Dioder är en av de vanligaste halvledarenheterna som används i elektronisk utrustning idag.
De är också en av de mest missförstådda.
När allt kommer omkring kallas dioder ofta för "envägsgrindar" eller "stjälportar" när man talar om deras funktion.
När en diod är avstängd från yttre spänning, blir elektroner inuti den fångade inuti och kan inte fly igen.
Som sådan fångar detta ström som flyter genom den specifika delen av kretsen inuti utan någon utväg utom genom den motsatta terminalen eller returvägen (därmed namnet går förbi namnet).
Men när dioder nämns i samband med elektronik kan de vara förvirrande.
Detta beror på att många människor tänker på dem som linjära enheter – när de faktiskt har olinjärt beteende vilket gör dem mycket mer mångsidiga än bara en enkel på/av-knapp.
Ungefär som hur ett musikinstrument har flera användningsområden utöver att spela toner, tjänar en diod många syften utöver att bara slå på och av elektrisk ström.
Låt oss ta en titt på hur dioder fungerar så att du förstår hur de kan användas och vilka unika egenskaper de har som gör dem till så användbara delar av elektroniska kretsar.
Vad är en diod?
Dioder är envägs elektriska shuntar.
En diod är en elektroniskt styrd tvåvägsomkopplare som tillåter ström att flyta i en riktning endast under vissa förhållanden.
När ström flyter i endast en riktning genom en diod, är dess två halvledar "fingrar" sammankopplade.
När ström flyter åt andra hållet är de två fingrarna isolerade från varandra och ingen ström flyter.
Dioder är gjorda av två halvledande material som vanligtvis är anordnade på ett "sandwich"-sätt för att blockera elektroner från att flöda i båda riktningarna.
En liten mängd ström kan under vissa förhållanden avleda sin överskottsenergi som värme, vilket gör att elektroner kan flöda genom dioden i en riktning – även om spänningen över dioden är mycket högre än spänningen som appliceras på den andra sidan.
Eftersom diodens aktiva område endast tillåter elektroner att flöda i en riktning medan det yttre området blockerar dem från att flöda tillbaka, beskrivs det som en envägs elektrisk shunt.
Dioder har positiva och negativa terminaler
En diods två ändar är märkta med + och – för att indikera att den inte har någon intern polaritet.
När en spänning appliceras på en diods ändar kallas detta kortslutning eller "negativ" testning.
Dioder är inte polariserade som vanliga polariserade elektriska ledningar - ändarna används endast för testning och mitten av dioden är neutral ("ingen polaritet") och är ansluten till kretselement.
Inom elektronik är den positiva terminalen på en diod vanligtvis anoden och den negativa terminalen är katoden.
Konventionen är dock inte huggen i sten.
I vissa kretsar är den negativa terminalen katoden och den positiva terminalen är anoden.
Till exempel i en LED-krets, minuspolen är katoden, men i en batterikrets är minuspolen anoden.
Det finns många typer av dioder
Det finns många olika typer av dioder tillgängliga för användning inom elektronik.
De flesta dioder är av halvledarvarianten, men det finns också likriktare, fotodioder och transistorer som fungerar som dioder.
Att välja rätt typ av diod för en viss krets är viktigt för att få önskat resultat.
Några viktiga diodtyper inkluderar: – Snabba likriktare: Dessa dioder leder elektricitet mycket snabbt, vilket möjliggör högfrekventa tillämpningar.
– Standardlikriktare: Dessa dioder leder elektriciteten långsammare, vilket möjliggör lågfrekventa tillämpningar.
– Schottky-barriärlikriktare: Dessa dioder har en inbyggd Schottky-diod som hindrar dem från att leda bakåt.
– Fotodioder: Dessa enheter omvandlar ljus till elektricitet, vilket gör dem användbara i avkänningsapplikationer.
Dioder har olika spänningströsklar, egenskaper och genombrottsspänningar
Även om dioder förblir envägs elektriska shuntar, har de vanligtvis en mycket hög genombrottsspänning (större än 1 megavolt) och en genombrottsspänningströskel (minskad spänning som krävs för att starta haveriet) som gör dem lämpliga för vissa typer av applikationer.
Dessa tröskelparametrar är beroende av vilken typ av diod som används och kan ändras för att skapa olika typer av dioder.
Som ett exempel har en snabb likriktardiod en genomslagsspänningströskel på cirka 0.3 volt.
Detta betyder att om spänningen över dioden är lägre än 0.3 volt, kommer dioden inte att leda och kretsen kommer att förbli i sitt ursprungliga tillstånd.
Om kretsen försöker dra mer ström och spänningen över kretsen ökas, uppnås diodens genombrottsspänningströskel och dioden börjar leda ström i motsatt riktning.
Dioder kan användas i linjära eller olinjära tillämpningar
En unik egenskap hos dioder är att de kan användas i linjära eller olinjära tillämpningar.
När den används i linjära applikationer används dioden som en switch.
Med andra ord leder den ström i en riktning beroende på spänningen som appliceras på kretsen.
När en spänning appliceras över en krets börjar elektronerna strömma genom dioden och kretsen får ström.
Dioden kan ses som en "envägsbrytare".
När kretsen är strömförsörjd leder dioden ström, vilket sätter på kretsen.
När ingen spänning appliceras över kretsen leder inte dioden och kretsen stängs av.
I olinjära tillämpningar används dioden för att förstärka eller öka amplituden eller styrkan hos en signal.
Till exempel, om en krets använder en lågfrekvent signal för att styra något (som att slå på eller stänga av en motor), kan själva kretsen stängas av av signalen.
Men om signalen är tillräckligt hög (som en telefonkopplingston eller musik från en radiostation), kan dioden användas för att förstärka och slå på strömkretsen, vilket gör att den kan styras av den högre frekvenssignalen.
Hur fungerar högspänningsdioder?
När en hög spänning appliceras över a diod, börjar det leda.
Men eftersom spänningen är för hög kan elektronerna som är fångade i dioden inte släppa ut sin energi i tillräckligt stora mängder för att bryta sig ur sin inneslutning.
Som ett resultat leder dioden lite, men inte tillräckligt för att driva kretsen.
När en låg spänning appliceras på grindarna till ett par transistorer som styr spänningen som appliceras över en krets (kallad en stegkrets), tillåts signalen passera genom oreglerad.
Men när det är för lite spänning över stegkretsen och dioderna inte leder tillräckligt med ström släpps inte signalen igenom och kretsen stängs av.
Detta kan användas för att driva enkla kretsar och kan vara användbart för sorterare, datorer och timers.
Hur man beräknar spänningströskeln för en diod
Anta att du ansluter en diod till en 12-volts strömkälla och vill veta om den kommer att leda (ge ström) vid låg spänning.
Ekvationen för att beräkna genombrottsspänningen (VOM) för en halvledarenhet är följande: I denna ekvation är "VOH" spänningen över enheten när den går sönder, "VOHSC" är tröskelspänningen för dioden när den leder, "I" är strömmen genom dioden, "E" är spänningen för det elektriska fältet över dioden och "n" är antalet elektroner i dioden.
För att bestämma diodens spänningströskel måste du känna till diodens nedbrytningsspänning.
Du kan hitta detta värde genom att använda ekvationen ovan.
Genomslagsspänningen för en typisk kisel-pn-övergångsdiod är 1.5 volt.
Det betyder att när spänningen över dioden är 1.5 volt kommer dioden att gå sönder och börja leda ström.