Mạch điện tử - Diode as a Switch

Diode là một điểm nối PN hai đầu cuối có thể được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau. Một trong những ứng dụng đó là công tắc điện. Tiếp giáp PN, khi phân cực thuận đóng vai trò là đóng mạch và khi phân cực ngược đóng vai trò là mở mạch. Do đó, sự thay đổi của các trạng thái phân cực thuận và nghịch làm cho diode hoạt động như một công tắc,forward hiện hữu ON và reverse hiện hữu OFF tiểu bang.

Công tắc điện qua công tắc cơ học

Công tắc điện là lựa chọn ưu tiên hơn công tắc cơ do những lý do sau:

Công tắc cơ dễ bị oxy hóa kim loại trong khi công tắc điện thì không.
Công tắc cơ có tiếp điểm di chuyển được.
Chúng dễ bị căng và căng hơn công tắc điện.
Các công tắc cơ bị mòn và rách thường ảnh hưởng đến hoạt động của chúng.

Do đó, một công tắc điện hữu ích hơn một công tắc Cơ khí.

Hoạt động của Diode như một công tắc

Bất cứ khi nào vượt quá điện áp quy định, điện trở của diode sẽ tăng lên, làm cho diode bị phân cực ngược và nó hoạt động như một công tắc mở. Bất cứ khi nào điện áp đặt dưới điện áp tham chiếu, điện trở của diode sẽ giảm xuống, làm cho diode bị phân cực thuận và nó hoạt động như một công tắc đóng.

Mạch sau đây giải thích diode hoạt động như một công tắc.

Một diode chuyển mạch có một điểm tiếp giáp PN trong đó vùng P được pha tạp nhẹ và vùng N được pha tạp nhiều. Mạch trên biểu tượng rằng diode BẬT khi điện áp dương phân cực thuận với diode và nó TẮT khi điện áp âm phân cực nghịch diode.

Đổ chuông

Khi dòng điện thuận chạy đến lúc đó, với điện áp ngược đột ngột, ví dụ như dòng điện ngược sẽ chảy thay vì bị TẮT ngay lập tức. Dòng rò càng cao thì tổn thất càng lớn. Dòng chảy của dòng điện ngược khi diode được phân cực ngược đột ngột, đôi khi có thể tạo ra một vài dao động, được gọi làRINGING.

Tình trạng đổ chuông này là một tổn thất và do đó cần được giảm thiểu. Để làm điều này, thời gian chuyển đổi của diode cần được hiểu.

Thời gian chuyển mạch diode

Trong khi thay đổi các điều kiện phân cực, diode trải qua một transient response. Phản ứng của hệ đối với bất kỳ sự thay đổi đột ngột nào so với vị trí cân bằng được gọi là phản ứng nhất thời.

Sự thay đổi đột ngột từ thuận sang nghịch và từ nghịch sang phân cực thuận, ảnh hưởng đến mạch. Thời gian cần thiết để phản ứng với những thay đổi đột ngột đó là tiêu chí quan trọng để xác định hiệu quả của công tắc điện.

Thời gian thực hiện trước khi diode phục hồi trạng thái ổn định của nó được gọi là Recovery Time.
Khoảng thời gian diode thực hiện để chuyển từ trạng thái phân cực ngược sang trạng thái phân cực thuận được gọi là Forward Recovery Time.($t_{fr}$)
Khoảng thời gian diode thực hiện để chuyển từ trạng thái phân cực thuận sang trạng thái phân cực ngược được gọi là Reverse Recovery Time. ($t_{fr}$)

Để hiểu điều này rõ ràng hơn, chúng ta hãy thử phân tích điều gì sẽ xảy ra khi điện áp được đặt vào một diode PN chuyển mạch.

Nồng độ chất mang

Nồng độ chất mang điện tích nhỏ nhất giảm theo cấp số nhân khi nhìn ra khỏi đường giao nhau. Khi điện áp được đặt vào, do điều kiện phân cực thuận, phần lớn hạt tải điện của một bên chuyển động về phía bên kia. Họ trở thành những người vận chuyển thiểu số của phía bên kia. Nồng độ này sẽ nhiều hơn ở các điểm giao nhau.

Ví dụ, nếu loại N được xem xét, phần thừa của các lỗ đi vào loại N sau khi áp dụng phân cực thuận, sẽ thêm vào các hạt tải điện thiểu số đã có của vật liệu loại N.

Chúng ta hãy xem xét một số ký hiệu.

Các tàu sân bay đa số ở loại P (lỗ) = $ P_ {po} $
Các hạt tải điện đa số ở loại N (electron) = $ N_ {no} $
Các hạt tải điện thiểu số trong loại P (electron) = $ N_ {po} $
Các tàu sân bay đa số ở loại N (lỗ) = $ P_ {no} $

During Forward biased Condition- Các tàu sân bay thiểu số ở gần điểm nối hơn và ít ở xa điểm giao nhau hơn. Biểu đồ dưới đây giải thích điều này.

Phí nhà cung cấp dịch vụ thiểu số vượt quá trong P-type = $ P_n-P_ {no} $ với $ p_ {no} $ (giá trị trạng thái ổn định)

Phí nhà cung cấp dịch vụ thiểu số vượt quá trong N-type = $ N_p-N_ {po} $ với $ N_ {po} $ (giá trị trạng thái ổn định)

During reverse bias condition- Đa số các hạt tải điện không dẫn dòng điện qua đường giao nhau và do đó không tham gia vào điều kiện hiện tại. Diode chuyển mạch hoạt động như một trường hợp ngắn mạch đối với một trường hợp theo hướng ngược lại.

Các hạt tải điện thiểu số sẽ băng qua đường giao nhau và dẫn dòng điện, được gọi là Reverse Saturation Current. Đồ thị sau biểu diễn điều kiện trong quá trình phân cực ngược.

Trong hình trên, đường chấm biểu thị các giá trị cân bằng và đường liền nét biểu thị các giá trị thực tế. Vì dòng điện do các hạt mang điện tích thiểu số đủ lớn để dẫn, mạch sẽ BẬT cho đến khi loại bỏ phần điện tích dư thừa này.

Thời gian cần thiết để diode thay đổi từ phân cực thuận sang phân cực ngược được gọi là Reverse recovery time ($t_{rr}$). Các đồ thị sau đây giải thích chi tiết thời gian chuyển đổi của diode.

Từ hình trên, chúng ta hãy xem xét đồ thị dòng diode.

Tại $ t_ {1} $, diode đột ngột được đưa về trạng thái TẮT từ trạng thái BẬT; nó được gọi là Thời gian lưu trữ.Storage timelà thời gian cần thiết để loại bỏ phí vận chuyển thiểu số vượt quá. Dòng điện âm chạy từ vật liệu loại N đến P là một lượng đáng kể trong thời gian Lưu trữ. Dòng điện âm này là,

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

Khoảng thời gian tiếp theo là transition time”(Từ $ t_2 $ đến $ t_3 $)

Thời gian chuyển tiếp là thời gian cần thiết để diode chuyển sang trạng thái mạch hở hoàn toàn. Sau $ t_3 $ diode sẽ ở trạng thái ổn định điều kiện phân cực ngược. Trước $ t_1 $ diode ở trong điều kiện phân cực thuận ở trạng thái ổn định.

Vì vậy, thời gian cần thiết để mạch hở hoàn toàn là

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

Trong khi để chuyển sang trạng thái BẬT từ TẮT, sẽ mất ít thời gian hơn được gọi là Forward recovery time. Thời gian khôi phục ngược lớn hơn thời gian khôi phục Chuyển tiếp. Một diode hoạt động như một công tắc tốt hơn nếu thời gian khôi phục Đảo ngược này được thực hiện ít hơn.

Các định nghĩa

Chúng ta hãy xem xét các định nghĩa của các khoảng thời gian được thảo luận.

Storage time - Khoảng thời gian mà điốt vẫn ở trạng thái dẫn ngay cả ở trạng thái phân cực ngược, được gọi là Storage time.
Transition time - Thời gian trôi qua để trở lại trạng thái không dẫn, tức là phân cực ngược trạng thái ổn định, được gọi là Transition time.
Reverse recovery time - Thời gian cần thiết để diode thay đổi từ phân cực thuận sang phân cực ngược được gọi là Reverse recovery time.
Forward recovery time - Thời gian cần thiết để diode thay đổi từ phân cực ngược sang phân cực thuận được gọi là Forward recovery time.

Các yếu tố ảnh hưởng đến thời gian chuyển mạch diode

Có một số yếu tố ảnh hưởng đến thời gian chuyển mạch của diode, chẳng hạn như

Diode Capacitance - Điện dung tiếp giáp PN thay đổi tùy thuộc vào điều kiện phân cực.
Diode Resistance - Điện trở do diode cung cấp để thay đổi trạng thái của nó.
Doping Concentration - Mức độ pha tạp của diode, ảnh hưởng đến thời gian chuyển mạch của diode.
Depletion Width- Chiều rộng của lớp suy giảm càng hẹp thì chuyển mạch càng nhanh. Một diode Zener có vùng cạn kiệt hẹp hơn một diode tuyết lở, điều này làm cho trước đây trở thành một công tắc tốt hơn.

Các ứng dụng

Có nhiều ứng dụng trong đó các mạch chuyển mạch diode được sử dụng, chẳng hạn như -

Mạch chỉnh lưu tốc độ cao
Mạch chuyển mạch tốc độ cao
Máy thu RF
Ứng dụng mục đích chung
Ứng dụng tiêu dùng
Ứng dụng ô tô
Ứng dụng viễn thông v.v.