Электронные схемы — диод как переключатель

Диод представляет собой двухполюсный PN-переход, который может использоваться в различных приложениях. Одним из таких приложений является электрический выключатель. PN-переход, когда прямое смещение действует как замкнутая цепь, а когда обратное смещение действует как разомкнутая цепь. Следовательно, изменение прямого и обратного смещенных состояний приводит к тому, что диод работает в качестве переключателя, когда прямое направление включено, а обратное состояние выключено .

Электрические выключатели над механическими выключателями

Электрические выключатели являются предпочтительным выбором по сравнению с механическими выключателями по следующим причинам:

• Механические переключатели подвержены окислению металлов, а электрические — нет.
• Механические выключатели имеют подвижные контакты.
• Они более подвержены нагрузкам и нагрузкам, чем электрические выключатели.
• Изношенные механические выключатели часто влияют на их работу.

Следовательно, электрический переключатель более полезен, чем механический переключатель.

Работа диода в качестве переключателя

При превышении указанного напряжения сопротивление диода увеличивается, что приводит к смещению диода 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 слегка легирована, а N-область сильно легирована. Вышеприведенная схема символизирует, что диод включается, когда прямое положительное напряжение смещает диод, и выключается, когда отрицательное обратное напряжение смещает диод.

звонкий

Поскольку прямой ток течет до этого момента, при внезапном обратном напряжении обратный ток протекает в течение некоторого времени, а не немедленно отключается. Чем выше ток утечки, тем больше потери. Поток обратного тока при внезапном обратном смещении диода иногда может создавать несколько колебаний, называемых RINGING .

Это условие вызова является потерей и, следовательно, должно быть сведено к минимуму. Для этого следует понимать время переключения диода.

Время переключения диода

При изменении условий смещения диод испытывает переходные характеристики . Реакция системы на любое внезапное изменение из положения равновесия называется переходной реакцией.

Внезапное изменение от прямого к обратному и от обратного к прямому смещению влияет на цепь. Время, необходимое для реагирования на такие внезапные изменения, является важным критерием для определения эффективности электрического выключателя.

• Время, необходимое для восстановления устойчивого состояния диода, называется временем восстановления .

• Временной интервал, используемый диодом для переключения из состояния обратного смещения в состояние прямого смещения, называется временем прямого восстановления ($t_ {fr}$).

• Временной интервал, используемый диодом для переключения из состояния прямого смещения в состояние с обратным смещением, называется временем обратного восстановления. ($T_ {фр}$)

Время, необходимое для восстановления устойчивого состояния диода, называется временем восстановления .

Временной интервал, используемый диодом для переключения из состояния обратного смещения в состояние прямого смещения, называется временем прямого восстановления ($t_ {fr}$).

Временной интервал, используемый диодом для переключения из состояния прямого смещения в состояние с обратным смещением, называется временем обратного восстановления. ($T_ {фр}$)

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

Концентрация несущей

Концентрация миноритарных носителей заряда экспоненциально уменьшается, если смотреть в сторону от соединения. Когда напряжение приложено из-за прямого смещения, большинство несущих одной стороны движутся в направлении другой. Они становятся миноритариями другой стороны. Эта концентрация будет больше на стыке.

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

Давайте рассмотрим несколько обозначений.

• Основные носители в P-типе (дырки) = $P_ {po}$
• Основные носители в N-типе (электроны) = $N_ {no}$
• Миноритарные носители в P-типе (электроны) = $N_ {po}$
• Основные носители в N-типе (дырки) = $P_ {no}$

Во время прямого смещения — несущие меньшего размера находятся ближе к перекрестку и менее далеко от перекрестка. График ниже объясняет это.

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

Избыточный заряд миноритарного оператора в N-типе = $N_p-N_ {po}$ с $N_ {po}$ (установившееся значение)

Во время условия обратного смещения — Большинство несущих не проводит ток через соединение и, следовательно, не участвует в текущем состоянии. Переключающий диод ведет себя как короткое замыкание, например, в обратном направлении.

Миноритарные несущие будут пересекать перекресток и проводить ток, который называется обратным током насыщения . Следующий график представляет условие во время обратного смещения.

На приведенном выше рисунке пунктирная линия представляет равновесные значения, а сплошные линии представляют фактические значения. Поскольку ток из-за неосновных носителей заряда достаточно велик для проведения, цепь будет включена, пока этот избыточный заряд не будет удален.

Время, необходимое для перехода диода из прямого смещения в обратное смещение, называется временем обратного восстановления ($t_ {rr}$) . Следующие графики подробно объясняют времена переключения диодов.

Из приведенного выше рисунка рассмотрим график тока диода.

При $t_ {1}$ диод внезапно переводится в состояние ВЫКЛ из состояния ВКЛ; это известно как Время хранения. Время хранения — это время, необходимое для снятия избыточного заряда меньшинства. Отрицательный ток, протекающий от материала типа N к P, имеет значительное количество в течение времени хранения. Этот отрицательный ток

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

Следующий период времени — это время перехода »(от $t_2$ до $t_3$)

Время перехода — это время, необходимое для полного перехода диода в состояние разомкнутой цепи. После того, как $t_3$ диод будет в устойчивом состоянии обратного смещения. До того, как диод $t_1$ находится в установившемся режиме прямого смещения.

Таким образом, время, необходимое для полного разомкнутого контура

Reverserecoverytime left(trr right)=памятьtime left(Ts right)+переходвремя left(Tt right) $$Reverse \: \: recovery \: \: time \ left (t_ {rr} \ right) = память \: \: time \ left (T_ {s} \ right) + переход \: \: время \ left ( T_ {t} \ right)$$

Принимая во внимание, что для перехода в состояние ВКЛ из ВЫКЛ, требуется меньше времени, называемого временем прямого восстановления . Время обратного восстановления больше, чем время прямого восстановления. Диод работает как лучший переключатель, если обратное время восстановления меньше.

Определения

Давайте просто пройдемся по определениям обсуждаемых периодов времени.

• Время хранения. Период времени, в течение которого диод остается в состоянии проводимости даже в состоянии с обратным смещением, называется временем хранения .

• Время перехода . Время, прошедшее с момента возврата обратно в состояние непроводимости, то есть обратное смещение в установившемся режиме, называется временем перехода .

• Время обратного восстановления — Время, необходимое для перехода диода с прямого смещения на обратное смещение, называется временем обратного восстановления .

• Время прямого восстановления — Время, необходимое для перехода диода из обратного смещения в прямое смещение, называется временем прямого восстановления .

Время хранения. Период времени, в течение которого диод остается в состоянии проводимости даже в состоянии с обратным смещением, называется временем хранения .

Время перехода . Время, прошедшее с момента возврата обратно в состояние непроводимости, то есть обратное смещение в установившемся режиме, называется временем перехода .

Время обратного восстановления — Время, необходимое для перехода диода с прямого смещения на обратное смещение, называется временем обратного восстановления .

Время прямого восстановления — Время, необходимое для перехода диода из обратного смещения в прямое смещение, называется временем прямого восстановления .

Факторы, влияющие на время переключения диодов

Есть несколько факторов, которые влияют на время переключения диодов, таких как

• Диодная емкость — емкость PN перехода изменяется в зависимости от условий смещения.

• Diode Resistance — сопротивление, предлагаемое диодом для изменения его состояния.

• Концентрация легирования — Уровень легирования диода влияет на время переключения диода.

• Ширина истощения — чем уже ширина слоя истощения, тем быстрее будет переключение. Стабилитрон имеет более узкую область истощения, чем лавинный, что делает его лучшим переключателем.

Диодная емкость — емкость PN перехода изменяется в зависимости от условий смещения.

Diode Resistance — сопротивление, предлагаемое диодом для изменения его состояния.

Концентрация легирования — Уровень легирования диода влияет на время переключения диода.

Ширина истощения — чем уже ширина слоя истощения, тем быстрее будет переключение. Стабилитрон имеет более узкую область истощения, чем лавинный, что делает его лучшим переключателем.

Приложения

Существует много применений, в которых используются схемы переключения диодов, например: