Co to jest dioda i jak działa

Co to jest dioda?

Do tej pory poznaliśmy rezystor i kondensator.

Rezystor pozwala ograniczać przepływ prądu elektrycznego.

Kondensator może magazynować energię elektryczną.

Teraz poznamy kolejny niezwykle ważny element elektroniczny — diodę.

Najważniejszą właściwością diody jest to, że przewodzi prąd elektryczny przede wszystkim w jednym kierunku.

Jeżeli podłączymy ją w odpowiednim kierunku, prąd będzie mógł przez nią przepływać.

Jeżeli odwrócimy sposób podłączenia, dioda praktycznie przestanie przewodzić prąd.

W dużym uproszczeniu można ją porównać do jednokierunkowego zaworu dla prądu elektrycznego.

To właśnie ta właściwość sprawia, że diody znajdują tak wiele zastosowań w elektronice.

 

 

Jak oznacza się diodę na schemacie elektrycznym?

Na schematach elektrycznych dioda jest przedstawiana za pomocą specjalnego symbolu.

Ma dwa wyprowadzenia:

• anodę (A);
• katodę (K).

 

 

W normalnych warunkach przewodzenia prąd przepływa przez diodę od anody do katody.

Dlatego kierunek jej podłączenia ma znaczenie.

Jeżeli zamienimy wyprowadzenia miejscami, zachowanie układu się zmieni.

 

Jak rozpoznać anodę i katodę w rzeczywistej diodzie?

Na schemacie elektrycznym rozpoznanie wyprowadzeń diody jest stosunkowo proste.

Ale jak sprawdzić, gdzie znajduje się anoda, a gdzie katoda w prawdziwym elemencie?

Na obudowie większości standardowych diod prostowniczych przy jednym z wyprowadzeń znajduje się pasek.

Oznacza on katodę.

 

 

Warto zapamiętać prostą zasadę:

Pasek na obudowie większości standardowych diod prostowniczych oznacza katodę.

Przed zamontowaniem diody w układzie zawsze warto sprawdzić kierunek jej podłączenia.

 

Jak zbudowana jest dioda?

Aby zrozumieć, dlaczego dioda przewodzi prąd przede wszystkim w jednym kierunku, musimy na chwilę zajrzeć do jej wnętrza.

Podstawą zwykłej diody półprzewodnikowej jest materiał półprzewodnikowy — najczęściej krzem.

Wewnątrz diody znajdują się dwa obszary półprzewodnika o różnych właściwościach:

• obszar typu P;
• obszar typu N.

Miejsce ich połączenia nazywamy złączem P-N.

 

 

To właśnie złącze P-N odpowiada za najważniejszą właściwość diody — jej odmienne zachowanie w zależności od kierunku przyłożonego napięcia.

Fizyka półprzewodników jest znacznie bardziej złożona, niż wynikałoby z tego prostego opisu, ale na tym etapie wystarczy zapamiętać najważniejszą zasadę:

kierunek podłączenia diody ma znaczenie.

 

Polaryzacja diody w kierunku przewodzenia

Jeżeli dodatni biegun źródła zasilania podłączymy do anody, a ujemny do katody, dioda zostanie spolaryzowana w kierunku przewodzenia.

W takim stanie może przez nią przepływać prąd elektryczny.

 

 

Nie oznacza to jednak, że dioda zachowuje się jak idealny przewodnik.

Podczas przepływu prądu występuje na niej pewien spadek napięcia.

W przypadku typowej diody krzemowej często wynosi on około 0,6–0,7 V.

Przykładowo, jeśli przed diodą mamy około 5 V, to po przejściu przez nią napięcie pod obciążeniem może wynosić w przybliżeniu:

5 V − 0,7 V ≈ 4,3 V

Dokładna wartość zależy między innymi od rodzaju diody, przepływającego prądu oraz temperatury.

 

Polaryzacja diody w kierunku zaporowym

Teraz odwróćmy diodę.

Anodę podłączymy od strony niższego potencjału, a katodę od strony wyższego.

Nazywamy to polaryzacją w kierunku zaporowym.

W takim stanie zwykła dioda praktycznie nie przewodzi prądu.

 

 

Właśnie dzięki temu dioda może kontrolować kierunek przepływu prądu w obwodzie elektrycznym.

Trzeba jednak pamiętać, że każda dioda ma określone maksymalne dopuszczalne napięcie wsteczne.

Jeżeli zostanie ono przekroczone, może dojść do przebicia diody.

Nie można więc zakładać, że dioda jest w stanie blokować dowolnie wysokie napięcie.

Eksperyment — sprawdźmy działanie diody

Teraz sprawdzimy najważniejszą właściwość diody w praktyce.

Do eksperymentu będą potrzebne:

• źródło napięcia stałego;
• zwykła dioda;
• dioda LED;
• rezystor ograniczający prąd;
• przewody połączeniowe.

Zbudujmy prosty obwód.

 

 

 

Najpierw podłączmy diodę w kierunku przewodzenia.

Po włączeniu zasilania prąd przepływa przez obwód i dioda LED zaczyna świecić.

Teraz wyłączmy zasilanie i odwróćmy zwykłą diodę.

Po ponownym włączeniu zasilania dioda LED nie powinna się zaświecić.

Nie zmieniliśmy w układzie niczego poza kierunkiem podłączenia diody.

Eksperyment ten bardzo dobrze pokazuje jej podstawową właściwość:

dioda umożliwia przepływ prądu w jednym kierunku i utrudnia jego przepływ w kierunku przeciwnym.

 

Sprawdzanie diody multimetrem

Wiele multimetrów cyfrowych posiada specjalny tryb przeznaczony do sprawdzania diod.

Najczęściej jest on oznaczony symbolem diody.

 

 

Podłączmy czerwoną sondę do anody, a czarną do katody.

W przypadku sprawnej diody krzemowej multimetr zwykle pokaże spadek napięcia wynoszący około 0,5–0,8 V.

Teraz zamieńmy sondy miejscami.

Sprawna zwykła dioda praktycznie nie przewodzi prądu w kierunku zaporowym, dlatego multimetr zazwyczaj wyświetli OL lub inne oznaczenie informujące o braku przewodzenia.

W ten sposób możemy nie tylko sprawdzić, czy dioda jest sprawna, ale również określić, gdzie znajduje się jej anoda i katoda.

 

Jakie są rodzaje diod?

W elektronice stosuje się wiele różnych rodzajów diod.

Działają one na podobnych zasadach fizycznych, ale zostały zaprojektowane do wykonywania różnych zadań.

Diody prostownicze

Są to jedne z najczęściej spotykanych diod.

Stosuje się je w zasilaczach, ładowarkach oraz innych układach, w których konieczne jest kontrolowanie kierunku przepływu prądu lub prostowanie napięcia przemiennego.

Do tej grupy należy na przykład popularna seria 1N400x.

 

Diody Schottky'ego

Diody Schottky'ego charakteryzują się mniejszym spadkiem napięcia w kierunku przewodzenia.

W wielu przypadkach może on wynosić około 0,2–0,4 V, zależnie od konkretnej diody i warunków pracy.

Dzięki temu straty energii na diodzie mogą być mniejsze.

Takie elementy są często stosowane w zasilaczach oraz układach elektronicznych pracujących przy niskich napięciach.

 

Diody LED

Z diodami LED już się wcześniej spotkaliśmy.

Skrót LED (Light-Emitting Diode) oznacza diodę elektroluminescencyjną.

Podobnie jak inne diody przewodzi ona prąd przede wszystkim w jednym kierunku, ale dodatkowo podczas pracy emituje światło.

 

Diody Zenera

Dioda Zenera jest specjalnym rodzajem diody przeznaczonym do pracy w obszarze kontrolowanego przebicia w kierunku zaporowym.

Dzięki tej właściwości może być wykorzystywana do ograniczania i stabilizacji napięcia.

Diodom Zenera przyjrzymy się dokładniej w osobnym artykule.

 

Fotodiody

Fotodioda reaguje na padające na nią światło.

Zamiast emitować światło, jak dioda LED, umożliwia przekształcenie promieniowania świetlnego w sygnał elektryczny.

Fotodiody są stosowane między innymi w czujnikach, systemach komunikacyjnych oraz urządzeniach pomiarowych.

 

 

Gdzie stosuje się diody?

Prosta właściwość diody — różne zachowanie w zależności od kierunku przepływu prądu — pozwala rozwiązywać ogromną liczbę praktycznych problemów.

Przyjrzyjmy się kilku przykładom.

 

Ochrona przed odwrotną polaryzacją zasilania

Wyobraźmy sobie urządzenie elektroniczne zasilane z baterii.

Jeżeli przypadkowo zamienimy plus z minusem, niektóre elementy elektroniczne mogą ulec uszkodzeniu.

Dioda pozwala zbudować bardzo prostą ochronę przed takim błędem.

Przy prawidłowej polaryzacji prąd przepływa przez diodę i urządzenie działa.

Przy odwrotnej polaryzacji dioda blokuje przepływ prądu.

 

 

Takie rozwiązanie jest bardzo proste, ale ma również wadę — część napięcia odkłada się na samej diodzie.

Do tematu ochrony przed odwrotną polaryzacją jeszcze wrócimy i przyjrzymy się różnym sposobom jej realizacji.

 

Prostowanie napięcia przemiennego

Dioda może przepuszczać tylko jedną część przebiegu napięcia przemiennego.

Dzięki temu można wykorzystać ją do prostowania napięcia przemiennego.

Jeżeli zastosujemy kilka diod, możemy zbudować bardziej efektywny układ — mostek prostowniczy.

 

 

Prostowniki diodowe można znaleźć w ogromnej liczbie zasilaczy.

Do tego zagadnienia również wrócimy w osobnym artykule.

Ochrona podczas sterowania przekaźnikami i innymi cewkami

Cewki mają interesującą właściwość.

Gdy przepływający przez nie prąd zostanie gwałtownie przerwany, mogą wygenerować krótki impuls o wysokim napięciu.

Taki impuls może uszkodzić tranzystor sterujący lub inne elementy elektroniczne.

Dioda podłączona równolegle do cewki w odpowiednim kierunku pozwala bezpiecznie ograniczyć ten impuls i chronić pozostałe elementy układu.

 

 

Takie diody zabezpieczające są bardzo często stosowane w układach sterowania przekaźnikami, elektromagnesami oraz silnikami elektrycznymi.

Przyczynę powstawania takiego impulsu zrozumiemy dokładniej później, gdy poznamy indukcyjność i zjawisko samoindukcji.

 

Automatyczny wybór źródła zasilania

Istnieje jeszcze jedno bardzo ciekawe zastosowanie diod.

Wyobraźmy sobie urządzenie, które może być zasilane z dwóch różnych źródeł.

Każde z nich podłączymy do wspólnego odbiornika przez osobną diodę.

 

 

W uproszczeniu taki układ wygląda następująco:

Źródło 1 ──>|──┐

            D1 │

               ├──── Urządzenie

            D2 │

Źródło 2 ──>|──┘

Jeżeli napięcie jednego ze źródeł jest wyższe, to właśnie ono zazwyczaj będzie zasilało urządzenie.

Jednocześnie diody zapobiegają swobodnemu przepływowi prądu z jednego źródła z powrotem do drugiego.

Jeśli główne źródło zasilania zostanie odłączone, urządzenie może automatycznie zacząć pobierać energię z drugiego źródła.

Taki sposób łączenia źródeł nazywa się diode ORing.

Jeżeli napięcia obu źródeł są do siebie bardzo zbliżone, rzeczywisty rozkład prądu jest bardziej złożony i zależy między innymi od charakterystyki zastosowanych diod.

Dla zrozumienia podstawowej zasady możemy jednak przyjąć, że urządzenie jest zasilane przede wszystkim ze źródła o wyższym napięciu.

 

Dobry przykład — laptop

Zasadę automatycznego wyboru źródła zasilania łatwo zrozumieć na przykładzie zwykłego laptopa.

Laptop może pobierać energię:

• z zewnętrznego zasilacza;
• z wbudowanego akumulatora.

Gdy zasilacz jest podłączony, komputer może pobierać energię z zewnętrznego źródła, a akumulator w razie potrzeby jest ładowany.

Kiedy odłączymy zasilacz, laptop automatycznie przechodzi na zasilanie z akumulatora i nadal pracuje.

Użytkownik nie musi ręcznie przełączać źródła zasilania.

 

 

Warto jednak pamiętać, że współczesne laptopy zazwyczaj nie realizują takiego przełączania za pomocą dwóch zwykłych diod.

Ich układy zasilania są znacznie bardziej rozbudowane i wykorzystują specjalne kontrolery oraz tranzystory MOSFET, które pozwalają efektywniej zarządzać przepływem energii.

Prosty układ z dwiema diodami bardzo dobrze pokazuje jednak podstawową zasadę separacji i automatycznego wyboru źródła zasilania.

 

Najczęstsze błędy początkujących

Błąd nr 1. Traktowanie diody jak idealnego przewodnika

Nawet gdy zwykła dioda przewodzi prąd, występuje na niej spadek napięcia.

W przypadku typowej diody krzemowej często wynosi on około 0,6–0,7 V, ale nie jest wartością idealnie stałą.

Trzeba to uwzględnić podczas projektowania układu.

 

Błąd nr 2. Podłączanie diody w dowolnym kierunku

Dioda jest elementem polaryzowanym.

Zamiana anody i katody powoduje zmianę sposobu działania układu.

Przed zamontowaniem elementu zawsze należy sprawdzić oznaczenia na jego obudowie lub dokumentację techniczną.

 

Błąd nr 3. Założenie, że dioda wytrzyma dowolne napięcie wsteczne

W kierunku zaporowym zwykła dioda praktycznie nie przewodzi prądu tylko do określonej wartości napięcia.

Jeżeli dopuszczalne napięcie wsteczne zostanie przekroczone, może dojść do przebicia i uszkodzenia elementu.

 

Błąd nr 4. Traktowanie wszystkich diod jako takich samych

Dioda prostownicza, dioda Schottky'ego, dioda LED i dioda Zenera są przeznaczone do różnych zastosowań.

Różnią się między innymi dopuszczalnym prądem i napięciem, szybkością przełączania, spadkiem napięcia w kierunku przewodzenia oraz innymi parametrami.

Dlatego nie należy wybierać diody wyłącznie na podstawie jej wyglądu.

 

Co warto zapamiętać?

• Dioda przewodzi prąd elektryczny przede wszystkim w jednym kierunku.
• Dioda ma anodę i katodę.
• Pasek na obudowie większości standardowych diod prostowniczych oznacza katodę.
• Przy polaryzacji w kierunku przewodzenia dioda przewodzi prąd.
• Przy polaryzacji w kierunku zaporowym zwykła dioda praktycznie nie przewodzi prądu, dopóki nie zostanie przekroczone jej dopuszczalne napięcie wsteczne.
• Na przewodzącej diodzie występuje spadek napięcia.
• Dla typowej diody krzemowej często wynosi on około 0,6–0,7 V.
• Diodę można sprawdzić multimetrem w trybie testu diody.
• Istnieje wiele rodzajów diod przeznaczonych do różnych zastosowań.
• Diody wykorzystuje się między innymi do prostowania napięcia, ochrony układów, zabezpieczania obciążeń indukcyjnych oraz automatycznego wyboru źródła zasilania.

 

Podsumowanie

Dioda jest niewielkim i na pierwszy rzut oka bardzo prostym elementem elektronicznym.

Jednak jej zdolność do odmiennego przewodzenia prądu w zależności od kierunku leży u podstaw ogromnej liczby układów elektronicznych.

Wiemy już, dlaczego kierunek podłączenia diody ma znaczenie, czym różnią się anoda i katoda, dlaczego na przewodzącej diodzie występuje spadek napięcia oraz jak sprawdzić diodę za pomocą multimetru.

Zobaczyliśmy również, że jedna podstawowa właściwość pozwala realizować bardzo różne zadania — od ochrony urządzenia przed odwrotnym podłączeniem zasilania aż po automatyczny wybór pomiędzy kilkoma źródłami energii.

A to dopiero początek.

W kolejnych artykułach przyjrzymy się niektórym z tych zastosowań znacznie dokładniej.

 

Co dalej?

Wiemy już, że dioda może blokować przepływ prądu w niepożądanym kierunku.

Teraz wykorzystamy tę właściwość w praktyce.

W następnym artykule zajmiemy się ochroną przed odwrotną polaryzacją — zobaczymy, co może się wydarzyć po nieprawidłowym podłączeniu zasilania i w jaki sposób zwykła dioda może ochronić układ przed takim błędem.

Później poznamy również mostek prostowniczy, diodę Zenera oraz inne ciekawe zastosowania diod.

 

Możesz również:

🔧 przejść do działu „Urządzenia”, aby zobaczyć praktyczne zastosowania;
📘 kontynuować naukę w dziale „Edukacja”;
💬 zadać pytanie lub podyskutować na forum.