Warto przeczytać

Dioda jest dwuelektrodowym elementem elektronicznym, przewodzącym dobrze prąd w jedną stronę. Efekt ten, na złączu metal - półprzewodnik, został okryty w 1897 roku przez Ferdinanda Brauna. W 1904 John Ambrose Fleming skonstruował diodę lampową (próżniową). Diody takie dominowały do lat sześćdziesiątych XX wieku. W diodach próżniowych prąd mógł płynąć tylko w jedną stronę, ponieważ katoda była żarzona, stając się dzięki temu źródłem elektronów. Strumień elektronów mógł płynąć jedynie od ujemnej katody do dodatniej anody. Gdy katodę polaryzowano dodatnio, przyciągała z powrotem wyemitowane elektrony i prąd przez lampę nie płynął.

Działanie diody półprzewodnikowej bazuje na właściwościach złącza p‑n, zbudowanego po raz pierwszy w 1939 roku przez Russella Shoemakera Ohla. Właściwości te, o których możesz się dowiedzieć z e‑materiałów „Budowa diody” i „Zasada działania diody”, umożliwiły znaczne poszerzenie zastosowań diod w stosunku do ich próżniowych poprzedników. Diody półprzewodnikowe są znacznie mniejsze od lampowych, co przyczyniło się do miniaturyzacji urządzeń elektronicznych.

Dobierając odpowiednio materiały, z których wytwarza się diody i modyfikując ich strukturę odpowiednią ilością domieszek, można uzyskiwać różne efekty na złączu i wynikające z tego różne zastosowania diod.

Działanie diody dobrze określa jej charakterystyka prądowo‑napięciowa, czyli zależność natężenia prądu płynącego przez diodę od przłyłożonego napięcia - Rys.1.

RL6xhMeelTUJF

Rys. 1. Rysunek przedstawia układ współrzędnych, gdzie oś pionowa oznaczona wielką literą I, skierowana jest pionowo w górę i opisuje natężenie prądu elektrycznego. Oś pozioma układu oznaczona wielką literą U skierowana jest w prawo i przedstawia napięcie prądu elektrycznego. W układzie pokazano funkcję narysowaną czarną linią. Funkcja przedstawia natężenie prądu płynącego przez diodę w zależności od przyłożonego napięcia. Dla ujemnych wartości napięcia prądu elektrycznego funkcja przyjmuje duże wartości ujemne. Ten zakres napięcia nazywany jest zakresem przebicia. Dla ujemnych wartości napięcia elektrycznego zbliżających się do zera wartość natężenia prądu również dąży do zera i przyjmuje postać funkcji zbliżonej do osi poziomej układu współrzędnych. Ten zakres napięcia nazywany jest zakresem zaporowym. Dla dodatnich wartości napięcia, natężenie prądu płynącego przez diodę rośnie potęgowo. Ten zakres napięcia nazywamy zakresem przewodzenia. Na wykresie zaznaczono wartość prądu nasycenia opisaną wielką literą I z indeksem dolnym wielka litera S. Wartość prądu nasycenia jest mała. Powyżej tej wartości wartość natężenia prądu gwałtownie rośnie dla niewielkich zmian wartości napięcia przyłożonego do diody.

Na wykresie wyróżniamy trzy obszary: zakres przewodzenia, zakres zaporowy i zakres przebicia. W kierunku przewodzenia napięcie jest dodatnie. Już przy niewielkiej jego wartości, począwszy od 1 V, przez diodę płynie duży prąd. W diodach stosowanych w elektronice jest to kilka amperów, a w stosowanych w elektrotechnice - nawet kilka kiloamperów. W kierunku zaporowym płynie bardzo mały prąd, o natężeniu poniżej 10Indeks górny -6^-6 A. Związany jest on z przepływem nośników mniejszościowych, generowanych przez atomy materiału półprzewodnikowego, a nie domieszki. Po osiągnięciu napięcia przebicia, natężenie prądu gwałtownie rośnie i w niewielkim stopniu zależy od przyłożonego napięcia.

Działanie większości diod wykorzystuje kierunek dobrego przewodzenia prądu, ale są też takie, które działają w kierunku zaporowym, a nawet wykorzystujące zakres przebicia. Wybrane zastosowania diod przedstawia poniższe zestawienie.

Przykłady zastosowania diod

• Diody prostownicze

Wykonuje się je najczęściej z krzemu (Si) i germanu (Ge), a wykorzystuje do zamiany prądu przemiennego dostarczanego przez sieć energetyczną na prąd jednokierunkowy (potrzebny do zasilania urządzeń elektronicznych) w ładowarkach i różnego rodzaju zasilaczach.

RxfqdQsnk4g5q

Rys. 2. Zdjęcie przedstawia diodę prostowniczą szybką. Na jasnym tle blatu ułożono krążek w kolorze miedzianym z elementami kremowymi. Krążek składa się z trzech współśrodkowych dysków ułożonych w płaszczyźnie poziomej. Najmniejszą średnicę ma dysk górny, natomiast dysk dolny największą. Obok diody prostowniczej położono monetę jednogroszową. Moneta jest kilkukrotnie mniejsza niż dioda.

R11emyqCD3t7o

Rys. 3. Zdjęcie przedstawia diodę prostowniczą w postaci poziomego walca. Podstawy walca znajdują się w płaszczyźnie pionowej. Prawy koniec diodę jest szary, lewa część diodę pokryta jest czarną farbą. Na diodzie widoczne jest oznaczenie: sześć wielka litera A osiem oraz wielkie litery MIC. Do podstaw diody przymocowane są druciki, którymi doprowadzony jest prąd elektryczny do elementu elektronicznego.

Na schematach oznacza się je symbolem:

R1EagEe8lagV1

Rys. 4. Rysunek prezentuje symbol diody prostowniczej wykorzystywany w schematach układów elektronicznych. Diodę prostowniczą narysowano w postaci trójkąta równoramiennego. Jego wierzchołek skierowany w prawo, jest styczny do pionowego odcinka prostego. Przez wierzchołek trójkąta równoramiennego przechodzi poziomy odcinek. Symbolizuje przewody, którymi do diody doprowadzony jest prąd elektryczny. Na obu końcach odcinka poziomego umieszczono małe okręgi. Symbolizują one podłączenie do prądu. Kierunek wyznaczony przez poziomy wierzchołek trójkąta symbolizuje kierunek przewodzenia prądu elektrycznego przez diodę.

• Diody LED

Zamieniają prąd elektryczny na światło. Najczęściej wykonuje się je ze związków galu (GaAs, GaP, GaN). Moc źródeł LED wynosi od ułamka wata w lampkach sygnalizacyjnych do kilkudziesięciu watów w różnego rodzaju oświetleniu. Diody emitują światło jednobarwne; światło białe uzyskuje się dzięki luminoforowi pobudzanemu do świecenia przez diodę niebieską. Zaletami oświetlenia LED są: niskie zużycie energii, duża trwałość i możliwość uzyskiwania dowolnej barwy.

Rtw26t9vG2JD8

Rys. 5. Zdjęcie przedstawia trzy diody LED w postaci walców w czerwonym kolorze zaokrąglonych w dolnej części. W kolorowych elementach diody znajduje się materiał półprzewodnikowy, po podłączeniu którego do prądu dioda zaczyna świecić. Do diod w górnej części nie zaokrąglonej przymocowane są po dwa druciki, którymi doprowadzany jest prąd elektryczny. Diody leżą jedna obok drugiej. Dioda po lewej jest najmniejsza, a po prawej największa.

RruLgxRz69hGe

Rys. 6. Zdjęcie przedstawia kilka diod LED o wysokiej mocy w postaci żółtych prostopadłościanów umieszczonych na okrągłych blaszkach, przypominających gwiazdę. Okrągła blaszka znajduje się pod półkolistą osłoną wykonaną z plastiku.

Na schematach oznacza się je symbolem:

R49OjYu5sGkfI

Rys. 7. Rysunek pokazuje oznaczenie diody LED na schemacie elektrycznym. Na poziomym czarnym odcinku widoczny jest czarny trójkąt równoramienny, którego wierzchołek wskazuje prawą stronę. Kierunek wskazywany przez wierzchołek trójkąta na prostym poziomym odcinku wyznacza kierunek przewodzenia prądu przez diodę LED. Do wierzchołka trójkąta skierowanego w prawo styczny jest pionowy odcinek. Nad nim oraz trójkątem równoramiennym umieszczono dwie czarne strzałki. Strzałki są do siebie równoległe. Wskazują kierunek w prawo i w górę.

• Diody pojemnościowe

Wykonuje się je z krzemu lub arsenku galu. Wykorzystuje się zmianę pojemnościpojemność elektrycznapojemności złącza p‑n w kierunku zaporowym przy zmianie napięcia. Są wykorzystywane w obwodach rezonansowych i powielaczach częstotliwości.

RofBAze65oxxY

Rys. 8. Rysunek przedstawia diodę pojemnościową w postaci czarnego prostopadłościanu widzianego z góry. Na górnej powierzchni prostopadłościanu widoczne jest zielone kółko. Do dwóch przeciwległych powierzchni prostopadłościanu przymocowane są przewody pokazane w postaci szarych walców. Przewody przedłużają się wzajemnie, biegną po przekątnej.

Na schematach oznacza się je symbolem:

R1QXuVb1W0b2u

Rys. 9. Rysunek prezentuje symbol diody pojemnościowej w schemacie elektrycznym. Na poziomym czarnym odcinku pokazano czarny trójkąt równoramienny, którego jeden wierzchołek skierowany jest poziomo w prawo. Do wierzchołka trójkąta styczny jest pionowy czarny odcinek. Kierunek wyznaczony przez wierzchołek trójkąta opisuje kierunek przewodzenia prądu przez diodę pojemnościową. Nad trójkątem równoramiennym umieszczono symbol w postaci dwóch poziomych odcinków narysowanych czarną linią, oddzielonych od siebie dwoma pionowymi i równoległymi odcinkami.

• Diody Zenera

Są to przeważnie diody krzemowe, wykorzystujące efekt nagłego narastania prądu przy osiągnięciu napięcia przebicia (około 5‑7 V) w kierunku zaporowym. Napięcie przebicia praktycznie nie zależy od natężenia prądu – uzyskuje się więc efekt stałego napięcia mimo zmian natężenia prądu. Wykorzystuje się je w stabilizatorach napięcia oraz do ochrony przed przepięciami prądu i skokami napięcia w urządzeniach elektronicznych.

RQKDX7PnJDQz4

Rys. 10. Zdjęcie przedstawia diodę Zenera w postaci czerwonego walca leżącego na jasnej powierzchni. Do prawej i lewej podstawy walca przymocowano dwa druciki, którymi doprowadzany jest do diody prąd elektryczny. Druciki doprowadzające prąd do diody elektrycznej leżą na tej samej prostej.

RPbzKbjqWfcjT

Rys. 11. Zdjęcie przedstawia diodę Zenera w postaci poziomego metalicznego walca. Do prawej podstawy walca przymocowano drucik, którym doprowadzony jest prąd do diody. Do lewej podstawy walca przymocowana jest nasadka z gwintem. Gwint może posłużyć do wkręcenia diody w układ elektroniczny. Do lewego końca gwintu przymocowany jest drucik, którym prąd może zostać odprowadzony od diody.

Na schematach oznacza się je symbolem:

RlxvOdC3sHSRy

Rys. 12. Rysunek pokazuje oznaczenie diody Zenera na schemacie elektrycznym. Na poziomym czarnym odcinku widoczny jest trójkąt równoramienny, jeden z jego wierzchołków wskazuje kierunek poziomo w prawo. Oznacza kierunek przewodzenia prądu przez diodę. Do prawego wierzchołka trójkąta styczny jest pionowy odcinek, z jego dolnego końca wychodzi krótszy odcinek skierowany w lewo.

• Diody laserowe

Generują typową dla laserów wiązkę światła spójnego o małej rozbieżności. Wykonuje się je z materiałów takich samych, jak diody LED i w podobny sposób można uzyskiwać różne barwy światła. Wykorzystuje się je między innymi do zapisu i odczytu płyt CD, DVD, Blu‑ray, we wskaźnikach laserowych, do łączności światłowodowej, we wskaźnikach celu, do pomiaru odległości, odczytu kodów kreskowych i w drukarkach laserowych.

RluVbjViTqUN6

Rys. 13. Zdjęcie przedstawia diodę laserową w postaci dwóch współśrodkowych walców. Jeden z walców, żółty, ma większą średnicę i mniejszą wysokość. Stanowi podstawę diody, do której przymocowane są dwa druty doprowadzające prąd elektryczny do diody. Mniejszy walec pokazany w postaci metalowej obudowy z okienkiem na podstawie. Przez to okienko emitowane jest promieniowanie elektromagnetyczne, będące wynikiem działania diody laserowej. Walec, na którym znajduje się element emitujący promieniowanie laserowe, znajduje się po przeciwnej stronie podstawy walca o większej średnicy do której przymocowane są przewody doprowadzające prąd elektryczny. Diodę pokazano na tle monety jednocentowej. Moneta jest kilkukrotnie większa od diody.

Na schematach oznacza się je symbolem:

R6mYE2V9tBNiq

Rys. 14. Rysunek prezentuje oznaczenie diody laserowej na schemacie elektrycznym. Symbol składa się z trójkąta równoramiennego, którego jeden wierzchołek skierowany jest pionowo w dół. Dolny wierzchołek trójkąta jest styczny do poziomego odcinka narysowanego czarną linią. Do górnej podstawy trójkąta oraz dolnego wierzchołka przyłożono dwie pionowe linie. Trójkąt równoramienny oraz odcinek styczny do dolnego jego wierzchołka wpisane są w okrąg o czarnych krawędziach. Przez trójkąt przechodzi pozioma linia narysowana czarnym kolorem. Obok okręgu, w który wpisane są elementy diody umieszczono dwie czarne, równoległe względem siebie strzałki wskazujące kierunek w prawo.

Dopuszczalne jest także oznaczenie takie samo, jak dla diody LED.

• Diody tunelowe

Wykazują tak zwany ujemny opór dynamiczny - przy wzroście napięcia spada natężenie prądu tak, jak na Rys. 15.

RMJ7L545fcv04

Rys. 15. Rysunek przedstawia układ współrzędnych, gdzie oś pionowa skierowana w górę oznaczona jest wielką literą I. Opisuje ona natężenie prądu elektrycznego płynącego przez diodę tunelową. Oś pozioma układu skierowana w prawo, opisana wielką literą U, prezentuje napięcie przyłożone do diody tunelowej. Na osi natężenia zaznaczono wartości wielka litera I z indeksem dolnym wielka litera V oraz wielka litera I z indeksem dolnym wielka litera P. Wartość natężenia wielka litera I z indeksem dolnym wielka litera P jest większa niż natężenie prądu wielka litera I z indeksem dolnym wielka litera V. Na osi napięcia zaznaczono dwie wartości wielka litera U z indeksem dolnym wielka litera P oraz wielka litera U z indeksem dolnym wielka litera V. Wartość napięcia wielka litera U z indeksem dolnym wielka litera V jest większa. W układzie pokazano funkcję narysowaną czarną linią. Dla ujemnych wartości napięcia funkcja jest rosnąca. Dla dodatnich wartości napięcia mniejszych niż wielka litera U z indeksem dolnym wielka litera P funkcja rośnie. Dla napięcia o wartości wielka litera U z indeksem dolnym wielka litera P funkcja osiąga lokalne maksimum. Następnie funkcja maleje aż do napięcia wielka litera U z indeksem dolnym wielka litera V. Dla napięcia wielka litera U z indeksem dolnym wielka litera P wartość natężenia jest równa wielka litera I z indeksem dolnym wielka litera P. Dla napięcia wielka litera U z indeksem dolnym wielka litera V wartość natężenia prądu jest równa wielka litera I indeksem dolnym wielka litera V. Po przekroczeniu wartości napięcia wielka litera U z indeksem dolnym wielka litera V funkcja rośnie wykładniczo. Zakres napięcia od wielka litera U z indeksem dolnym wielka litera P do wielka litera U z indeksem dolnym wielka litera V nazywany jest zakresem o ujemnej rezystancji dynamicznej diody tunelowej.

Diody te są silnie domieszkowane i mają małą grubość złącza p‑n. Stosuje się je miedzy innymi do wzmacniania i generowania sygnałów mikrofalowych.

R1Gs1Q18x3mD4

Rys. 16. Zdjęcie przedstawia diodę tunelową germanową w postaci żółtego cylindra. Do podstaw diody przylutowane są dwa miedziane druciki doprowadzające prąd elektryczny. Miedziane druciki leżą na jednej prostej. Diodę ułożono na powierzchni żółtej kartki, obok diody, po prawej nieco z góry pokazano prostopadłościenny czarny element – gniazdo, do którego do komputera podłączany jest rzutnik. Gniazdo to jest kilkukrotnie większa od diody.

Na schematach oznacza się je symbolem:

R1TV4xBKEvogx

Rys. 17. Rysunek pokazuje oznaczenie diody tunelowej na schemacie elektrycznym. Na poziomym odcinku widoczny jest trójkąt równoramienny, którego wierzchołek skierowany jest w prawo. Kierunek wyznaczony przez ten wierzchołek wyznacza kierunek przewodzenia prądu elektrycznego przez diodę tunelową. Do wierzchołka trójkąta styczny jest pionowy odcinek. Z górnego i dolnego końca odcinka wychodzą dwa krótsze odcinki skierowane w lewo. Na obu końcach poziomego odcinka umieszczono dwa małe okręgi, symbolizujące możliwość podłączenia elementu do układu elektrycznego. Lewy koniec odcinka poziomego opisano wielką literą A, natomiast prawy koniec odcinka opisano wielką literą K.

• Diody Schottky’ego

Wykorzystują do prostowania prądu złącze metal‑półprzewodnik, o właściwościach podobnych do złącza p‑n. Mają mniejsze napięcie przewodzenia i pojemność elektrycznąpojemność elektrycznapojemność elektryczną złącza, niż diody półprzewodnikowe, dzięki czemu szybko reagują na zmiany napięcia. Stosuje się je do pracy w układach o dużej częstotliwości: falownikach, przetwornicach napięcia i częstotliwości w zakresie 200 kHz - 2 MHz, a także w zasilaczach komputerowych.

R1SMaRYobqZP4

Rys. 18. Zdjęcie przedstawia pasek diod Schottky’ego. W centralnej części zdjęcia pokazano diody w postaci pionowych walców. Diody ułożone są obok siebie. Cztery pierwsze z lewej są mniejsze i niebieskie. Osiem diod po prawej jest czarna i większa. Do górnych i dolnych postaw diod przymocowano przewody, którymi doprowadzany jest do nich prąd elektryczny. Dolne i górne końce przewodów połączone są taśmą. Od wielkości diody zależą jej parametry i możliwość wykorzystania w różnych warunkach prądowych. Większe diody przystosowane są do pracy przy większym napięciu. Po prawej stronie zdjęcie pokazuje dwie diody w kształcie czarnych prostopadłościanów, jedna pod drugą. Do dolnych krawędzi prostopadłościanu przylutowane są po trzy blaszki. Blaszki służą do podłączenia diody w układzie elektronicznym. Prostopadłościenne diody są znacznie większa od cylindrycznych. Górna dioda jest mniejsza od dolnej.

Na schematach oznacza się je symbolem:

RixVO7SP63yem

Rys. 19. Rysunek pokazuje oznaczenie diody Schottky’ego na schemacie elektrycznym. Na poziomym odcinku narysowanym czarną linią pokazano czarny trójkąt równoramienny, którego jeden wierzchołek skierowany jest poziomo w prawo. Kierunek wskazywany przez ten wierzchołek oznacza kierunek przepływu prądu przez diodę. Prawy wierzchołek trójkąta styczny jest do pionowego odcinka narysowanego czarną linię. Z górnego i dolnego końca odcinka wychodzą dwie czarne krzywe łamane. Pionowy odcinek wraz z krzywymi łamanymi przypomina literę S narysowaną odcinkami prostymi.

• Diody transil

To odmiana diod Zenera, używana do tłumienia przepięć i zabezpieczenia układów elektronicznych.

RICFl5o7vvz6V

Rys. 20. Zdjęcie przedstawia diody transil leżące na blacie stołu. Diody mają kształt czarnych cylindrów. Podstawy cylindrów skierowane są w prawo i w lewo. Do podstaw cylindrów przylutowane są metalowe druciki, którymi doprowadzany jest do diody prąd elektryczny. Cztery diody mają końce drucików połączone taśmami. Nad nimi ułożona jest dioda diody i równolegle do niej zapałka. Cylinder stanowiący diodę transil, jest znacznie krótszy niż zapałka.

Rqnw0Wl5Vm4lu

Rys. 21. Zdjęcie pokazuje diody transil w postaci komponentu SMD oznaczonego jako: wielkimi literami SC zero jeden zero dwa i wielkimi literami LCDA zero pięć.

Na schematach oznacza się je symbolami:

RsAdtX1nM6nd2

Rys. 22. Rysunek pokazuje oznaczenie diody transil na schemacie elektrycznym. Na poziomym odcinku widoczne są dwa trójkąty równoramienne skierowane wierzchołkami ku sobie. Trójkąty są koloru czarnego. Pomiędzy wierzchołkami trójkątów znajduje się pionowy prostokąt. Na obu końcach poziomego czarnego odcinka widoczne są dwa małe okręgi, symbolizujące możliwość podłączenia elementu do układu elektrycznego.

Jak widać z zestawienia, które nie wyczerpuje wszystkich możliwości wykorzystania diod, znalazły one bardzo szerokie zastosowanie: od urządzeń codziennego użytku (np. ładowarki), do urządzeń przemysłowych, pracując w zakresie prądów od miliamperów do kiloamperów i napięć od kilku woltów do kilowoltów, służąc nie tylko do „prostowania” prądu.

Słowniczek