Dioder er en af de mest almindelige halvlederenheder, der bruges i elektronisk udstyr i dag.
De er også en af de mest misforståede.
Når alt kommer til alt, omtales dioder ofte som "envejsporte" eller "stjæleporte", når man taler om deres drift.
Når en diode er afskåret fra ekstern spænding, bliver elektroner inde i den fanget inde og kan ikke undslippe igen.
Som sådan fanger dette strøm, der strømmer gennem den pågældende del af kredsløbet inde uden nogen vej ud, undtagen gennem den modsatte terminal eller returvej (derved omgår navnet navnet).
Men når dioder nævnes i forbindelse med elektronik, kan de være forvirrende.
Dette skyldes, at mange mennesker tænker på dem som lineære enheder - når de faktisk besidder ikke-lineær adfærd, hvilket gør dem meget mere alsidige end blot en simpel tænd/sluk-knap.
Ligesom hvordan et musikinstrument har flere anvendelsesmuligheder ud over at spille noder, tjener en diode mange formål ud over blot at tænde og slukke for elektrisk strøm.
Lad os tage et kig på, hvordan dioder fungerer, så du forstår, hvordan de kan bruges, og hvilke unikke egenskaber de besidder, der gør dem til så nyttige elektroniske kredsløb.
Hvad er en diode?
Dioder er envejs elektriske shunts.
En diode er en elektronisk styret tovejskontakt, der kun tillader strøm at flyde i én retning under visse forhold.
Når strømmen kun løber i én retning gennem en diode, er dens to halvleder-"fingre" forbundet med hinanden.
Når strømmen løber den anden vej, er de to fingre isoleret fra hinanden, og der løber ingen strøm.
Dioder er lavet af to halvledende materialer, der normalt er arrangeret på en "sandwich" måde for at blokere elektroner i at strømme i begge retninger.
En lille mængde strøm under visse forhold kan sprede dens overskydende energi som varme, hvilket gør det muligt for elektroner at strømme gennem dioden i én retning - også selvom spændingen over dioden er meget højere end spændingen på den anden side.
Fordi diodens aktive område kun tillader elektroner at strømme i én retning, mens det ydre område blokerer dem for at strømme tilbage, beskrives det som en envejs elektrisk shunt.
Dioder har positive og negative terminaler
En diodes to ender er mærket med + og – for at angive, at den ikke har nogen intern polaritet.
Når en spænding påføres en diodes ender, kaldes dette kortslutning eller "negativ" test.
Dioder er ikke polariserede som normale polariserede elektriske ledninger - enderne bruges kun til test, og midten af dioden er neutral ("ingen polaritet") og er forbundet til kredsløbselementer.
I elektronik er den positive terminal på en diode normalt anoden, og den negative terminal er katoden.
Konventionen er dog ikke hugget i sten.
I nogle kredsløb er den negative terminal katoden og den positive terminal er anoden.
For eksempel i en LED kredsløb, den negative terminal er katoden, men i et batterikredsløb er den negative terminal anoden.
Der findes mange typer dioder
Der findes mange forskellige typer dioder til brug i elektronik.
De fleste dioder er af halvledersorten, men der er også ensrettere, fotodioder og transistorer, der fungerer som dioder.
At vælge den rigtige type diode til et bestemt kredsløb er vigtigt for at få de ønskede resultater.
Nogle vigtige diodetyper omfatter: – Hurtige ensrettere: Disse dioder leder elektricitet meget hurtigt, hvilket giver mulighed for højfrekvente applikationer.
– Standard ensrettere: Disse dioder leder elektricitet langsommere, hvilket giver mulighed for lavfrekvente applikationer.
– Schottky Barrier Ensrettere: Disse dioder har en indbygget Schottky-diode, der forhindrer dem i at lede baglæns.
– Fotodioder: Disse enheder konverterer lys til elektricitet, hvilket gør dem nyttige i sanseapplikationer.
Dioder har forskellige spændingstærskler, karakteristika og gennembrudsspændinger
Selvom dioder forbliver envejs elektriske shunts, har de typisk en meget høj gennembrudsspænding (større end 1 megavolt) og en tærskel for gennembrudsspænding (nedsat spænding, der kræves for at starte sammenbruddet), som gør dem velegnede til visse typer applikationer.
Disse tærskelparametre er afhængige af den anvendte diodetype og kan ændres for at skabe forskellige typer dioder.
Som et eksempel har en hurtig ensretterdiode en gennembrudsspændingstærskel på omkring 0.3 volt.
Dette betyder, at hvis spændingen over dioden er lavere end 0.3 volt, vil dioden ikke lede, og kredsløbet forbliver i sin oprindelige tilstand.
Hvis kredsløbet forsøger at trække mere strøm, og spændingen over kredsløbet øges, nås diodens gennembrudsspændingstærskel, og dioden begynder at lede strøm i den modsatte retning.
Dioder kan bruges i lineære eller ikke-lineære applikationer
En unik egenskab ved dioder er, at de kan bruges i lineære eller ikke-lineære applikationer.
Når den bruges i lineære applikationer, bruges dioden som en switch.
Med andre ord leder den strøm i én retning afhængigt af den spænding, der påføres kredsløbet.
Når en spænding påføres over et kredsløb, begynder elektronerne at strømme gennem dioden, og kredsløbet får strøm.
Dioden kan opfattes som en "envejskontakt".
Når kredsløbet er strømforsynet, leder dioden strøm og tænder for kredsløbet.
Når der ikke påføres spænding over kredsløbet, leder dioden ikke, og kredsløbet slukkes.
I ikke-lineære applikationer bruges dioden til at forstærke eller øge amplituden eller styrken af et signal.
For eksempel, hvis et kredsløb bruger et lavfrekvent signal til at styre noget (som at tænde eller slukke en motor), kan selve kredsløbet blive slukket af signalet.
Men hvis signalet er højt nok (som en klartone på telefonen eller musik fra en radiostation), kan dioden bruges til at forstærke og tænde for kredsløbsstrømmen, så den kan styres af det højere frekvenssignal.
Hvordan virker højspændingsdioder?
Når en højspænding påføres over a diode, begynder den at lede.
Men fordi spændingen er for høj, kan elektronerne fanget i dioden ikke frigive deres energi i tilstrækkelige mængder til at bryde fri af deres indespærring.
Som et resultat leder dioden en lille smule, men ikke nok til at drive kredsløbet.
Når en lav spænding påføres portene til et par transistorer, der styrer spændingen, der påføres over et kredsløb (kaldet et stigekredsløb), får signalet lov til at passere ureguleret.
Men når der er for lidt spænding over stigekredsløbet, og dioderne ikke leder nok strøm, slippes signalet igennem, og kredsløbet er slukket.
Dette kan bruges til at forsyne simple kredsløb og kan være nyttigt til sorterere, computere og timere.
Sådan beregnes spændingstærsklen for en diode
Antag, at du tilslutter en diode til en 12-volts strømkilde og vil vide, om den vil lede (levere strøm) ved lav spænding.
Ligningen for beregning af gennembrudsspændingen (VOM) for en halvlederenhed er som følger: I denne ligning er "VOH" spændingen over enheden, når den bryder sammen, "VOHSC" er tærskelspændingen for dioden, når den leder, "I" er strømmen gennem dioden, "E" er spændingen af det elektriske felt over dioden og "n" er antallet af elektroner i dioden.
For at bestemme diodens spændingstærskel skal du kende diodens gennembrudsspænding.
Du kan finde denne værdi ved at bruge ligningen ovenfor.
Nedbrydningsspændingen for en typisk silicium pn junction diode er 1.5 volt.
Det betyder, at når spændingen over dioden er 1.5 volt, vil dioden bryde sammen og begynde at lede strøm.