Diode tín hiệu bán dẫn là một thiết bị bán dẫn phi tuyến tính nhỏ thường được sử dụng trong các mạch điện tử, nơi có liên quan đến dòng điện nhỏ hoặc tần số cao như trong radio, truyền hình và các mạch logic kỹ thuật số.
Điốt tín hiệu ở dạng Diode tiếp xúc điểm hoặc Diode thụ động bằng thủy tinh, có kích thước rất nhỏ về mặt vật lý so với những người anh em họ Điốt điện lớn hơn của chúng.
Nói chung, điểm nối PN của một diode tín hiệu nhỏ được bọc trong thủy tinh để bảo vệ điểm nối PN, và thường có dải màu đỏ hoặc đen ở một đầu của thân chúng để giúp xác định đầu nào là đầu cực âm. Được sử dụng rộng rãi nhất trong số tất cả các điốt tín hiệu được bọc thủy tinh là 1N4148 rất phổ biến và điốt tín hiệu 1N914 tương đương của nó.
Điốt chuyển mạch và tín hiệu nhỏ có xếp hạng công suất và 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 mạch xử lý dạng sóng xung thời gian ngắn.
Các đặc tính của diode tiếp xúc điểm tín hiệu là khác nhau đối với cả loại germani và silicon và được đưa ra như sau:
- Điốt tín hiệu Germanium – Các điốt này có giá trị điện trở ngược thấp tạo ra mức giảm vôn thuận 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.
- Điốt tín hiệu Silicon – Những điốt này có giá trị điện trở ngược rất cao và cung cấp điện áp chuyển tiếp giảm khoảng 0,6 đến 0,7v qua đường giao nhau. Chúng có giá trị khá thấp của điện trở thuận cho chúng giá trị đỉnh 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 đặc tính Trạng thái ổn định VI.
Đường cong đặc tính của Diode Silicon VI
Mũi tên luôn chỉ theo hướng của dòng điện thông thường chạy qua điốt có nghĩa là điốt sẽ chỉ dẫn điện nếu một nguồn dương được kết nối với Cực dương, cực (a) và nguồn âm được kết nối với cực Cathode (k) mà thôi. cho phép dòng điện chỉ chạy qua nó theo một hướng, hoạt động giống như một van điện một chiều, (Điều kiện phân cực thuận).
Tuy nhiên, chúng ta đã biết từ hướng dẫn trước rằng nếu chúng ta kết nối nguồn năng lượng bên ngoài theo hướng khác, diode sẽ chặn bất kỳ dòng điện nào chạy qua nó và thay vào đó sẽ hoạt động giống như một công tắc mở, (Điều kiện phân cực ngược) như hình dưới đây.
Diode phân cực thuận và ngược
Sau đó, chúng ta có thể nói rằng một diode tín hiệu nhỏ lý tưởng dẫn dòng điện theo một hướng (dẫn thuận) và chặn dòng điện theo hướng khác (chặn ngược). Điốt tín hiệu được sử dụng trong nhiều ứng dụng như công tắc trong bộ chỉnh lưu, bộ hạn chế dòng điện, bộ ngắt điện áp hoặc trong các mạch tạo sóng.
Các thông số diode tín hiệu
Điốt tín hiệu được sản xuất với nhiều mức xếp hạng điện áp và dòng điện và cần phải cẩn thận khi chọn điốt cho một ứng dụng nhất định. Có một loạt các đặc tính tĩnh liên quan đến diode tín hiệu khiêm tốn nhưng những đặc tính quan trọng hơn là.
1. Dòng chuyển tiếp tối đa
Dòng chuyển tiếp tối đa (IF(max)) giống như tên gọi của nó ngụ ý dòng điện chuyển tiếp tối đa được phép chạy qua thiết bị. Khi diode đang dẫn trong điều kiện phân cực thuận, nó có điện trở “BẬT” rất nhỏ trên đường giao nhau PN và do đó, công suất bị tiêu tán qua đường giao nhau này (Định luật Ohm) dưới dạng nhiệt.
Sau đó, vượt quá giá trị (IF(max)) của nó sẽ gây ra nhiều nhiệt hơn được tạo ra trên đường giao nhau và diode sẽ bị hỏng do quá tải nhiệt, thường dẫn đến hậu quả điốt bị phá hủy. Khi vận hành điốt xung quanh mức dòng điện tối đa của chúng, tốt nhất nên cung cấp thêm hệ thống làm mát để tản nhiệt do điốt tạo ra.
Ví dụ, một diode tín hiệu nhỏ 1N4148 của chúng tôi có định mức dòng điện tối đa khoảng 150mA với công suất tiêu thụ 500mW ở 25oC. Sau đó, một điện trở phải được sử dụng nối tiếp với diode để hạn chế dòng chuyển tiếp, (IF(max)) thông qua nó đến dưới giá trị này.
2. Điện áp ngược tối đa
Điện áp ngược đỉnh (PIV) hoặc Điện áp đảo cực đại(VR(max)), là điện áp hoạt động Đảo ngược tối đa cho phép có thể được áp dụng trên diode mà không xảy ra sự cố ngược và hư hỏng xảy ra với thiết bị. Do đó, đánh giá này thường nhỏ hơn mức “sự cố tuyết lở” trên đường đặc tính phân cực ngược. Các giá trị điển hình của VR(max) nằm trong khoảng từ vài vôn đến hàng nghìn vôn và phải được xem xét khi thay thế một diode.
Điện áp nghịch đảo đỉnh là một tham số quan trọng và chủ yếu được sử dụng để chỉnh lưu điốt trong mạch chỉnh lưu xoay chiều 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 và mọi chu kỳ.
3. Tổng tiêu hao điện năng
Điốt tín hiệu có tổng mức tiêu tán công suất, (PD(max)). Đánh giá này là công suất tiêu tán tối đa có thể có của diode khi nó được phân cực thuận (dẫn điện). Khi dòng điện chạy qua diode tín hiệu, xu hướng của điểm nối PN không hoàn hảo và tạo ra một số lực cản đối với dòng điện dẫn đến công suất bị tiêu tán (mất) trong diode dưới dạng nhiệt.
Vì điốt tín hiệu nhỏ là thiết bị phi tuyến tính nên điện trở của đường giao nhau PN không phải là hằng số, nó là đặc tính động nên chúng ta không thể sử dụng Định luật Ôm 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 điốt, chúng ta phải nhân điện áp rơi trên nó với dòng điện chạy qua nó: PD =V*I.
4. Nhiệt độ hoạt động tối đa
Nhiệt độ hoạt động tối đa thực sự liên quan đến Nhiệt độ giao nhau (TJ) của diode và liên quan đến tiêu tán công suất tối đa. Đây là nhiệt độ tối đa cho phép trước khi cấu trúc của diode xấu đi và được biểu thị bằng đơn vị độ c trên mỗi Watt, (oC/W).
Giá trị này được liên kết chặt chẽ với dòng chuyển tiếp lớn nhất của thiết bị để tại giá trị này, nhiệt độ của đường giao nhau 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 xung quanh như 25oC hoặc 70oC.
Chung quy là có ba tham số chính phải được xem xét khi lựa chọn hoặc thay thế một diode tín hiệu và đó là:
- Xếp hạng điện áp ngược
- Xếp hạng hiện tại chuyển tiếp
- Xếp hạng phân tán công suất chuyển tiếp
Mảng diode tín hiệu
Khi không gian bị hạn chế, hoặc các cặp điốt tín hiệu chuyển mạch phù hợp được yêu cầu, thì dãy diode có thể rất hữu ích. Chúng thường bao gồm các điốt silicon tốc độ cao có điện dung thấp như 1N4148 được kết nối với nhau trong nhiều gói diode được gọi là mảng để sử dụng trong chuyển mạch và kẹp trong các mạch kỹ thuật số. Chúng được bọc trong các gói nội tuyến duy nhất (SIP) chứa 4 hoặc nhiều điốt được kết nối bên trong để cung cấp cấu hình mảng riêng lẻ, cực âm chung, (CC) hoặc cực dương chung (CA) như được minh họa.
Mảng diode 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 lại hiện tượng phóng tĩnh điện, (ESD) và quá độ điện áp.
Bằng cách kết nối hai điốt nối tiếp qua đường ray cung cấp với đường dữ liệu được kết nối với đường giao nhau của chúng như được minh họa, mọi quá độ không mong muốn sẽ nhanh chóng bị tiêu tan và vì các điốt tín hiệu có sẵn trong mảng 8 chiếc nên chúng có thể bảo vệ tám đường dữ liệu trong một gói duy nhất.
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 lại hiện tượng phóng tĩnh điện, (ESD) và quá độ điện áp.
Bằng cách kết nối hai điốt nối tiếp qua đường ray cung cấp với đường dữ liệu được kết nối với đường giao nhau của chúng như được minh họa, mọi quá độ không mong muốn sẽ nhanh chóng bị tiêu tan và vì các điốt tín hiệu có sẵn trong mảng 8 lần nên chúng có thể bảo vệ tám đường dữ liệu trong một gói duy nhất.
Điốt tín hiệu mắc nối tiếp
Một ứng dụng khác cho diode tín hiệu nhỏ là tạo ra một nguồn cung cấp điện áp điều chỉnh. Các điốt được mắc nối tiếp với nhau để cung cấp điện áp một chiều không đổi trên tổ hợp điốt. Điện áp đầu ra trên các điốt không đổi bất chấp sự thay đổi của dòng tải được rút ra từ sự kết hợp nối tiếp hoặc những thay đổi trong điện áp nguồn DC cung cấp cho chúng. Hãy xem xét mạch dưới đây.
Mắc nối tiếp điốt tín hiệu
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 một lượng tương đối lớn, một diode tín hiệu phân cực thuận có thể tạo ra một mạch điều chỉnh điện áp đơn giản. Điện áp riêng lẻ trên mỗi diode được trừ khỏi điện áp cung cấp và để lại một điện thế nhất định trên điện trở tải và trong ví dụ đơn giản của chúng tôi ở trên, giá trị này được cho là 10v – (3 * 0,7V) = 7,9V .
Điều này là do mỗi điốt có điện trở tiếp giáp liên quan đến dòng tín hiệu nhỏ chạy qua nó và ba điốt tín hiệu mắc 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 vào nối tiếp, sẽ xảy ra giảm điện áp lớn hơn. Ngoài ra có thể đặt song song điốt nối tiếp với điện trở tải để đóng vai trò như một mạch điều chỉnh điện áp. Ở đây điện áp cấp cho 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, RD được sử dụng để ngăn dòng điện quá mức chạy qua điốt nếu tải được loại bỏ.
Điốt Freewheel
Điốt tín hiệu cũng có thể được sử dụng trong nhiều loại mạch kẹp, bảo vệ và tạo sóng với dạng mạch điốt kẹp phổ biến nhất là mạch sử dụng một điốt được kết nối song song với cuộn dây hoặc tải cảm ứng để ngăn ngừa hư hỏng cho mạch chuyển mạch tinh vi bằng cách triệt tiêu các xung điện áp và / hoặc quá độ được tạo ra khi tải đột ngột bị “TẮT”. Loại diode này thường được gọi là “Diode bánh xe tự do”, “Diode bánh đà” hoặc đơn giản là điốt Freewheel như nó thường được gọi hơn.
Diode Freewheel được sử dụng để bảo vệ các công tắc trạng thái rắn như bóng bán dẫn nguồn và MOSFET khỏi bị hư hỏng bằng cách bảo vệ ngược pin cũng như bảo vệ khỏi tải cảm ứng cao như cuộn dây rơ le hoặc động cơ và ví dụ về kết nối của nó được hiển thị bên dưới.
Sử dụng Diode Freewheel
Các thiết bị bán dẫn công suất, chuyển mạch nhanh hiện đại yêu cầu điốt chuyển mạch nhanh như điốt có bánh xe tự do để bảo vệ chúng tạo thành các tải cảm ứng như cuộn dây động cơ hoặc cuộn dây rơle. Mỗi khi thiết bị chuyển mạch ở trên được “BẬT”, diode freewheel sẽ chuyển từ trạng thái dẫn sang trạng thái chặn khi nó bị phân cực ngược.
Tuy nhiên, khi thiết bị nhanh chóng “TẮT”, diode trở nên phân cực thuận và sự suy giảm năng lượng được lưu trữ trong cuộn dây gây ra dòng điện chạy qua diode freewheel. Nếu không có sự bảo vệ của diode tự do, dòng điện tự cảm sẽ gây ra xung đột biến điện áp cao hoặc dòng 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, bóng bán dẫn, MOSFET, IGBT hoặc kỹ thuật số đã bị suy giảm do việc bổ sung một diode freewheel 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 freewheel đã lấy lại được tầm quan trọng chủ yếu do đặc tính thu hồi ngược được cải thiện của chúng và việc 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 quang, Điốt PIN, Điốt đường hầm và Điốt rào cản Schottky. Bằng cách thêm nhiều điểm 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 linh kiện bán dẫn ba lớp trở thành Transistor, một linh kiện bán dẫn bốn lớp trở thành Thyristor hoặc Bộ chỉnh lưu có điều khiển Silicon và các thiết bị năm lớp được gọi là Triac cũng có sẵn.
Trong phần hướng dẫn tiếp theo về diode, chúng ta sẽ xem xét diode tín hiệu lớn đôi khi được gọi là Power Diode. Điốt công suất là điốt silicon được thiết kế để sử dụng trong các mạch chỉnh lưu nguồn điện cao áp, dòng điện cao.
