ダイオードと整流器の紹介

ダイオードのすべて

ダイオード 電流を許容する電気機器です 他の方向よりもはるかに簡単に一方向に移動します。最新の回路設計で最も一般的な種類のダイオードは、半導体です。 他のダイオード技術が存在しますが、ダイオード。半導体ダイオードは、下図のような回路図で表されます。 「ダイオード」という用語は、通常、I≤1Aの小信号デバイス用に予約されています。整流器という用語 パワーデバイスに使用されます、I> 1A。

半導体ダイオードの回路図記号：矢印は電流の方向を示します。

単純なバッテリーランプ回路に配置すると、ダイオードは、印加電圧の極性に応じて、ランプを流れる電流を許可または防止します。 （下の図）

ダイオードの動作：（a）電流の流れは許可されています。ダイオードは順方向にバイアスされています。 （b）電流の流れは禁止されています。ダイオードは逆バイアスされています。

バッテリーの極性が電流がダイオードを流れることができるようなものである場合、ダイオードは順方向にバイアスされていると言われます。 。逆に、バッテリーが「逆方向」で、ダイオードが電流をブロックしている場合、ダイオードは逆バイアスされていると言われます。 。ダイオードはスイッチのように考えることができます。順方向にバイアスされている場合は「閉じて」、逆方向にバイアスされている場合は「開いています。

ダイオード記号の「矢じり」の方向は、従来の流れの電流の方向を指しています。この規則は、回路図に「矢じり」を持つすべての半導体に当てはまります。電流の方向が「矢じり」に逆らっている電子流を使用する場合は、逆になります。

油圧チェックバルブのアナロジー

ダイオードの動作は、チェックバルブと呼ばれる油圧装置の動作に類似しています。 。チェックバルブは、下の図のように、流体が一方向にのみ流れるようにします。

油圧チェックバルブの例え：（a）許容される電流の流れ。 （b）電流の流れは禁止されています。

逆止弁は本質的に圧力作動式の装置です。逆止弁を横切る圧力がゲートを開くための正しい「極性」である場合、逆止弁は開いて流れを可能にします（示されている例えでは、左側よりも右側の方が流体圧力が高くなります）。圧力が反対の「極性」である場合、逆止弁の両端の圧力差が閉じてゲートを保持し、流れが発生しないようにします。

チェックバルブと同様に、ダイオードは本質的に「圧力」作動（電圧作動）装置です。順バイアスと逆バイアスの本質的な違いは、ダイオードの両端で降下する電圧の極性です。前に示した単純なバッテリーダイオードランプ回路を詳しく見てみましょう。今回は、下の図のさまざまなコンポーネントでの電圧降下を調べます。

ダイオード回路の電圧測定：（a）順方向バイアス。 （b）逆バイアス。

順方向バイアスダイオード構成

順方向にバイアスされたダイオードは電流を流し、その両端に小さな電圧を降下させ、バッテリー電圧の大部分をランプの両端に降下させます。バッテリーの極性が逆になると、ダイオードは逆バイアスになり、すべて低下します。 バッテリーの電圧の何もランプに残しません。ダイオードを自己作動スイッチ（順バイアスモードで閉じ、逆バイアスモードで開く）と見なす場合、この動作は理にかなっています。最も大きな違いは、ダイオードが導通するときに、平均的な機械式スイッチよりもはるかに多くの電圧を降下させることです（0.7ボルト対数十ミリボルト）。

ダイオードによって示されるこの順方向バイアス電圧降下は、印加電圧の影響下でP-N接合によって形成される空乏領域の作用によるものです。半導体ダイオードの両端に電圧が印加されていない場合、P-N接合の領域の周囲に薄い空乏領域が存在し、電流が流れなくなります。 （下の図（a））空乏領域には利用可能な電荷キャリアがほとんどなく、絶縁体として機能します：

ダイオード表現：PN接合モデル、回路図記号、物理部品。

ダイオードの概略記号は上の図（b）に示され、アノード（ポインティングエンド）が（a）のP型半導体に対応します。 （b）の陰極バー、非ポインティング端は、（a）のN型材料に対応します。また、物理部分（c）のカソードストライプは、シンボルのカソードに対応していることに注意してください。

逆バイアスダイオード構成

P-N接合に逆バイアス電圧が印加されると、この空乏領域が拡大し、それを流れる電流にさらに抵抗します。 （下の図）

空乏領域は逆バイアスで拡大します。

順方向電圧

逆に、P-N接合に順方向バイアス電圧を印加すると、空乏領域が崩壊して薄くなります。ダイオードは、ダイオードを流れる電流に対する抵抗が少なくなります。持続電流がダイオードを通過するために;ただし、空乏領域は印加電圧によって完全に崩壊する必要があります。これには、順方向電圧と呼ばれる特定の最小電圧が必要です。 下の図に示すように。

順方向バイアスを（a）から（b）に増やすと、空乏領域の厚さが減少します。

シリコンダイオードの場合、通常の順方向電圧は公称0.7ボルトです。ゲルマニウムダイオードの場合、順方向電圧はわずか0.3ボルトです。ダイオードを構成するP-N接合の化学的構成要素は、その公称順方向電圧の数値を説明します。これが、シリコンダイオードとゲルマニウムダイオードの順方向電圧が異なる理由です。順方向の電圧降下は、広範囲のダイオード電流に対してほぼ一定のままです。つまり、ダイオードの電圧降下は、抵抗器や通常の（閉じた）スイッチの電圧降下とは異なります。最も単純化された回路解析では、導電性ダイオードの両端の電圧降下は公称値で一定であると見なされ、電流の量とは関係ありません。

ダイオード方程式

実際、順方向の電圧降下はもっと複雑です。方程式は、接合部で降下する電圧、接合部の温度、およびいくつかの物理定数が与えられた場合に、ダイオードを流れる正確な電流を表します。これは一般にダイオード方程式として知られています。 ：

kT / qという用語は、温度の作用によってP-N接合内に生成される電圧を表し、熱電圧と呼ばれます。 、またはジャンクションのVt。室温では、これは約26ミリボルトです。これを知って、「非理想性」係数を1と仮定すると、ダイオードの式を単純化して、次のように書き直すことができます。

単純なダイオード回路を分析するために、「ダイオード方程式」に精通している必要はありません。電流伝導ダイオードの両端で電圧降下が発生することを理解してください 流れる電流の量に応じて変化しますが、この変化は広範囲の電流にわたってかなり小さいものです。これが、多くの教科書が、導電性の半導体ダイオードの両端の電圧降下が、シリコンの場合は0.7ボルト、ゲルマニウムの場合は0.3ボルトで一定であると単純に述べている理由です。

ただし、一部の回路は、P-N接合の固有の指数関数的な電流/電圧の関係を意図的に利用しているため、この式のコンテキストでのみ理解できます。また、温度はダイオード方程式の要因であるため、順方向にバイアスされたP-N接合を温度検出デバイスとして使用することもできます。したがって、この数学的関係を概念的に把握している場合にのみ理解できます。

逆バイアス操作

逆バイアスされたダイオードは、空乏領域が拡大するため、電流が流れるのを防ぎます。実際には、非常に少量の電流が、リーク電流と呼ばれる逆バイアスされたダイオードを通過する可能性があります。 、ただし、ほとんどの場合無視できます。

他の絶縁体の場合と同様に、逆バイアス電圧に耐えるダイオードの能力は制限されています。印加される逆バイアス電圧が大きくなりすぎると、ダイオードはブレークダウンと呼ばれる状態になります。 （下の図）、これは通常破壊的です。

ダイオードの最大逆バイアス電圧定格は、ピーク逆電圧として知られています。 、または PIV 、および製造元から入手できます。順方向電圧と同様に、ダイオードのPIV定格は、PIVが増加することを除いて、温度によって変化します。 気温が上昇し、低下する ダイオードが冷えるにつれて、順方向電圧とは正反対になります。

ダイオード曲線：Siの0.7V順方向バイアスと逆方向ブレークダウンでのニーを示しています。

通常、一般的な「整流器」ダイオードのPIV定格は、室温で少なくとも50ボルトです。数千ボルトのPIV定格のダイオードは、手頃な価格で入手できます。

レビュー：

• ダイオード は、電流の一方向弁として機能する電気部品です。
• ダイオードに電流が流れるように電圧がダイオードに印加されると、ダイオードは順方向にバイアスされると言われます。 。
• ダイオードが電流を禁止するような方法でダイオードに電圧が印加されると、ダイオードは逆バイアスされたと言われます。 。
• 導電性の順方向バイアスダイオードで降下する電圧は、順方向電圧と呼ばれます。 。ダイオードの順方向電圧は、順方向電流と温度の変化に対してわずかに変化するだけであり、P-N接合の化学組成によって固定されます。
• シリコンダイオードの順方向電圧は約0.7ボルトです。
• ゲルマニウムダイオードの順方向電圧は約0.3ボルトです。
• ダイオードが「故障」することなく耐えることができる最大逆バイアス電圧は、ピーク逆電圧と呼ばれます。 、または PIV 評価。

関連するワークシート：

• ダイオードの修正ワークシート
• PN接合ワークシート