Circuits électroniques - Diode comme interrupteur

La diode est une jonction PN à deux bornes qui peut être utilisée dans diverses applications. L'une de ces applications est un interrupteur électrique. La jonction PN, lorsqu'elle est polarisée en direct, agit comme un circuit fermé et lorsqu'elle est polarisée en inverse, elle agit comme un circuit ouvert. Par conséquent, le changement des états polarisés en avant et en arrière fait que la diode fonctionne comme un commutateur, leforward étant ON et le reverse étant OFF Etat.

Interrupteurs électriques sur interrupteurs mécaniques

Les interrupteurs électriques sont un choix préféré par rapport aux interrupteurs mécaniques pour les raisons suivantes -

  • Les interrupteurs mécaniques sont sujets à l'oxydation des métaux, contrairement aux interrupteurs électriques.
  • Les interrupteurs mécaniques ont des contacts mobiles.
  • Ils sont plus sujets aux contraintes et aux contraintes que les interrupteurs électriques.
  • L'usure et la déchirure des interrupteurs mécaniques affectent souvent leur fonctionnement.

Par conséquent, un interrupteur électrique est plus utile qu'un interrupteur mécanique.

Fonctionnement de la diode comme interrupteur

Chaque fois qu'une tension spécifiée est dépassée, la résistance de la diode augmente, ce qui rend la diode polarisée en inverse et agit comme un interrupteur ouvert. Chaque fois que la tension appliquée est inférieure à la tension de référence, la résistance de la diode diminue, ce qui rend la diode polarisée en direct et agit comme un interrupteur fermé.

Le circuit suivant explique la diode agissant comme un interrupteur.

Une diode de commutation a une jonction PN dans laquelle la région P est légèrement dopée et la région N est fortement dopée. Le circuit ci-dessus symbolise que la diode s'allume lorsque la tension positive polarise la diode en direct et qu'elle s'éteint lorsque la tension négative polarise la diode.

Sonnerie

Alors que le courant direct circule jusque-là, avec une tension inverse soudaine, le courant inverse circule pendant une instance plutôt que de s'éteindre immédiatement. Plus le courant de fuite est élevé, plus la perte est importante. Le flux de courant inverse lorsque la diode est polarisée en inverse soudainement, peut parfois créer quelques oscillations, appelées commeRINGING.

Cette condition de sonnerie est une perte et doit donc être minimisée. Pour ce faire, les temps de commutation de la diode doivent être compris.

Temps de commutation des diodes

En changeant les conditions de polarisation, la diode subit un transient response. La réponse d'un système à tout changement soudain d'une position d'équilibre est appelée réponse transitoire.

Le changement brusque de la polarisation directe à la polarisation inverse et de la polarisation inverse à la polarisation directe affecte le circuit. Le temps nécessaire pour répondre à de tels changements brusques est le critère important pour définir l'efficacité d'un interrupteur électrique.

  • Le temps mis avant que la diode ne retrouve son état stationnaire est appelé Recovery Time.

  • L'intervalle de temps pris par la diode pour passer de l'état polarisé en inverse à l'état polarisé en direct est appelé Forward Recovery Time.($t_{fr}$)

  • L'intervalle de temps pris par la diode pour passer de l'état polarisé en direct à l'état polarisé en inverse est appelé Reverse Recovery Time. ($t_{fr}$)

Pour mieux comprendre cela, essayons d'analyser ce qui se passe une fois que la tension est appliquée à une diode PN de commutation.

Concentration de transporteur

La concentration de porteurs de charge minoritaires diminue de façon exponentielle lorsqu'elle est vue loin de la jonction. Lorsque la tension est appliquée, en raison de la condition de polarisation directe, les porteurs majoritaires d'un côté se déplacent vers l'autre. Ils deviennent des porteurs minoritaires de l'autre côté. Cette concentration sera plus à la jonction.

Par exemple, si le type N est considéré, l'excès de trous qui entrent dans le type N après l'application de la polarisation directe s'ajoute aux porteurs minoritaires déjà présents du matériau de type N.

Considérons quelques notations.

  • Les porteurs majoritaires de type P (trous) = $ P_ {po} $
  • Les porteurs majoritaires de type N (électrons) = $ N_ {no} $
  • Les porteurs minoritaires de type P (électrons) = $ N_ {po} $
  • Les porteurs majoritaires de type N (trous) = $ P_ {no} $

During Forward biased Condition- Les porteurs minoritaires sont plus proches de la jonction et moins éloignés de la jonction. Le graphique ci-dessous explique cela.

Frais de transporteur minoritaire excédentaires dans le type P = $ P_n-P_ {no} $ avec $ p_ {no} $ (valeur en régime permanent)

Frais de porteuse minoritaire en excédent de type N = $ N_p-N_ {po} $ avec $ N_ {po} $ (valeur en régime permanent)

During reverse bias condition- Les porteurs majoritaires ne conduisent pas le courant à travers la jonction et ne participent donc pas à l'état actuel. La diode de commutation se comporte comme un court-circuit par exemple en sens inverse.

Les porteurs minoritaires traverseront la jonction et conduiront le courant, qui est appelé comme Reverse Saturation Current. Le graphique suivant représente la condition pendant le biais inverse.

Dans la figure ci-dessus, la ligne pointillée représente les valeurs d'équilibre et les lignes pleines représentent les valeurs réelles. Comme le courant dû aux porteurs de charge minoritaires est suffisamment grand pour être conducteur, le circuit sera allumé jusqu'à ce que cette charge excédentaire soit supprimée.

Le temps nécessaire à la diode pour passer de la polarisation directe à la polarisation inverse est appelé Reverse recovery time ($t_{rr}$). Les graphiques suivants expliquent en détail les temps de commutation des diodes.

À partir de la figure ci-dessus, considérons le graphique du courant de diode.

À $ t_ {1} $, la diode est brusquement amenée à l'état OFF à partir de l'état ON; il est connu sous le nom de temps de stockage.Storage timeest le temps nécessaire pour supprimer la charge de transporteur minoritaire excédentaire. Le courant négatif circulant du matériau de type N vers P est d'une quantité considérable pendant le temps de stockage. Ce courant négatif est,

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

La prochaine période est le transition time"(De $ t_2 $ à $ t_3 $)

Le temps de transition est le temps nécessaire à la diode pour se mettre complètement en circuit ouvert. Après $ t_3 $, la diode sera en état de polarisation inverse en régime permanent. Avant que la diode $ t_1 $ ne soit en condition de polarisation directe en régime permanent.

Ainsi, le temps nécessaire pour arriver complètement à l'état de circuit ouvert est

$$ Reverse \: \: recovery \: \: time \ left (t_ {rr} \ right) = Storage \: \: time \ left (T_ {s} \ right) + Transition \: \: time \ left ( T_ {t} \ droite) $$

Alors que pour passer à l'état ON à partir de OFF, cela prend moins de temps appelé Forward recovery time. Le temps de récupération inverse est supérieur au temps de récupération avant. Une diode fonctionne comme un meilleur commutateur si ce temps de récupération inverse est réduit.

Définitions

Passons simplement en revue les définitions des périodes de temps discutées.

  • Storage time - La période pendant laquelle la diode reste dans l'état de conduction même dans l'état polarisé en inverse, est appelée comme Storage time.

  • Transition time - Le temps écoulé pour revenir à l'état de non-conduction, c'est-à-dire polarisation inverse en régime permanent, est appelé Transition time.

  • Reverse recovery time - Le temps nécessaire à la diode pour passer de la polarisation directe à la polarisation inverse est appelé Reverse recovery time.

  • Forward recovery time - Le temps nécessaire à la diode pour passer de la polarisation inverse à la polarisation directe est appelé Forward recovery time.

Facteurs qui affectent les temps de commutation des diodes

Il y a peu de facteurs qui affectent les temps de commutation des diodes, tels que

  • Diode Capacitance - La capacité de la jonction PN change en fonction des conditions de polarisation.

  • Diode Resistance - La résistance offerte par la diode pour changer son état.

  • Doping Concentration - Le niveau de dopage de la diode, affecte les temps de commutation de la diode.

  • Depletion Width- Plus la largeur de la couche d'épuisement est étroite, plus la commutation sera rapide. Une diode Zener a une région d'appauvrissement plus étroite qu'une diode à avalanche, ce qui fait de la première un meilleur commutateur.

Applications

Il existe de nombreuses applications dans lesquelles des circuits de commutation à diodes sont utilisés, telles que -

  • Circuits de redressement à grande vitesse
  • Circuits de commutation à grande vitesse
  • Récepteurs RF
  • Applications générales
  • Applications grand public
  • Applications automobiles
  • Applications télécoms, etc.