Что такое диод и как он работает

Что такое диод?

До этого момента мы познакомились с резистором и конденсатором.

Резистор позволяет ограничивать электрический ток.

Конденсатор способен накапливать электрическую энергию.

Теперь познакомимся с ещё одним важнейшим электронным компонентом — диодом.

Главная особенность диода заключается в том, что он проводит электрический ток преимущественно в одном направлении.

Если подключить его правильно, ток сможет пройти через диод.

Если изменить направление подключения, диод практически перестанет проводить ток.

Упрощённо его можно представить как своеобразный односторонний клапан для электрического тока.

Именно это свойство делает диоды чрезвычайно полезными в электронике.

 

 

Как обозначается диод на электрической схеме?

На принципиальных схемах диод обозначается специальным символом.

У него два вывода:

• анод (A);
• катод (K).

 

 

В обычном режиме ток проходит через диод от анода к катоду.

Поэтому направление подключения диода имеет значение.

Если поменять его выводы местами, поведение схемы изменится.

 

Как определить анод и катод настоящего диода?

На электрической схеме определить выводы достаточно просто.

Но как понять, где анод и катод у настоящего компонента?

На большинстве обычных выпрямительных диодов возле одного из выводов нанесена полоса.

Она обозначает катод.

 

 

Это простое правило очень полезно запомнить:

Полоса на корпусе диода обозначает катод.

Перед установкой диода в схему всегда стоит проверить направление его подключения.

 

Как устроен диод?

Чтобы понять, почему диод проводит ток преимущественно в одном направлении, нужно немного заглянуть внутрь компонента.

Основой обычного полупроводникового диода является материал, чаще всего кремний.

Внутри создаются две области полупроводника с различными свойствами:

• область P-типа;
• область N-типа.

Место их соединения называется P-N-переходом.

 

 

Именно P-N-переход создаёт главное свойство диода — различное поведение в зависимости от направления приложенного напряжения.

Физика полупроводников значительно сложнее этого простого объяснения, но для понимания работы обычных электронных схем нам пока достаточно знать главное:

направление подключения диода имеет значение.

 

Прямое включение диода

Если положительный полюс источника питания подключить к аноду, а отрицательный — к катоду, диод окажется включён в прямом направлении.

В таком состоянии через него может протекать электрический ток.

 

 

Но диод нельзя считать идеальным проводником.

Для его работы требуется определённое напряжение.

У обычного кремниевого диода падение напряжения при протекании тока часто составляет примерно 0,6–0,7 В.

Например, если перед диодом имеется около 5 В, то после него под нагрузкой может остаться примерно:

5 В − 0,7 В ≈ 4,3 В

Точное значение зависит от типа диода, величины тока и температуры.

 

Обратное включение диода

Теперь поменяем диод местами.

Анод подключим со стороны отрицательного потенциала, а катод — со стороны положительного.

Это называется обратным включением.

В таком состоянии обычный диод практически не проводит ток.

 

 

Именно поэтому диод можно использовать для управления направлением тока в электрической цепи.

Однако важно понимать, что любой диод имеет максимально допустимое обратное напряжение.

Если оно будет превышено, может произойти пробой диода.

Поэтому нельзя считать, что диод способен блокировать любое напряжение.

 

Эксперимент — проверим диод самостоятельно

Теперь проверим главное свойство диода на практике.

Для этого нам понадобятся:

• источник постоянного напряжения;
• обычный диод;
• светодиод;
• резистор для ограничения тока;
• соединительные провода.

Соберём простую цепь.

 

 

 

Сначала установим диод в прямом направлении.

После включения питания ток проходит через цепь, и светодиод загорается.

Теперь отключим питание и перевернём обычный диод.

После повторного включения светодиод уже не должен загореться.

Мы ничего больше в схеме не изменили.

Изменилось только направление диода.

Это наглядно показывает его основное свойство:

диод позволяет току проходить в одном направлении и препятствует его прохождению в противоположном.

 

Проверяем диод мультиметром

Для проверки диодов во многих цифровых мультиметрах предусмотрен специальный режим.

Обычно он обозначается символом диода.

 

 

Подключим красный щуп к аноду, а чёрный — к катоду.

Для исправного кремниевого диода мультиметр обычно покажет падение напряжения примерно 0,5–0,8 В.

Теперь поменяем щупы местами.

Исправный обычный диод в обратном направлении проводить практически не будет, поэтому мультиметр обычно покажет OL или другое обозначение отсутствия проводимости.

Таким способом можно не только проверить исправность диода, но и определить его анод и катод.

 

Какие бывают диоды?

На практике существует множество разновидностей диодов.

Они работают на похожих физических принципах, но предназначены для разных задач.

Выпрямительные диоды

Это одни из самых распространённых диодов.

Они используются в блоках питания, зарядных устройствах и других схемах, где необходимо управлять направлением тока или выпрямлять переменное напряжение.

Например, к этой группе относится хорошо известная серия 1N400x.

 

Диоды Шоттки

Диоды Шоттки отличаются меньшим прямым падением напряжения.

У многих из них оно может составлять примерно 0,2–0,4 В при подходящих условиях работы.

Благодаря этому на диоде теряется меньше энергии.

Такие компоненты часто применяются в источниках питания и низковольтных электронных устройствах.

 

Светодиоды

Со светодиодами мы уже знакомы.

LED (Light-Emitting Diode) буквально означает светоизлучающий диод.

Он также проводит ток преимущественно в одном направлении, но при этом способен излучать свет.

 

Стабилитроны

Стабилитрон — специальный тип диода, предназначенный для работы в области контролируемого обратного пробоя.

Это свойство позволяет использовать его для ограничения и стабилизации напряжения.

Со стабилитронами мы познакомимся подробнее в отдельной статье.

 

Фотодиоды

Фотодиод реагирует на свет.

Вместо того чтобы излучать свет, как светодиод, он позволяет преобразовывать падающее на него излучение в электрический сигнал.

Фотодиоды используются в датчиках, системах связи и различной измерительной аппаратуре.

 

 

Где используются диоды?

Простое свойство диода — различная проводимость в двух направлениях — позволяет решать огромное количество практических задач.

Рассмотрим несколько примеров.

 

Защита от неправильного подключения питания

Представим электронное устройство, которое питается от батареи.

Если случайно поменять плюс и минус местами, некоторые электронные компоненты могут выйти из строя.

Диод позволяет создать простейшую защиту от такой ошибки.

При правильной полярности ток проходит через диод и устройство работает.

При неправильной полярности диод блокирует ток.

 

 

Такое решение очень простое, хотя у него есть недостаток — часть напряжения теряется на самом диоде.

К защите от переполюсовки мы ещё вернёмся отдельно и рассмотрим разные способы её реализации.

 

Преобразование переменного напряжения в постоянное

Диод способен пропускать только одну часть переменного электрического сигнала.

Это позволяет использовать его для выпрямления переменного напряжения.

Если использовать несколько диодов, можно построить более эффективную схему — диодный мост.

 

 

Диодные выпрямители используются в огромном количестве блоков питания.

Эту тему мы также рассмотрим подробнее в отдельной статье.

 

Защита при работе с реле и другими катушками

Катушки обладают интересным свойством.

Когда протекающий через них ток резко отключается, они способны создавать короткий импульс высокого напряжения.

Этот импульс может повредить управляющий транзистор или другую электронику.

Диод, подключённый параллельно катушке в нужном направлении, позволяет безопасно погасить этот импульс.

 

 

Такие защитные диоды очень часто можно встретить в схемах управления реле, электромагнитами и электродвигателями.

Подробнее понять причину возникновения такого импульса мы сможем позже, когда познакомимся с индуктивностью и самоиндукцией.

 

Автоматический выбор источника питания

Есть ещё одно очень интересное применение диодов.

Представим устройство, которое может работать от двух источников питания.

Каждый источник подключим к общей нагрузке через отдельный диод.

 

 

Упрощённо схема выглядит так:

Источник 1 ──>|──┐

              D1 │

                 ├──── Устройство

              D2 │

Источник 2 ──>|──┘

Если напряжение одного источника выше, именно он обычно будет обеспечивать питание нагрузки.

При этом диоды не позволяют току свободно протекать обратно из одного источника в другой.

Если основной источник отключить, питание может автоматически перейти на второй.

Такой способ соединения называют диодным OR (diode ORing).

Если напряжения источников очень близки, реальное распределение тока становится сложнее и зависит от характеристик используемых диодов. Но для понимания основного принципа можно представить, что нагрузку питает источник с более высоким напряжением.

 

Хороший пример — ноутбук

Похожий принцип автоматического выбора питания легко понять на примере обычного ноутбука.

Ноутбук может получать энергию:

• от внешнего блока питания;
• от встроенного аккумулятора.

Когда блок питания подключён, система может получать энергию от внешнего источника, а аккумулятор при необходимости заряжается.

Когда мы вытаскиваем зарядное устройство из розетки, ноутбук продолжает работать от аккумулятора.

Пользователю не приходится вручную переключать источник питания.

 

 

Важно понимать, что современные ноутбуки обычно не используют для этой задачи два обычных диода.

Системы питания ноутбуков значительно сложнее и используют специальные контроллеры и MOSFET-транзисторы, позволяющие эффективнее управлять потоками энергии.

Однако простая схема с двумя диодами хорошо демонстрирует основной принцип развязки и автоматического выбора источника питания.

 

Ошибки новичков

Ошибка №1. Считать диод идеальным проводником

Даже когда обычный диод открыт, на нём существует падение напряжения.

Для кремниевого диода оно часто находится примерно в районе 0,6–0,7 В, но не является строго постоянным.

Это необходимо учитывать при проектировании схем.

 

Ошибка №2. Подключать диод в любом направлении

Диод является полярным компонентом.

Анод и катод нельзя произвольно менять местами без изменения работы схемы.

Перед установкой компонента всегда проверяйте маркировку корпуса или техническую документацию.

 

Ошибка №3. Считать, что диод выдержит любое обратное напряжение

В обратном направлении обычный диод практически не проводит ток только до определённого напряжения.

Если превысить допустимое обратное напряжение, может произойти пробой и компонент может выйти из строя.

 

Ошибка №4. Считать все диоды одинаковыми

Выпрямительный диод, диод Шоттки, светодиод и стабилитрон предназначены для разных задач.

У них отличаются допустимые токи, напряжения, скорость переключения, прямое падение напряжения и другие параметры.

Поэтому нельзя выбирать диод только по внешнему виду.

 

Что нужно запомнить

• Диод проводит электрический ток преимущественно в одном направлении.
• У диода есть анод и катод.
• Полоса на корпусе большинства обычных выпрямительных диодов обозначает катод.
• При прямом включении диод проводит ток.
• При обратном включении обычный диод практически не проводит ток, пока не превышено допустимое обратное напряжение.
• На открытом диоде существует падение напряжения.
• Для обычного кремниевого диода оно часто составляет примерно 0,6–0,7 В.
• Диод можно проверить мультиметром в специальном режиме.
• Существуют разные виды диодов, предназначенные для разных задач.
• Диоды используются для выпрямления напряжения, защиты схем, работы с индуктивными нагрузками и автоматического выбора источников питания.

 

Вывод

Диод — небольшой и на первый взгляд очень простой электронный компонент.

Однако его способность по-разному проводить ток в двух направлениях лежит в основе огромного количества электронных схем.

Теперь мы знаем, почему направление подключения диода имеет значение, чем отличаются анод и катод, почему на диоде возникает падение напряжения и как проверить компонент мультиметром.

Мы также увидели, что одно простое свойство позволяет решать совершенно разные задачи — от защиты устройства при неправильном подключении батареи до автоматического выбора между несколькими источниками питания.

И это только начало.

В следующих статьях мы рассмотрим некоторые из этих применений значительно подробнее.

 

Что дальше?

Мы уже знаем, что диод способен препятствовать прохождению тока в нежелательном направлении.

Теперь воспользуемся этим свойством на практике.

В следующей статье разберём защиту от переполюсовки — узнаем, что происходит с электронным устройством при неправильном подключении питания и как обычный диод может защитить схему от такой ошибки.

Позже мы также познакомимся с диодным мостом, стабилитроном и другими интересными применениями диодов.

 

Также вы можете:

🔧 перейти в Раздел «Устройства»— чтобы увидеть практические примеры;
📘 продолжить обучение в Разделе «Обучение»
💬 задать вопрос или обсудить тему на Форуме.