Οι δίοδοι είναι μια από τις πιο κοινές συσκευές ημιαγωγών που χρησιμοποιούνται στον ηλεκτρονικό εξοπλισμό σήμερα.
Είναι επίσης από τους πιο παρεξηγημένους.
Εξάλλου, οι δίοδοι αναφέρονται συχνά ως «πύλες μονής κατεύθυνσης» ή «κλέβουν πύλες» όταν μιλάμε για τη λειτουργία τους.
Όταν μια δίοδος αποκόπτεται από την εξωτερική τάση, τα ηλεκτρόνια μέσα σε αυτήν παγιδεύονται μέσα και δεν μπορούν να διαφύγουν ξανά.
Ως εκ τούτου, αυτό παγιδεύει το ρεύμα που ρέει μέσω αυτού του συγκεκριμένου τμήματος του κυκλώματος μέσα χωρίς διέξοδο εκτός από τον απέναντι τερματικό ή τη διαδρομή επιστροφής (άρα το όνομα παρακάμπτει το όνομα).
Ωστόσο, όταν αναφέρονται οι δίοδοι σε συνδυασμό με τα ηλεκτρονικά, μπορεί να προκαλέσουν σύγχυση.
Αυτό συμβαίνει επειδή πολλοί άνθρωποι τις θεωρούν ως γραμμικές συσκευές — ενώ στην πραγματικότητα διαθέτουν μη γραμμική συμπεριφορά που τις καθιστά πολύ πιο ευέλικτες από έναν απλό διακόπτη ενεργοποίησης/απενεργοποίησης.
Όπως ακριβώς ένα μουσικό όργανο έχει πολλαπλές χρήσεις πέρα από το παίξιμο νότων, μια δίοδος εξυπηρετεί πολλούς σκοπούς πέρα από την απλή ενεργοποίηση και απενεργοποίηση του ηλεκτρικού ρεύματος.
Ας ρίξουμε μια ματιά στο πώς λειτουργούν οι δίοδοι, ώστε να καταλάβετε πώς μπορούν να χρησιμοποιηθούν και ποιες μοναδικές ιδιότητες διαθέτουν που τις καθιστούν τόσο χρήσιμα κομμάτια ηλεκτρονικών κυκλωμάτων.
Τι είναι μια δίοδος;
Οι δίοδοι είναι μονόδρομες ηλεκτρικές διακλαδώσεις.
Μια δίοδος είναι ένας ηλεκτρονικά ελεγχόμενος διακόπτης διπλής κατεύθυνσης που επιτρέπει στο ρεύμα να ρέει προς μία κατεύθυνση μόνο υπό ορισμένες συνθήκες.
Όταν το ρεύμα ρέει μόνο προς μία κατεύθυνση μέσω μιας διόδου, τα δύο ημιαγωγικά «δάχτυλά» της συνδέονται μεταξύ τους.
Όταν το ρεύμα ρέει αντίθετα, τα δύο δάχτυλα είναι απομονωμένα το ένα από το άλλο και δεν ρέει ρεύμα.
Οι δίοδοι κατασκευάζονται από δύο ημιαγώγιμα υλικά που είναι συνήθως διατεταγμένα με τρόπο «σάντουιτς» για να εμποδίζουν τα ηλεκτρόνια να ρέουν και προς τις δύο κατευθύνσεις.
Μια μικρή ποσότητα ρεύματος υπό ορισμένες συνθήκες μπορεί να διασκορπίσει την περίσσεια ενέργειά του ως θερμότητα, επιτρέποντας στα ηλεκτρόνια να ρέουν διαμέσου της διόδου προς μία κατεύθυνση—ακόμα και αν η τάση κατά μήκος της διόδου είναι πολύ μεγαλύτερη από την τάση που εφαρμόζεται στην άλλη πλευρά.
Επειδή η ενεργή περιοχή της διόδου επιτρέπει στα ηλεκτρόνια να ρέουν μόνο προς μία κατεύθυνση, ενώ η εξωτερική περιοχή τα εμποδίζει να ρέουν πίσω, περιγράφεται ως μονόδρομη ηλεκτρική διακλάδωση.
Οι δίοδοι έχουν θετικούς και αρνητικούς ακροδέκτες
Τα δύο άκρα μιας διόδου επισημαίνονται με + και – για να υποδείξουν ότι δεν έχει εσωτερική πολικότητα.
Όταν εφαρμόζεται τάση στα άκρα μιας διόδου, αυτό ονομάζεται δοκιμή βραχυκυκλώματος ή «αρνητική» δοκιμή.
Οι δίοδοι δεν είναι πολωμένες όπως η κανονική πολωμένη ηλεκτρική καλωδίωση—τα άκρα χρησιμοποιούνται μόνο για δοκιμές και το μέσο της διόδου είναι ουδέτερο («χωρίς πολικότητα») και συνδέεται με στοιχεία κυκλώματος.
Στα ηλεκτρονικά, ο θετικός ακροδέκτης μιας διόδου είναι συνήθως η άνοδος και ο αρνητικός ακροδέκτης είναι η κάθοδος.
Ωστόσο, η σύμβαση δεν έχει ολοκληρωθεί.
Σε ορισμένα κυκλώματα, ο αρνητικός ακροδέκτης είναι η κάθοδος και ο θετικός ακροδέκτης είναι η άνοδος.
Για παράδειγμα, σε ένα Κύκλωμα LED, ο αρνητικός ακροδέκτης είναι η κάθοδος, αλλά σε ένα κύκλωμα μπαταρίας, ο αρνητικός ακροδέκτης είναι η άνοδος.
Υπάρχουν πολλοί τύποι διόδων
Υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί τύποι διόδων που διατίθενται για χρήση στα ηλεκτρονικά.
Οι περισσότερες δίοδοι είναι της ποικιλίας ημιαγωγών, αλλά υπάρχουν επίσης ανορθωτές, φωτοδίοδοι και τρανζίστορ που λειτουργούν σαν δίοδοι.
Η επιλογή του κατάλληλου τύπου διόδου για ένα συγκεκριμένο κύκλωμα είναι σημαντική για να έχετε τα επιθυμητά αποτελέσματα.
Μερικοί σημαντικοί τύποι διόδων περιλαμβάνουν: – Γρήγορες ανορθωτές: Αυτές οι δίοδοι άγουν το ηλεκτρισμό πολύ γρήγορα, επιτρέποντας εφαρμογές υψηλής συχνότητας.
– Τυπικοί ανορθωτές: Αυτές οι δίοδοι μεταφέρουν τον ηλεκτρισμό πιο αργά, επιτρέποντας εφαρμογές χαμηλής συχνότητας.
– Ανορθωτές φραγμού Schottky: Αυτές οι δίοδοι έχουν ενσωματωμένη δίοδο Schottky που τους εμποδίζει να αγώγουν προς τα πίσω.
– Φωτοδίοδοι: Αυτές οι συσκευές μετατρέπουν το φως σε ηλεκτρική ενέργεια, καθιστώντας τις χρήσιμες σε εφαρμογές ανίχνευσης.
Οι δίοδοι έχουν διαφορετικά όρια τάσης, χαρακτηριστικά και τάσεις διάσπασης
Αν και οι δίοδοι παραμένουν μονόδρομες ηλεκτρικές διακλαδώσεις, συνήθως έχουν πολύ υψηλή τάση διακοπής (μεγαλύτερη από 1 megavolt) και κατώφλι τάσης διάσπασης (μειωμένη τάση που απαιτείται για την έναρξη της διακοπής) που τις καθιστούν κατάλληλες για ορισμένους τύπους εφαρμογών.
Αυτές οι παράμετροι κατωφλίου εξαρτώνται από τον τύπο της διόδου που χρησιμοποιείται και μπορούν να τροποποιηθούν για τη δημιουργία διαφόρων τύπων διόδων.
Για παράδειγμα, μια δίοδος ταχείας ανορθωτή έχει κατώφλι τάσης διάσπασης περίπου 0.3 βολτ.
Αυτό σημαίνει ότι εάν η τάση κατά μήκος της διόδου είναι μικρότερη από 0.3 βολτ, η δίοδος δεν θα αγώγεται και το κύκλωμα θα παραμείνει στην αρχική του κατάσταση.
Εάν το κύκλωμα προσπαθήσει να τραβήξει περισσότερο ρεύμα και η τάση στο κύκλωμα αυξηθεί, το κατώφλι τάσης διάσπασης της διόδου πληρούται και η δίοδος αρχίζει να μεταφέρει ρεύμα προς την αντίθετη κατεύθυνση.
Οι δίοδοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε γραμμικές ή μη γραμμικές εφαρμογές
Ένα μοναδικό χαρακτηριστικό των διόδων είναι ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε γραμμικές ή μη γραμμικές εφαρμογές.
Όταν χρησιμοποιείται σε γραμμικές εφαρμογές, η δίοδος χρησιμοποιείται ως διακόπτης.
Με άλλα λόγια, μεταφέρει ρεύμα προς μία κατεύθυνση ανάλογα με την τάση που εφαρμόζεται στο κύκλωμα.
Όταν εφαρμόζεται τάση σε ένα κύκλωμα, τα ηλεκτρόνια αρχίζουν να ρέουν μέσα από τη δίοδο και το κύκλωμα τροφοδοτείται.
Η δίοδος μπορεί να θεωρηθεί ως "μονόδρομος διακόπτης".
Όταν το κύκλωμα τροφοδοτείται, η δίοδος μεταφέρει ρεύμα, ενεργοποιώντας το κύκλωμα.
Όταν δεν εφαρμόζεται τάση στο κύκλωμα, η δίοδος δεν άγει και το κύκλωμα απενεργοποιείται.
Σε μη γραμμικές εφαρμογές, η δίοδος χρησιμοποιείται για την ενίσχυση ή την αύξηση του πλάτους ή της ισχύος ενός σήματος.
Για παράδειγμα, εάν ένα κύκλωμα χρησιμοποιεί ένα σήμα χαμηλής συχνότητας για να ελέγξει κάτι (όπως η ενεργοποίηση ή απενεργοποίηση ενός κινητήρα), το ίδιο το κύκλωμα μπορεί να απενεργοποιηθεί από το σήμα.
Αλλά εάν το σήμα είναι αρκετά υψηλό (όπως ένας ήχος τηλεφωνικής κλήσης ή μουσική από ραδιοφωνικό σταθμό), η δίοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ενίσχυση και την ενεργοποίηση του κυκλώματος, επιτρέποντάς του να ελέγχεται από το σήμα υψηλότερης συχνότητας.
Πώς λειτουργούν οι δίοδοι υψηλής τάσης;
Όταν εφαρμόζεται υψηλή τάση σε α διόδου, αρχίζει να διεξάγει.
Ωστόσο, επειδή η τάση είναι πολύ υψηλή, τα ηλεκτρόνια που είναι παγιδευμένα μέσα στη δίοδο δεν μπορούν να απελευθερώσουν την ενέργειά τους σε αρκετές ποσότητες ώστε να απελευθερωθούν από τον περιορισμό τους.
Ως αποτέλεσμα, η δίοδος άγει λίγο, αλλά όχι αρκετά για να τροφοδοτήσει το κύκλωμα.
Όταν εφαρμόζεται χαμηλή τάση στις πύλες ενός ζεύγους τρανζίστορ που ελέγχουν την τάση που εφαρμόζεται σε ένα κύκλωμα (που ονομάζεται κύκλωμα σκάλας), το σήμα αφήνεται να περάσει χωρίς ρύθμιση.
Ωστόσο, όταν υπάρχει πολύ μικρή τάση στο κύκλωμα της σκάλας και οι δίοδοι δεν μεταφέρουν αρκετό ρεύμα, το σήμα δεν επιτρέπεται να περάσει και το κύκλωμα απενεργοποιείται.
Αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την τροφοδοσία απλών κυκλωμάτων και μπορεί να είναι χρήσιμο για ταξινομητές, υπολογιστές και χρονόμετρα.
Πώς να υπολογίσετε το κατώφλι τάσης για μια δίοδο
Ας υποθέσουμε ότι συνδέετε μια δίοδο σε μια πηγή τροφοδοσίας 12 volt και θέλετε να ξέρετε αν θα μεταφέρει (παρέχει ισχύ) σε χαμηλή τάση.
Η εξίσωση για τον υπολογισμό της τάσης διάσπασης (VOM) μιας συσκευής ημιαγωγών είναι η εξής: Σε αυτήν την εξίσωση, "VOH" είναι η τάση κατά μήκος της συσκευής όταν διασπάται, "VOHSC" είναι η τάση κατωφλίου της διόδου όταν διεξάγεται, Το "I" είναι το ρεύμα μέσω της διόδου, το "E" είναι η τάση του ηλεκτρικού πεδίου κατά μήκος της διόδου και το "n" είναι ο αριθμός των ηλεκτρονίων στη δίοδο.
Για να προσδιορίσετε το κατώφλι τάσης της διόδου, πρέπει να γνωρίζετε την τάση διάσπασης της διόδου.
Μπορείτε να βρείτε αυτήν την τιμή χρησιμοποιώντας την παραπάνω εξίσωση.
Η τάση διάσπασης μιας τυπικής διόδου σύνδεσης πυριτίου pn είναι 1.5 βολτ.
Αυτό σημαίνει ότι όταν η τάση στη δίοδο είναι 1.5 βολτ, η δίοδος θα σπάσει και θα αρχίσει να μεταφέρει ρεύμα.