Circuiti elettronici - Diodo come interruttore

Il diodo è una giunzione PN a due terminali che può essere utilizzata in varie applicazioni. Una di queste applicazioni è un interruttore elettrico. La giunzione PN, quando polarizzata in avanti agisce come un circuito chiuso e quando polarizzata inversa agisce come un circuito aperto. Quindi il cambiamento degli stati polarizzati in avanti e inverso fa sì che il diodo funzioni come un interruttore, ilforward essere ON e il reverse essere OFF stato.

Interruttori elettrici su interruttori meccanici

Gli interruttori elettrici sono una scelta preferita rispetto agli interruttori meccanici per i seguenti motivi:

  • Gli interruttori meccanici sono soggetti all'ossidazione dei metalli mentre gli interruttori elettrici no.
  • Gli interruttori meccanici hanno contatti mobili.
  • Sono più soggetti a sollecitazioni e sollecitazioni rispetto agli interruttori elettrici.
  • L'usura e la rottura degli interruttori meccanici spesso ne pregiudicano il funzionamento.

Quindi un interruttore elettrico è più utile di un interruttore meccanico.

Funzionamento del diodo come interruttore

Ogni volta che una tensione specificata viene superata, la resistenza del diodo aumenta, rendendo il diodo polarizzato inversamente e funge da interruttore aperto. Ogni volta che la tensione applicata è inferiore alla tensione di riferimento, la resistenza del diodo diminuisce, polarizzando il diodo in avanti e agisce come un interruttore chiuso.

Il circuito seguente spiega il diodo che funge da interruttore.

Un diodo di commutazione ha una giunzione PN in cui la regione P è leggermente drogata e la regione N è fortemente drogata. Il circuito sopra simboleggia che il diodo si accende quando la tensione positiva polarizza il diodo e si spegne quando la tensione negativa polarizza il diodo inverso.

Suonando

Mentre la corrente diretta fluisce fino ad allora, con un'improvvisa tensione inversa, la corrente inversa fluisce per un'istanza anziché essere disattivata immediatamente. Maggiore è la corrente di dispersione, maggiore è la perdita. Il flusso di corrente inversa quando il diodo è polarizzato in modo inverso all'improvviso, a volte può creare poche oscillazioni, chiamate comeRINGING.

Questa condizione di squillo è una perdita e quindi dovrebbe essere ridotta al minimo. A tale scopo, è necessario comprendere i tempi di commutazione del diodo.

Tempi di commutazione dei diodi

Durante la modifica delle condizioni di polarizzazione, il diodo subisce una transient response. La risposta di un sistema a qualsiasi cambiamento improvviso da una posizione di equilibrio è chiamata risposta transitoria.

L'improvviso cambiamento da avanti a retromarcia e da retromarcia a polarizzazione in avanti, influenza il circuito. Il tempo impiegato per rispondere a tali cambiamenti improvvisi è il criterio importante per definire l'efficacia di un interruttore elettrico.

  • Il tempo impiegato prima che il diodo recuperi il suo stato stazionario è chiamato come Recovery Time.

  • L'intervallo di tempo impiegato dal diodo per passare dallo stato polarizzato inverso allo stato polarizzato in avanti è chiamato come Forward Recovery Time.($t_{fr}$)

  • L'intervallo di tempo impiegato dal diodo per passare dallo stato polarizzato in avanti allo stato polarizzato inverso è chiamato come Reverse Recovery Time. ($t_{fr}$)

Per capirlo più chiaramente, proviamo ad analizzare cosa succede una volta applicata la tensione a un diodo PN di commutazione.

Concentrazione portante

La concentrazione del portatore di carica di minoranza si riduce in modo esponenziale se visto lontano dalla giunzione. Quando viene applicata la tensione, a causa della condizione di polarizzazione diretta, i portatori maggioritari di un lato si spostano verso l'altro. Diventano portatori di minoranza dell'altra parte. Questa concentrazione sarà più all'incrocio.

Ad esempio, se si considera il tipo N, l'eccesso di fori che entrano nel tipo N dopo aver applicato la polarizzazione diretta, si aggiunge ai portatori minoritari già presenti di materiale di tipo N.

Consideriamo alcune notazioni.

  • I vettori maggioritari in tipo P (fori) = $ P_ {po} $
  • I vettori maggioritari in tipo N (elettroni) = $ N_ {no} $
  • I portatori minoritari di tipo P (elettroni) = $ N_ {po} $
  • I vettori maggioritari in tipo N (fori) = $ P_ {no} $

During Forward biased Condition- I vettori di minoranza sono più vicini allo svincolo e meno lontani dallo svincolo. Il grafico sotto lo spiega.

Addebito dell'operatore di minoranza in eccesso nel tipo P = $ P_n-P_ {no} $ con $ p_ {no} $ (valore di stato stazionario)

Addebito dell'operatore di minoranza in eccesso in tipo N = $ N_p-N_ {po} $ con $ N_ {po} $ (valore di stato stazionario)

During reverse bias condition- La maggior parte dei vettori non conduce la corrente attraverso la giunzione e quindi non partecipa alla condizione attuale. Il diodo di commutazione si comporta come un cortocircuito per un'istanza in direzione inversa.

I portatori di minoranza attraverseranno l'incrocio e condurranno la corrente, che si chiama come Reverse Saturation Current. Il grafico seguente rappresenta la condizione durante il bias inverso.

Nella figura sopra, la linea tratteggiata rappresenta i valori di equilibrio e le linee continue rappresentano i valori effettivi. Poiché la corrente dovuta ai portatori di carica di minoranza è abbastanza grande da condurre, il circuito sarà ON fino a quando questa carica in eccesso non viene rimossa.

Viene chiamato il tempo necessario al diodo per passare dalla polarizzazione diretta alla polarizzazione inversa Reverse recovery time ($t_{rr}$). I grafici seguenti spiegano in dettaglio i tempi di commutazione dei diodi.

Dalla figura sopra, consideriamo il grafico della corrente del diodo.

A $ t_ {1} $ il diodo viene portato improvvisamente allo stato OFF dallo stato ON; è noto come tempo di archiviazione.Storage timeè il tempo necessario per rimuovere la tariffa in eccesso del vettore di minoranza. La corrente negativa che fluisce dal materiale di tipo N a P è di una quantità considerevole durante il tempo di immagazzinamento. Questa corrente negativa è,

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

Il prossimo periodo di tempo è il transition time"(Da $ t_2 $ a $ t_3 $)

Il tempo di transizione è il tempo impiegato dal diodo per raggiungere completamente la condizione di circuito aperto. Dopo $ t_3 $ il diodo sarà in condizione di polarizzazione inversa a regime. Prima che $ t_1 $ il diodo sia in condizione di polarizzazione diretta in stato stazionario.

Quindi, il tempo necessario per arrivare completamente alla condizione di circuito aperto è

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

Considerando che per arrivare alla condizione di ON da OFF, ci vuole meno tempo chiamato come Forward recovery time. Il tempo di ripristino inverso è maggiore del tempo di ripristino in avanti. Un diodo funziona come un interruttore migliore se questo tempo di recupero inverso viene ridotto.

Definizioni

Esaminiamo solo le definizioni dei periodi di tempo discussi.

  • Storage time - Il periodo di tempo per il quale il diodo rimane nello stato di conduzione anche nello stato polarizzato inverso, è chiamato come Storage time.

  • Transition time - Il tempo trascorso per ritornare allo stato di non conduzione, cioè al bias inverso allo stato stazionario, è chiamato Transition time.

  • Reverse recovery time - Il tempo necessario al diodo per passare da polarizzazione diretta a polarizzazione inversa è chiamato come Reverse recovery time.

  • Forward recovery time - Il tempo necessario al diodo per passare da polarizzazione inversa a polarizzazione diretta è chiamato come Forward recovery time.

Fattori che influenzano i tempi di commutazione dei diodi

Ci sono pochi fattori che influenzano i tempi di commutazione dei diodi, come

  • Diode Capacitance - La capacità della giunzione PN cambia a seconda delle condizioni di polarizzazione.

  • Diode Resistance - La resistenza offerta dal diodo per cambiare il suo stato.

  • Doping Concentration - Il livello di drogaggio del diodo, influisce sui tempi di commutazione del diodo.

  • Depletion Width- Più stretta è la larghezza dello strato di esaurimento, più veloce sarà la commutazione. Un diodo Zener ha una regione di esaurimento ristretta rispetto a un diodo a valanga, il che rende il primo un interruttore migliore.

Applicazioni

Esistono molte applicazioni in cui vengono utilizzati circuiti di commutazione a diodi, come:

  • Circuiti raddrizzatori ad alta velocità
  • Circuiti di commutazione ad alta velocità
  • Ricevitori RF
  • Applicazioni generiche
  • Applicazioni consumer
  • Applicazioni automobilistiche
  • Applicazioni per telecomunicazioni ecc.