Warto przeczytać

Podstawowe informacje o diodach

Dioda jest elementem elektronicznym, którego istotną właściwością jest niejednakowe przewodzenie prądu w dwóch kierunkach. W kierunku dobrego przewodzenia, przy napięciu o tej samej wartości, natężenie prądu może być ponad milion razy większe, niż w kierunku przeciwnym – nazywanym zaporowym.

Dwa różne półprzewodniki i ich złącze

Zasadniczym elementem diod półprzewodnikowych jest złącze pomiędzy dwoma półprzewodnikami - typu n i typu p (Rys. 1.). Są one zazwyczaj wykonane z tego samego materiału, ale różnią się rodzajem dominujących nośników prądu. W typie n dominują elektrony, będące nośnikiem ładunku ujemnego (n - negatywne – ujemne). W typie p dominują dziury, będące nośnikiem ładunku dodatniego (p - pozytywne – dodatnie). Więcej o domieszkowaniu możesz przeczytać w e‑materiałach „Półprzewodniki typu n” i „Półprzewodniki typu p”.

R4xKl36Cnh7lY

Rys. 1. przedstawia układ półprzewodników w diodzie (w górnej części ilustracji) oraz symbol graficzny diody (w dolnej części ilustracji). Układ półprzewodników przedstawiono w postaci dwóch poziomych prostokątów stykających się ze sobą – jeden niebieski (z lewej) drugi – czerwony (po prawej. Rysunek przypomina do złudzenia magnes sztabkowy. Nad półprzewodnikami widoczne małe litery: "p" i "n". Dolny rysunek – schemat diody – to poziomy odcinek zakończony małymi okręgami. Na środku poziomego odcinka czarny trójkąt równoramienny z pionowym odcinkiem stykającym się z wierzchołkiem trójkąta i jednocześnie prostopadłym do linii poziomej. Schemat narysowano w kolorze czarnym.

Podłączenie w kierunku przewodzenia albo w kierunku zaporowym

Podstawowy symbol graficzny diody, stosowany w schematach obwodów elektrycznych, jest pokazany na Rys. 2a.  Elektroda po lewej stronie na schemacie jest wyprowadzona z półprzewodnika typu p. Jest ona nazywana anodą. Katoda jest wyprowadzona z półprzewodnika n (Rys. 2 b).

R1GWvadl6MJW8

Rys. 2 składa się z czterech rysunków: (a) i (b) na jednym poziomie, oraz (c) i (d) pod spodem. Rysunek (a) - schemat diody - to pozioma prosta, na której środku widnieje trójkąt równoramienny w kolorze czarnym oraz krótki odcinek pionowy, prostopadły do prostej poziomej stykający się z wierzchołkiem trójkąta. Schemat jest w kolorze czarnym. Rysunek (b) to schemat diody (a) uzupełniony o elektrody w postaci małych kółeczek na końcach poziomej prostej: czerwonym z oznaczeniem A z lewej oraz niebieskim z oznaczeniem K - z prawej strony. Ponadto, przy trójkącie na górze wprowadzono oznaczenie: p, a przy pionowym odcinku - n. Rysunek (c) to schemat diody (b) wraz z podłączeniem do źródła napięcia w kierunku przewodzenia: czerwony biegun + z lewej strony i niebieski biegun - z prawej strony. Zaznaczono kierunek prądu na dolnej gałęzi - przeciwny do ruchu wskazówek zegara. Nad strzałka oznaczenie "I różne od 0". Rysunek (d) to schemat diody (b) wraz z podłączeniem do źródła napięcia w kierunku zaporowym: czerwony biegun + z prawej strony i niebieski biegun - z lewej strony. Zaznaczono kierunek prądu na dolnej gałęzi - zgodny z ruchem wskazówek zegara. Nad strzałka oznaczenie "I w przybliżeniu równe 0".

Nazwy elektrod odnoszą się do jednego z dwóch możliwych podłączeń diody w obwodzie elektrycznym, do kierunku przewodzenia. Zapewnia on efektywny przepływ prądu przez diodę (Rys. 2 c.). Anoda (diody) jest wtedy połączona z dodatnim biegunem zewnętrznego źródła napięcia, zaś katoda z biegunem ujemnym.

Diodę można także podłączyć przeciwnie, w kierunku zaporowym (Rys. 2 d.). Nie powoduje to zmiany nazw elektrod – po prostu anoda (półprzewodnik p) podłączona zostaje do ujemnego bieguna, zaś katoda (półprzewodnik n) do bieguna dodatniego zasilacza. Płynący w tym połączeniu prąd ma natężenie pomijalnie małe wobec prądu płynącego w kierunku przewodzenia.

Charakterystyka prądowo napięciowa diody

Działanie diody dobrze ilustruje charakterystyka prądowo‑napięciowa (Rys. 3.), czyli zależność natężenia prądu płynącego przez diodę od przyłożonego napięcia. Charakterystyka ta wygląda podobnie dla wszystkich typów diod.

Kierunek przewodzenia (połączenie jak na rys. 2 c) odpowiada, umownie, zakresowi dodatnich napięć i natężeń prądu na wykresie 3. Kierunek zaporowy wraz z obszarem przebicia (połączenie jak na rys. 2 d) odpowiada, także umownie, zakresowi ujemnych napięć i natężeń prądu na tym wykresie.

RWRljiaGvoOpa

Rys. 3. Przedstawia wykres zależności I(U) dla diody. Prostokątny układ współrzędnych – oś pozioma oznaczona wielką literą U, a oś pionowa wielką literą I – narysowano w kolorze czarnym. Kolorem niebieskim narysowano wykres w kształcie gładkiej ciągłej linii zaczynającej się w III ćwiartce, stromo rosnącej od nieskończoności w małym zakresie U, następnie stałej i bardzo wolno rosnącej do zera i następnie rosnącej w I ćwiartce od zera do nieskończoności. Przy fragmentach krzywej znajdują się odpowiednio opisy: zakres przebicia, zakres zaporowy i zakres przewodzenia.

Wykres pokazuje, że w kierunku przewodzenia już przy niewielkim napięciu przez diodę zaczyna płynąć prąd o dużym natężeniu. Napięcia, przy których pracują diody w kierunku przewodzenia, wynoszą około 0,3 V dla diod germanowych i około 0,7 V dla diod krzemowych. W diodach LED napięcie pracy zależy od barwy światła wytwarzanego przez diodę i wynosi od około 1 V dla diod emitujących podczerwień, do około 4 V dla diod emitujących światło fioletowe. Natężenie pracy wynosić może od kilkudziesięciu miliamperów w diodach LED, do nawet kilku kiloamperów w diodach stosowanych w elektrotechnice. Wszystkie diody mają określone maksymalne natężenie prądu, przekroczenie którego grozi zniszczeniem struktury diody.

W kierunku zaporowym przez diody płynie bardzo mały prąd o natężeniu poniżej mikroampera, związany z przepływem nośników mniejszościowych, czyli nośników generowanych przez atomy materiału półprzewodnikowego, a nie przez domieszki. Po osiągnięciu napięcia przebicia, natężenie prądu gwałtownie rośnie i w niewielkim stopniu zależy od przyłożonego napięcia.

O sposobie podłączenia diody do obwodu decyduje typ diody i jej przeznaczenie. O zastosowaniu diod możesz przeczytać w e‑materiale; „Do czego służy dioda?”.

Jak podłącza się do obwodu najczęściej stosowane diody?

Diody elektroluminescencyjne

Diody elektroluminescencyjne (w skrócie LED, od Light‑Emitting Diode emitują światło, kiedy są podłączone w kierunku przewodzenia. Na rys. 4. pokazano zdjęcie diody LED.  Zwróć uwagę, że jedna z jej nóżek jest krótsza niż druga. To umowny sposób na szybkie rozpoznanie elektrod takiej diody: nóżka dłuższa to anoda i powinna zostać podłączona do dodatniego bieguna napięcia.

R172aeoKxEBIg

Rys. 4 Zdjęcie przedstawia strukturę diody LED: anoda (plus) dłuższa nóżka po lewej, katoda (minus) krótsza nóżka po prawej stronie.

W obwodzie z LED (Rys. 5.) stosuje się opornik zabezpieczający przed zbyt dużym natężeniem prądu. Gdyby w obwodzie była tylko dioda, to przepływ prądu mógłby powodować wzrost temperatury diody, co skutkowałoby spadkiem jej oporu elektrycznegoopór elektryczny (czynny)oporu elektrycznego. To z kolei prowadziłoby do wzrostu natężenia prądu i dalszego wzrostu temperatury diody, aż do jej zniszczenia. Dołączenie opornika zmniejsza wpływ wahań temperatury i oporu diody na natężenie prądu w obwodzie.

RC9noCvLukpcE

Rys. 5. przedstawia schemat obwodu elektrycznego z trzema elementami: źródło prądu stałego na lewej gałęzi, opornik i dioda na górnej gałęzi. Oznaczenia przy elementach, odpowiednio: znak plus, znak minus, wielkie R i wielkie D. Od symbolu diody odchodzą dodatkowo dwie małe strzałki skierowane w górę w prawo.

Jeżeli chcemy zasilać LED ze źródeł prądu przemiennego, to między źródłem prądu a diodą zazwyczaj włącza się układ prostowniczy, na przykład taki, jak na Rys. 3. lub Rys. 4. Często obwody zasilające LED są bardziej złożone, szczególnie w przypadku diod wysokiej mocy.

Diody prostownicze

Głównym zadaniem diod prostowniczych jest doprowadzenie do zasilanych elementów prądu płynącego w jednym kierunku wtedy, gdy dysponujemy prądem sieciowym lub pochodzącym z innych źródeł wytwarzających prąd przemienny. Diody te należy włączać tak, aby przez zasilany element płynął prąd w pożądanym kierunku.

W najprostszym prostowniku, w którym wykorzystuje się tylko jedną diodę, podłącza się ją tak, jak pokazano na Rys. 6. Wówczas przez zasilany element R prąd płynie praktycznie tylko w kierunku zaznaczonym na rysunku. W tego typu prostownikach, prąd płynie tylko przez połowę czasu pracy źródła.

RSOhX2IY9ph8I

Rys. 6. przedstawia schemat obwodu w kształcie prostokąta, zawierający: diodę – na górnej gałęzi, opornik – na prawej gałęzi – w kształcie linii łamanej i oznaczony wielką literą R oraz źródło prądu przemiennego – na lewej gałęzi. Strzałką na górnej gałęzi zaznaczono kierunek prądu – zgodny z ruchem wskazówek zegara. Po lewej stronie obwodu znajduje się fragment sinusoidy – dwa grzbiety i dwie doliny – obrazującej prąd przemienny na wejściu, a po prawej stronie tylko dwa grzbiety, które obrazują, że przez opornik płynie prąd tylko w jednym kierunku. Schemat obwodu jest w kolorze czarnym, a sinusoidy – w kolorze niebieskim. Trójkąt w symbolu diody oraz koło w symbolu źródła prądu mają wnętrze niebieskie.

Jeżeli chcemy w pełni wykorzystać czas pracy źródła, to najlepszy efekt uzyska się, tworząc układ czterech diod, przedstawiony na Rys. 7.

R1aypm30Nh2uh

Rys. 7. przedstawia schemat obwodu z prostownikiem czterodiodowym. Od lewej: obwód w kształcie pionowego prostokąta, na lewej gałęzi którego znajduje się źródło prądu przemiennego – mały okrąg z falką w środku. Pośrodku – kwadrat z symbolami diody na każdym boku, obrazujący układ czterech diod opisanych wielkimi literami: D z indeksem dolnym jeden, wielkie D z indeksem dolnym trzy; wielkie D z indeksem dolnym dwa i wielkie D z indeksem dolnym cztery w kolejności pokazanej na rysunku. Układ diod podłączony do zasilania oznaczonego znakiem plus i  znakiem minus Z prawej strony symbol opornika – pionowa prosta łamana na szarym polu obwiedzionym linią przerywaną.

Więcej o zastosowaniu diod w prostownikach możesz przeczytać w e‑materiale „Zastosowanie diody półprzewodnikowej w prostownikach”.

Diody zabezpieczające transil

Zadaniem tej diody jest zabezpieczenie chronionego obwodu przed gwałtownymi skokami napięcia – czyli przepięciami - które mogą być wywołane zwarciem w obwodzie, wyładowaniem atmosferycznym, czy też impulsem elektromagnetycznym powstającym na przykład w wyniku aktywności Słońca. Sposób podłączania diody transil do obwodu pokazuje Rys. 8.

RQTbBaE9Km2ay

Rys. 8. przedstawia schemat z diodą zabezpieczającą przed przepięciem. Od lewej: od źródła zasilania znak plus – odchodzą dwie proste równoległe prowadzące do elementu w kształcie pionowego prostokąta z opisem "Obwód chroniony". Pomiędzy źródłem a obwodem chronionym wpięto diodę – symbol diody połączony odcinkami z liniami równoległymi. Z lewej strony diody zaznaczono strzałką kierunek prądu– zgodny z ruchem wskazówek zegara wraz z opisem "Prąd przepięciowy". Nad schematem, z lewej strony – symbol przepięcia w kształcie piku z opisem "przepięcie", a za diodą – pik ścięty z opisem " Przepięcie obcięte".

Dioda transil w czasie pracy obwodu jest włączona w kierunku zaporowym. Jeżeli w obwodzie pojawi się impuls napięcia przekraczający wartość dopuszczalną dla chronionego elementu, a zarazem napięcia przebicia diody, dioda transil przechodzi w zakres przebicia. Natężenie prądu gwałtownie wzrasta, ale napięcie na diodzie utrzymuje stałą wartość, równą napięciu przebicia (zobacz Rys. 2.). Zabezpiecza to chroniony element przed przekroczeniem dopuszczalnego dla niego napięcia.

Dioda Zenera

Są to przeważnie diody krzemowe, wykorzystujące efekt nagłego narastania prądu przy osiągnięciu napięcia przebicia w kierunku zaporowym. Napięcie przebicia praktycznie nie zależy od natężenia prądu. Dzięki temu uzyskuje się efekt utrzymania stałego napięcia na diodzie mimo zmian natężenia płynącego przez nią prądu, wywołanych niepożądanym zwiększeniem napięcia zasilającego. Diody Zenera wykorzystuje się w stabilizatorach napięcia i do ochrony przed skokami napięcia w urządzeniach elektronicznych, podobnie, jak diody transil. Sposób podłączenia diody Zenera w obwodzie pokazuje Rys. 9.

R1a5xIK1Br81o

Rys. 9. przedstawia schemat obwodu z opornikiem wielkie R i diodą wielkie D z indeksem dolnym małe z. Od lewej: dwa małe kółeczka oznaczone znakiem plus i znakiem minus. Od nich odchodzą dwie proste: górna załamuje się do dołu i łączy się z małym pionowym prostokątem – opornikiem oznaczonym wielką literą R i dalej z diodą oznaczoną wielką literą D z indeksem dolnym małe z i dalej łączy się z dolną linią. Od linii pionowej odchodzą dwie linie poziome zakończone dwoma małymi kółeczkami. Z lewej strony oznaczenie wielkie U z indeksem dolnym "we", z prawej wielkie U z indeksem dolnym "wy".

Słowniczek