาหะของชนกลุ่มน้อยในอีกด้านหนึ่ง ความเข้มข้นนี้จะมากขึ้นที่ทางแยก

ตัวอย่างเช่นหากพิจารณาประเภท N ส่วนเกินของรูที่เข้าสู่ประเภท N หลังจากใช้อคติไปข้างหน้าจะเพิ่มให้กับพาหะของชนกลุ่มน้อยที่มีอยู่แล้วของวัสดุประเภท N

ให้เราพิจารณาสัญกรณ์เล็กน้อย

  • ผู้ให้บริการส่วนใหญ่ในประเภท P (หลุม) = $ P_ {po} $
  • พาหะส่วนใหญ่ในประเภท N (อิเล็กตรอน) = $ N_ {no} $
  • พาหะของชนกลุ่มน้อยในประเภท P (อิเล็กตรอน) = $ N_ {po} $
  • ผู้ให้บริการส่วนใหญ่ในประเภท N (หลุม) = $ P_ {no} $

During Forward biased Condition- ผู้ให้บริการรายย่อยอยู่ใกล้ทางแยกมากกว่าและอยู่ห่างจากทางแยกน้อยกว่า กราฟด้านล่างอธิบายสิ่งนี้

ค่าบริการของผู้ให้บริการรายย่อยส่วนเกินใน P-type = $ P_n-P_ {no} $ กับ $ p_ {no} $ (ค่าสถานะคงที่)

ค่าบริการของผู้ให้บริการรายย่อยส่วนเกินใน N-type = $ N_p-N_ {po} $ กับ $ N_ {po} $ (ค่าสถานะคงที่)

During reverse bias condition- ผู้ให้บริการรายใหญ่ไม่นำกระแสผ่านทางแยกดังนั้นจึงไม่เข้าร่วมในสภาพปัจจุบัน ไดโอดสวิตชิ่งจะทำงานเป็นไฟฟ้าลัดวงจรสำหรับอินสแตนซ์ในทิศทางย้อนกลับ

ผู้ให้บริการรายย่อยจะข้ามทางแยกและดำเนินการในปัจจุบันซึ่งเรียกว่าเป็น Reverse Saturation Current. กราฟต่อไปนี้แสดงถึงเงื่อนไขระหว่างอคติย้อนกลับ

ในรูปด้านบนเส้นประแสดงถึงค่าสมดุลและเส้นทึบแทนค่าจริง เนื่องจากกระแสไฟฟ้าเนื่องจากพาหะของประจุไฟฟ้าส่วนน้อยมีขนาดใหญ่พอที่จะดำเนินการได้วงจรจะเปิดจนกว่าประจุส่วนเกินนี้จะถูกลบออก

เรียกเวลาที่ต้องการสำหรับไดโอดในการเปลี่ยนจากอคติไปข้างหน้าเป็นอคติย้อนกลับ Reverse recovery time ($t_{rr}$). กราฟต่อไปนี้จะอธิบายรายละเอียดเวลาในการเปลี่ยนไดโอด

จากรูปด้านบนให้เราพิจารณากราฟกระแสของไดโอด

ที่ $ t_ {1} $ ไดโอดจะถูกนำเข้าสู่สถานะ OFF จากสถานะเปิดในทันที เรียกว่า Storage timeStorage timeเป็นเวลาที่ต้องใช้ในการลบค่าธรรมเนียมของผู้ให้บริการขนส่งรายย่อย กระแสลบที่ไหลจากวัสดุประเภท N ไปยัง P มีจำนวนมากในช่วงเวลาการจัดเก็บ กระแสลบนี้คือ

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

ช่วงเวลาถัดไปคือ transition time” (จาก $ t_2 $ ถึง $ t_3 $)

เวลาเปลี่ยนคือเวลาที่ไดโอดเข้าสู่สภาวะวงจรเปิดอย่างสมบูรณ์ หลังจาก $ t_3 $ diode จะอยู่ในสภาวะ reverse bias คงที่ ก่อนที่ $ t_1 $ diode จะอยู่ภายใต้สภาวะการส่งต่อแบบคงที่

ดังนั้นเวลาที่ใช้ในการเข้าสู่สภาพวงจรเปิดอย่างสมบูรณ์คือ

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

ในขณะที่การเข้าสู่สภาพ ON จาก OFF จะใช้เวลาน้อยกว่าที่เรียกว่า as Forward recovery time. เวลาในการกู้คืนย้อนกลับมากกว่าเวลากู้คืนไปข้างหน้า ไดโอดทำงานเป็นสวิตช์ที่ดีกว่าถ้าเวลาในการกู้คืนย้อนกลับน้อยลง

คำจำกัดความ

ให้เราดูคำจำกัดความของช่วงเวลาที่กล่าวถึง

  • Storage time - ช่วงเวลาที่ไดโอดยังคงอยู่ในสถานะการนำไฟฟ้าแม้ว่าจะอยู่ในสถานะเอนเอียงแบบย้อนกลับเรียกว่าเป็น Storage time.

  • Transition time - เวลาที่ผ่านไปในการย้อนกลับไปสู่สถานะของการไม่นำไฟฟ้าคือสภาวะคงตัวย้อนกลับเรียกว่า Transition time.

  • Reverse recovery time - เวลาที่ไดโอดต้องเปลี่ยนจากอคติไปข้างหน้าเป็นอคติย้อนกลับเรียกว่า Reverse recovery time.

  • Forward recovery time - เวลาที่จำเป็นสำหรับไดโอดในการเปลี่ยนจากอคติย้อนกลับเป็นอคติไปข้างหน้าเรียกว่า Forward recovery time.

ปัจจัยที่มีผลต่อเวลาในการเปลี่ยนไดโอด

มีปัจจัยบางอย่างที่ส่งผลต่อเวลาในการเปลี่ยนไดโอดเช่น

  • Diode Capacitance - ความจุของทางแยก PN เปลี่ยนไปตามเงื่อนไขอคติ

  • Diode Resistance - ความต้านทานที่นำเสนอโดยไดโอดเพื่อเปลี่ยนสถานะ

  • Doping Concentration - ระดับการเติมไดโอดมีผลต่อเวลาในการเปลี่ยนไดโอด

  • Depletion Width- ยิ่งความกว้างของเลเยอร์พร่องแคบลงการเปลี่ยนก็จะเร็วขึ้น ซีเนอร์ไดโอดมีพื้นที่พร่องแคบกว่าไดโอดหิมะถล่มซึ่งทำให้อดีตเป็นสวิตช์ที่ดีกว่า

การใช้งาน

มีแอพพลิเคชั่นมากมายที่ใช้วงจรสวิตชิ่งไดโอดเช่น -

  • วงจรแก้ไขความเร็วสูง
  • วงจรสวิตชิ่งความเร็วสูง
  • เครื่องรับ RF
  • การใช้งานทั่วไป
  • แอปพลิเคชันสำหรับผู้บริโภค
  • การใช้งานยานยนต์
  • แอปพลิเคชั่นโทรคมนาคมเป็นต้น