Diode tín hiệu

Điốt tín hiệu (diode tín hiệu) là hai cực nhỏ dẫn dòng khi phân cực thuận và chặn dòng dòng điện khi phân cực ngược

Diode tín hiệu bán dẫn là một thiết bị bán dẫn phi tuyến tính nhỏ thường được sử dụng trong các mạch điện tử, trong đó các dòng điện nhỏ hoặc tần số cao có liên quan như trong các mạch logic, radio và truyền hình kỹ thuật số.

Điốt tín hiệu, đôi khi còn được biết đến với tên cũ hơn là Diode tiếp xúc điểm hoặc Diode thụ động thủy tinh , có kích thước vật lý rất nhỏ so với anh em họ Power Diode (điốt nguồn) lớn hơn của chúng.

Nói chung, đường nối PN của một diode tín hiệu nhỏ được gói gọn trong kính để bảo vệ đường nối PN và thường có một dải màu đỏ hoặc đen ở một đầu của cơ thể để giúp xác định đầu nào là cực âm. Được sử dụng rộng rãi nhất trong tất cả các điốt tín hiệu được đóng gói bằng kính là 1N4148 rất phổ biến và 1N914 tương đương của nó diode tín hiệu .

Các điốt tín hiệu và chuyển mạch nhỏ có công suất và xếp hạng dòng điện thấp hơn nhiều, khoảng 150mA, tối đa 500mW so với điốt chỉnh lưu, nhưng chúng có thể hoạt động tốt hơn trong các ứng dụng tần số cao hoặc trong các ứng dụng cắt và chuyển đổi xử lý các dạng sóng xung thời gian ngắn.
Xem thêm: Mạch chỉnh lưu toàn sóng

Mạch cầu H là gì? Cấu tạo và cách thiết kế mạch cầu H

Các đặc tính của một diode tiếp xúc điểm tín hiệu là khác nhau đối với cả hai loại Germanium và silicon và được đưa ra là:

• 1. Điốt tín hiệu Germanium – Chúng có giá trị điện trở ngược thấp làm giảm volt volt phía trước thấp hơn qua đường giao nhau, thường chỉ khoảng 0,2 đến 0,3v, nhưng có giá trị điện trở thuận cao hơn vì diện tích đường giao nhau nhỏ.
• 2. Điốt tín hiệu silicon – Chúng có giá trị điện trở ngược rất cao và giảm volt về phía trước khoảng 0,6 đến 0,7v trên đường giao nhau. Chúng có giá trị khá thấp của điện trở thuận cho chúng giá trị cực đại cao của dòng điện thuận và điện áp ngược.

Ký hiệu điện tử được cung cấp cho bất kỳ loại diode nào là một mũi tên có vạch hoặc vạch ở cuối và điều này được minh họa bên dưới cùng với Đường cong Đặc tính Trạng thái VI ổn định.

Đồ thị đặc trưng của Diode silicon VI

Mũi tên luôn chỉ theo hướng của dòng điện thông thường qua diode có nghĩa là diode sẽ chỉ dẫn nếu nguồn cung cấp dương được kết nối với cực Anode , (  a  ) và nguồn cung cấp âm được kết nối với cực Cathode (  k  ) cho phép dòng điện chạy qua nó theo một hướng duy nhất, hoạt động giống như một van điện một chiều, (Điều kiện thiên vị chuyển tiếp).

Tuy nhiên, từ hướng dẫn trước, chúng ta biết rằng nếu chúng ta kết nối nguồn năng lượng bên ngoài theo hướng khác thì diode sẽ chặn bất kỳ dòng điện nào chạy qua nó và thay vào đó sẽ hoạt động như một công tắc mở, (Điều kiện thiên vị đảo ngược) như dưới đây.

Diode thiên vị chuyển tiếp và đảo ngược

Sau đó, chúng ta có thể nói rằng một diode tín hiệu nhỏ lý tưởng dẫn dòng điện theo một hướng (dẫn phía trước) và chặn dòng điện theo hướng khác (chặn ngược). Điốt tín hiệu được sử dụng trong rất nhiều ứng dụng như công tắc trong bộ chỉnh lưu, bộ hạn chế dòng điện, ống nghe điện áp hoặc trong các mạch định hình sóng.

Thông số Diode tín hiệu

Điốt tín hiệu được sản xuất trong một phạm vi điện áp và xếp hạng dòng điện và phải cẩn thận khi chọn một diode cho một ứng dụng nhất định. Có một loạt các đặc điểm tĩnh liên quan đến các diode tín hiệu khiêm tốn nhưng những cái quan trọng hơn là.

1. Chuyển tiếp tối đa dòng điện

Dòng chuyển tiếp tối đa (  I _{F (tối đa)}  ) là tên của nó ngụ ý dòng chuyển tiếp tối đa phép chảy qua thiết bị. Khi diode đang tiến hành trong điều kiện phân cực thuận, nó có điện trở ON ON rất nhỏ trên đường giao nhau PN và do đó, năng lượng bị tiêu tán trên đường giao nhau này (Định luật Ohm) dưới dạng nhiệt.

Sau đó, vượt quá giá trị (  I _{F (tối đa)}  ) của nó sẽ khiến nhiều nhiệt được tạo ra trên đường giao nhau và diode sẽ bị hỏng do quá tải nhiệt, thường có hậu quả phá hủy. Khi hoạt động điốt xung quanh xếp hạng dòng điện tối đa của chúng, tốt nhất là luôn cung cấp khả năng làm mát bổ sung để tản nhiệt do diode tạo ra.

Ví dụ, diode tín hiệu 1N4148 nhỏ của chúng tôi có định mức dòng tối đa khoảng 150mA với công suất tiêu thụ 500mW ở 25 ^o C. Sau đó, một điện trở phải được sử dụng nối tiếp với diode để hạn chế dòng chuyển tiếp, (  I _{F (max)}  ) thông qua nó để dưới giá trị này.

2. Điện áp nghịch đảo cực đại

Các Đỉnh Inverse Voltage (PIV) hoặc Xếp áp tối đa (  V _{R (max)}  ), là tối đa cho phép Xếp điện áp hoạt động có thể được áp dụng trên các diode mà không cần sự cố đảo ngược và thiệt hại xảy ra đối với các thiết bị. Do đó, mức đánh giá này thường thấp hơn mức phá vỡ của trận tuyết lở trên đường cong đặc trưng thiên vị ngược. Các giá trị tiêu biểu của V _{R (tối đa)} nằm trong khoảng từ vài volt đến hàng nghìn volt và phải được xem xét khi thay thế một diode.

Điện áp nghịch đảo cực đại là một tham số quan trọng và chủ yếu được sử dụng để chỉnh lưu điốt trong mạch chỉnh lưu AC có tham chiếu đến biên độ của điện áp là dạng sóng hình sin thay đổi từ giá trị dương sang giá trị âm trên mỗi chu kỳ.

3. Tổng công suất tiêu tán

Điốt tín hiệu có tổng công suất tiêu tán , (  P _{D (tối đa)}  ). Đánh giá này là mức tiêu thụ năng lượng tối đa có thể của diode khi nó bị lệch về phía trước (tiến hành). Khi dòng điện chạy qua diode tín hiệu, sự phân cực của tiếp giáp PN không hoàn hảo và cung cấp một số khả năng chống lại dòng điện dẫn đến năng lượng bị tiêu tán (mất) trong diode dưới dạng nhiệt.

Vì các điốt tín hiệu nhỏ là các thiết bị phi tuyến tính, điện trở của tiếp giáp PN không phải là hằng số, nó là một đặc tính động nên chúng ta không thể sử dụng Định luật Ohms để xác định công suất theo dòng điện và điện trở hoặc điện áp và điện trở như chúng ta có thể đối với điện trở. Sau đó, để tìm công suất sẽ bị tiêu tán bởi diode, chúng ta phải nhân điện áp rơi trên nó nhân với dòng điện chạy qua nó: P _D  = V * I

4. Nhiệt độ hoạt động tối đa

Các Nhiệt độ tối đa hoạt động thực sự liên quan đến nhiệt độ Junction (  T _J  ) của diode và có liên quan đến tản quyền lực tối đa. Đó là nhiệt độ tối đa cho phép trước khi cấu trúc của diode suy giảm và được biểu thị bằng đơn vị độ C. trên mỗi watt, (  ^o C / W  ).

Giá trị này được liên kết chặt chẽ với dòng chuyển tiếp tối đa của thiết bị để tại giá trị này, nhiệt độ của điểm nối không bị vượt quá. Tuy nhiên, dòng chuyển tiếp tối đa cũng sẽ phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường mà thiết bị đang hoạt động, vì vậy dòng chuyển tiếp tối đa thường được trích dẫn cho hai hoặc nhiều giá trị nhiệt độ môi trường xung quanh như 25 ^o C hoặc 70 ^o C.

Sau đó, có ba tham số chính phải được xem xét khi chọn hoặc thay thế một diode tín hiệu và đó là:

• Xếp hạng điện áp ngược
• Xếp hạng dòng điện chuyển tiếp
• Xếp hạng tản điện chuyển tiếp

Mảng tín hiệu

Khi không gian bị giới hạn, hoặc các cặp điốt tín hiệu chuyển mạch phù hợp là bắt buộc, mảng diode có thể rất hữu ích. Chúng thường bao gồm các điốt silicon tốc độ cao điện dung thấp như 1N4148 được kết nối với nhau trong nhiều gói diode được gọi là một mảng để sử dụng trong chuyển đổi và kẹp trong các mạch kỹ thuật số. Chúng được gói trong các gói nội tuyến đơn (SIP) chứa 4 hoặc nhiều điốt được kết nối bên trong để tạo ra một mảng riêng biệt, cực âm chung, (CC) hoặc cấu hình anode chung, (CA) như được hiển thị.

Mảng tín hiệu

Các mảng diode tín hiệu cũng có thể được sử dụng trong các mạch kỹ thuật số và máy tính để bảo vệ các đường dữ liệu tốc độ cao hoặc các cổng song song đầu vào / đầu ra khác chống phóng tĩnh điện, (ESD) và quá độ điện áp.

Bằng cách kết nối hai điốt nối tiếp qua các đường ray cung cấp với đường dữ liệu được kết nối với đường nối của chúng như được hiển thị, mọi chuyển tiếp không mong muốn sẽ nhanh chóng bị tiêu tan và vì các điốt tín hiệu có sẵn trong các mảng 8 lần, chúng có thể bảo vệ tám đường dữ liệu trong một gói.

Bảo vệ dòng dữ liệu CPU

Các mảng diode tín hiệu cũng có thể được sử dụng để kết nối các điốt với nhau theo chuỗi hoặc kết hợp song song để tạo thành mạch điều chỉnh điện áp hoặc mạch giảm điện áp hoặc thậm chí để tạo ra một điện áp tham chiếu cố định đã biết.

Chúng ta biết rằng điện áp rơi phía trước trên một diode silicon là khoảng 0,7v và bằng cách kết nối với nhau một số điốt trong mạch, tổng điện áp rơi sẽ là tổng của các giọt điện áp riêng lẻ của mỗi diode.

Tuy nhiên, khi các điốt tín hiệu được kết nối với nhau theo chuỗi, dòng điện sẽ giống nhau cho mỗi diode để không vượt quá dòng chuyển tiếp tối đa.

Kết nối điốt tín hiệu trong mạch

Một ứng dụng khác cho diode tín hiệu nhỏ là tạo ra nguồn cung cấp điện áp quy định. Các điốt được kết nối với nhau thành chuỗi để cung cấp một điện áp DC không đổi trên toàn tổ hợp diode. Điện áp đầu ra trên các điốt vẫn không đổi mặc dù có những thay đổi trong dòng tải được rút ra từ tổ hợp loạt hoặc thay đổi trong điện áp nguồn DC cung cấp cho chúng. Hãy xem xét các mạch dưới đây.

Điốt tín hiệu trong mạch

Khi điện áp chuyển tiếp giảm trên một diode silicon gần như không đổi ở khoảng 0,7v, trong khi dòng điện qua nó thay đổi bởi một lượng tương đối lớn, một diode tín hiệu phân cực thuận có thể tạo ra một mạch điều chỉnh điện áp đơn giản. Các điện áp rơi trên mỗi diode được trừ khỏi điện áp cung cấp để lại một điện thế nhất định trên điện trở tải, và trong ví dụ đơn giản của chúng tôi ở trên, điều này được đưa ra là 10v – (3 * 0,7V) = 7,9V .

Điều này là do mỗi diode có điện trở tiếp giáp liên quan đến dòng tín hiệu nhỏ chạy qua nó và ba điốt tín hiệu nối tiếp sẽ có giá trị gấp ba lần điện trở này, cùng với điện trở tải R , tạo thành một bộ chia điện áp trên nguồn cung cấp.

Bằng cách thêm nhiều điốt trong mạch, việc giảm điện áp sẽ xảy ra nhiều hơn. Ngoài ra các điốt nối tiếp nối tiếp có thể được đặt song song với điện trở tải để hoạt động như một mạch điều chỉnh điện áp. Ở đây điện áp đặt vào điện trở tải sẽ là 3 * 0,7v = 2,1V . Tất nhiên chúng ta có thể tạo ra cùng một nguồn điện áp không đổi bằng cách sử dụng một Diode Zener duy nhất. Điện trở, R _D được sử dụng để ngăn dòng điện quá mức chạy qua điốt nếu tải bị loại bỏ.

Điốt miễn phí

Điốt tín hiệu cũng có thể được sử dụng trong nhiều loại mạch kẹp, bảo vệ và định hình sóng với dạng mạch diode kẹp phổ biến nhất là một mạch sử dụng một diode được kết nối song song với một cuộn dây hoặc tải cảm ứng để tránh làm hỏng mạch chuyển mạch tinh vi bởi triệt tiêu các xung điện áp và / hoặc quá độ được tạo ra khi tải đột ngột bật tắt OFF OFF. Loại diode này thường được gọi là Diode Bánh xe miễn phí, Diode Bánh đà Diode hay đơn giản là Diode Freewheel vì nó thường được gọi là.

Các diode Freewheel được sử dụng để bảo vệ trạng thái rắn chuyển như bóng bán dẫn điện và MOSFET từ thiệt hại do bảo vệ pin ngược cũng như bảo vệ khỏi tải cao quy nạp như cuộn dây relay hoặc động cơ, và một ví dụ về kết nối của nó được hiển thị bên dưới.

Sử dụng Diode Freewheel

Chuyển mạch nhanh hiện đại, các thiết bị bán dẫn điện yêu cầu các điốt chuyển mạch nhanh như điốt bánh xe miễn phí để bảo vệ chúng hình thành các tải cảm ứng như cuộn dây động cơ hoặc cuộn dây rơle. Mỗi khi thiết bị chuyển mạch ở trên được bật ON ON, bộ chuyển động tự do thay đổi từ trạng thái dẫn sang trạng thái chặn khi thiết bị bị đảo ngược.

Tuy nhiên, khi thiết bị nhanh chóng chuyển sang OFF OFF, diode sẽ bị lệch về phía trước và sự sụp đổ của năng lượng được lưu trữ trong cuộn dây khiến cho dòng điện chạy qua diode freewheel. Nếu không có sự bảo vệ của diode tự do, dòng di / dt cao sẽ xảy ra làm tăng đột biến điện áp cao hoặc thoáng qua xung quanh mạch có thể làm hỏng thiết bị chuyển mạch.

Trước đây, tốc độ hoạt động của thiết bị chuyển mạch bán dẫn, hoặc bóng bán dẫn, MOSFET, IGBT hoặc kỹ thuật số đã bị suy yếu do việc bổ sung một diode tự do trên tải cảm ứng với điốt Schottky và Zener được sử dụng thay thế trong một số ứng dụng. Tuy nhiên, trong vài năm qua, điốt tự do đã lấy lại được tầm quan trọng chủ yếu nhờ các đặc tính phục hồi ngược được cải thiện và sử dụng vật liệu bán dẫn siêu nhanh có khả năng hoạt động ở tần số chuyển mạch cao.

Các loại điốt chuyên dụng khác không có ở đây là Điốt ảnh, Điốt PIN, Điốt đường hầm và Điốt rào cản Schottky. Bằng cách thêm nhiều mối nối PN vào cấu trúc diode hai lớp cơ bản, các loại thiết bị bán dẫn khác có thể được tạo ra.

Ví dụ, một thiết bị bán dẫn ba lớp trở thành Transistor, một thiết bị bán dẫn bốn lớp trở thành Bộ chỉnh lưu điều khiển bằng Thyristor hoặc Silicon và năm thiết bị được gọi là Triac cũng có sẵn.

Trong hướng dẫn tiếp theo về điốt, chúng ta sẽ xem xét diode tín hiệu lớn đôi khi được gọi là Diode điện. Điốt công suất là điốt silicon được thiết kế để sử dụng trong các mạch chỉnh lưu nguồn điện áp cao, dòng điện cao.