Diode-voorspanning is de manier waarop een spanning ervoor zorgt dat een diode stroom draagt of blokkeert. Door de spanning te veranderen, kan een diode werken bij voorwaartse geleiding, omgekeerde blokkering of doorbraak. Dit artikel legt het uitputtingsgebied, de voorste knie en exponentiële stroom uit, omgekeerde lekkage en doorbraak, en geeft informatie over deze schakelingtoepassingen.
Overzicht van diodebiasing
Diodebiasing beschrijft hoe een spanningsbron op een diode wordt aangelegd om de bedrijfstoestand in te stellen. Met één polariteit geleidt de diode stroom (voorwaartse bias). Bij de tegengestelde polariteit blokkeert de diode stroom (omgekeerde bias), en blijft er slechts een kleine lekstroom over. Biasing bepaalt of de diode zich gedraagt als een gesloten pad voor stroom of als een open pad.
Uitputtingsgebied en bias-effect
Een diode wordt gevormd door P-type en N-type halfgeleiderregio's met elkaar te verbinden. Bij het PN-knooppunt recombineren elektronen en gaten nabij de grens, waardoor er een zone ontstaat met zeer weinig mobiele dragers. Deze zone is het uitputtingsgebied en vormt een barrière die weerstand biedt aan stroomstromen. Belangrijkste punten:
• De uitputtingsregio heeft vrijwel geen gratis laaddragers
• De barrière in het uitputtingsgebied bepaalt hoe stroom kan stromen
• De breedte van het uitputtingsgebied verandert met voorwaartse of achteruitgerichte verspanning
Voorwaartse voorspanning in diode-voorspanning en stroomstroom
Bij voorwaartse voorspanning is de diode zo aangesloten dat de P-zijde op een hogere spanning staat dan de N-zijde. Dit duwt ladingsdragers richting de PN-overgang en maakt het uitputtingsgebied dunner. Wanneer de barrière klein genoeg wordt, kan stroom gemakkelijk door de diode stromen. In deze toestand geleidt de diode.
| Staat | Beschrijving |
|---|---|
| Externe spanning | P-zijde verbonden met positief, N-zijde met negatieve |
| Uitputtingsgebied | Breedte is verminderd |
| Huidig | Stroomt gemakkelijk en is relatief hoog |
| Diodegedrag | Geleidende toestand (stroom gaat door) |
Voorwaartse spanningsdrempel bij diode-biasing
Een voorwaartsgepolariseerde diode geleidt zeer weinig stroom totdat de aangelegde spanning een keerpunt bereikt, vaak voorwaartse spanning of kniespanning genoemd. Onder dit bereik blijft de stroming klein. Daarna neemt de stroom snel toe bij kleine spanningsveranderingen.
Veelvoorkomende voorwaartse spanningswaarden:
• Siliciumdiodes: ongeveer 0,7 V
• Germaniumdiodes: ongeveer 0,3 V
• LED's: ongeveer 1,8–3,3 V
Voorwaartsgepolariseerde diode: Exponentiële stroomregio
Zodra de diode voorbij het kniegebied beweegt, groeit de stroom exponentieel in een patroon. Een kleine toename van de voorwaartse spanning kan een veel grotere toename van de voorlichtstroom veroorzaken. In veel schakelingen blijft de voorspanning van de diode binnen een smal bereik terwijl de stroom sterk varieert.
| Parameter | Wat het betekent |
|---|---|
| *VF* | De voorwaartse spanning wordt over de diode aangelegd in voorwaartse voorspanning |
| *ALS* | De stroom die door de diode in voorwaartse richting loopt |
| Exponentiële regio | Het deel van de I–V-curve (na de drempel) waar de stroom scherp stijgt met de spanning |
Omgekeerde voorspanning: blokkerende toestand en lekstroom
Bij omgekeerde voorspanning is de diode in de tegenovergestelde richting van de geleidende richting verbonden. Het uitputtingsgebied wordt breder en de verbindingsbarrière stijgt, waardoor de diode de normale stroomstroom blokkeert. Er bestaat nog steeds een kleine omgekeerde stroom door minderheidsdragers in de diode. Deze stroom wordt lekstroom of omgekeerde saturatiestroom genoemd.
Eigenschappen van omgekeerde voorindeling
• Uitputtingsgebied verbreedt en blokkeert het oversteken van de drager
• De omgekeerde stroom blijft zeer klein (afhankelijk van het apparaat)
• Het lekkagepercentage neemt toe naarmate de temperatuur van de overgang stijgt
Omgekeerde Breakdown: Zener- en Lawinemodi
Bij omgekeerde voorspanning blokkeert een diode normaal gesproken stroom. Als de omgekeerde spanning te hoog wordt, bereikt de diode zijn doorslagspanning. Op dat moment begint de diode plotseling een grote stroom te geleiden, ook al is deze nog steeds omgekeerd gebiaseerd. Deze toestand wordt doorbraak genoemd en is een basisonderdeel van het begrijpen van diode-bias bij hoge omgekeerde spanningen.
Soorten uitval
• Zenerdoorbraak (lage spanning) – Vindt plaats bij lagere omgekeerde spanningen, gebruikelijk in speciaal gemaakte Zenerdiodes.
• Lawinedoorbraak (hogere spanning) – Treedt op bij hogere omgekeerde spanningen wanneer ladingsdragers genoeg energie krijgen om andere draagkrachten los te slaan.
Gelijkrichtercircuits (AC naar DC conversie)
In gelijkrichtercircuits geleidt een diode tijdens de halve cyclus wanneer deze voorover is gebiaseerd en blokkeert tijdens de tegenovergestelde halve cyclus wanneer deze omgekeerd gebiaseerd is. Deze actie creëert een eenzijdige uitgang. Het toevoegen van een filtercondensator maakt de uitgangsspanning glad door de rimpeling te verminderen. Waar het verschijnt
• Voedingsadapters en basis DC-voedingen
• Bruggelijkrichters in netgevoede apparatuur
• Polariteitsbeschermingspaden in laagspanningssystemen
LED-werking (voorovergebogen lichtemissie)
Een LED zendt licht uit wanneer deze voorover gepolariseerd is en stroom door zijn overgang stroomt. De voorwaartse spanning hangt af van het materiaal en de kleur van de LED. LED's worden aangedreven met een stroombeperkend element zoals een weerstand of constantstroomdriver om overmatige stroom te voorkomen. Het is het beste om het volgende te controleren:
• Hogere LED-stroom verhoogt de helderheid tot aan apparaatlimieten
• Serieweerstanden stellen de stroom in eenvoudige schakelingen in
• Bestuurders regelen de stroom strakker in verlichtingssystemen
Signaaldetectie en demodulatie
Een diode kan worden gebruikt om een deel van een signaalgolfvorm door te laten. Bij AM-envelopedetectie laadt een voorwaartsgebiaseerd geleidingspad een condensator op signaalpieken, en de condensator ontlaadt tussen pieken via een belastingweerstand, waarbij de inhoud van het lagere frequentiebericht wordt teruggewonnen. Gerelateerde circuitrollen:
• Piekdetectie en afklemmen
• Halfgolf signaalvorming
• Eenvoudige RF-detectietrappen
Toepassingen van omgekeerde vooroordelen
Omgekeerde bias in fotodiodes
Een fotodiode wordt in omgekeerde bias gehouden, zodat het uitputtingsgebied breed is en klaar om op licht te reageren. Dit maakt het gevoeliger voor kleine lichtveranderingen.
Omgekeerde voorspanning in Zenerdiodes
Een Zenerdiode wordt gebruikt in omgekeerde voorspanning nabij de doorslagspanning. In deze toestand houdt het de spanning bijna stabiel en helpt het de voeding te regelen.
Omgekeerde voorspanning in TVS-beschermingsdiodes
TVS (Transient Voltage Suppression) diodes blijven tijdens normale werking omgekeerd gespannen. Wanneer er plotseling een spanningspiek optreedt, geleiden ze omgekeerd en helpen ze de spanning te beperken.
Omgekeerde voorspanning voor isolatie
Een omgekeerd gebiaseerde diode blokkeert de normale stroomstroom. Dit helpt delen van een circuit te isoleren en voorkomt ongewenste stroompaden.
Conclusie
Diode-biasing koppelt de PN-verbinding aan het echte circuitgedrag. Bij voorwaartse voorspanning wordt het uitputtingsgebied dun, wordt de kniespanning bereikt en stijgt de stroom snel, waardoor gelijkrichters, LED's en signaal- of logicatrappen worden gevoed. Bij omgekeerde bias wordt het gebied breder, blijft de stroom klein tot doorbraak, waardoor fotodiodes, Zener-regeling, TVS-bescherming en isolatie mogelijk zijn.
Veelgestelde Vragen [FAQ]
Hoe beïnvloedt temperatuur diodebiasing?
Hogere temperaturen verlaagt de voorwaartse spanningsval en verhoogt de omgekeerde lekstroom.
Wat is de omgekeerde hersteltijd in een diode?
De omgekeerde hersteltijd is de vertraging na het schakelen van voor- naar achteruit-bias terwijl de diode nog steeds geleidt door opgeslagen lading.
Hoe beïnvloeden diode-ratings de voorkantigheid?
De biasspanning en -stroom moeten onder de maximale voor- en achterspanning van de diode blijven om schade te voorkomen.
Wat is dynamische weerstand in een voorwaartsgepolariseerde diode?
Dynamische weerstand is de verhouding tussen een kleine verandering in voorspanningsspanning en een kleine verandering in voorwaartse stroom op een bepaald werkpunt.
Wat gebeurt er als een diode overbelast is in bias?
Te veel voorstroom of omgekeerde spanning oververhit de overgang, verhoogt lekkage en kan permanente storing veroorzaken.