Od anody do katody: diody krzemowe w ujęciu praktycznym

Obok rezystorów, kondensatorów i cewek, w układach elektronicznych prawie zawsze mamy do czynienia z tranzystorami, ale oprócz nich, istotną rolę odgrywają także diody krzemowe – najprostsze elementy półprzewodnikowe. Diody mają bardzo szeroki zakres zastosowań, niemal tak jak tranzystory. Oprócz popularnych LEDów, warto zwrócić uwagę także na ,,zwykłe” diody, które choć nie świecą – stanowią kluczowy element licznych aplikacji elektronicznych praktycznego zastosowania.

Diody krzemowe – złącze typu p-n

Dioda krzemowa jest najprostszym przyrządem półprzewodnikowym i podobnie jak większość standardowych elementów pasywnych RLC – ma tylko dwa wyprowadzenia. Jej konstrukcję stanowi złącze półprzewodnikowe typu p-n. Półprzewodnik typu p jest anodą diody, a półprzewodnik typu n – katodą diody. Dioda krzemowa jest swego rodzaju zaworem elektrycznym, który umożliwia przepływ prądu w jednym kierunku. Aby to nastąpiło, diodę należy odpowiednio spolaryzować, tj. podłączyć do wyprowadzeń diody napięcie o odpowiedniej biegunowości – anoda diody musi być na odpowiednio wyższym potencjale względem katody. Natomiast jeśli odwrócimy biegunowość napięcia, dioda przejdzie w stan zaporowy i nie będzie przewodziła prądu.

W jakich warunkach dioda krzemowa zaczyna przewodzić?

Poprzez odpowiedni kierunek polaryzacji napięcia i jego wartości, diodę krzemową możemy wprowadzić w stan przewodzenia lub stan zaporowy. Tu dochodzimy do pierwszego kluczowego parametru diod krzemowych – napięcia przewodzenia. Jest to napięcie progowe, które powoduje załączenie diody, tj. spolaryzowanie złącza typu p-n w stan przewodzenia prądu elektrycznego. Standardowe diody krzemowe (np. 1N4148 czy 1N4007 oferowane przez Botland – sklep elektroniczny), zaczynają przewodzić po przyłożeniu do nich napięcia z przedziału ok. 0,4V – 0,7V. Jeśli przyjrzymy się diodom LED (które również mogą pełnić funkcję tradycyjnych diod ,,nieświecących”), ich kolor światła jest inny dla poszczególnych wartości progów napięć przewodzenia, np. dla koloru czerwonego jest to ok. 1,8V, dla zielonego ok. 2,0V, a dla niebieskiego – ok. 3,0V. Natomiast przejście diody w stan zaporowy następuje wtedy, kiedy przyłożone napięcie będzie miało wsteczną polaryzację, tj. kiedy na katodzie będzie wyższy potencjał niż na anodzie. Idealna dioda w takim stanie nie przewodzi prądu, ale w rzeczywistości – prąd wsteczny jest niewielki i może wynosić kilkadziesiąt mikroamperów.

Najważniejsze parametry diod krzemowych

Oprócz napięcia przewodzenia diody mają dwa inne istotne parametry z punktu widzenia praktycznego. Polaryzując diodę zaporowo, w praktyce dążymy do tego, aby dioda nie przewodziła prądu. W tym miejscu należy wziąć pod uwagę maksymalne napięcie wsteczne, jakie możemy przyłożyć do wyprowadzeń diody. Przykładowo, jeśli dioda jest zaprojektowana na maksymalne napięcie wynoszące 300V, oznacza to, że po przekroczeniu tego napięcia trzeba liczyć się z przebiciem złącza p-n. Wówczas dioda zostaje uszkodzona w sposób nieodwracalny i zachowuje się jak zwarcie lub przerwa w obwodzie. Dobierając diody do układów elektronicznych pracujących pod napięciem 230V, w celu polepszenia niezawodności najlepiej jest wybrać diody o maksymalnym napięciu wstecznym do 1000V. Obok napięcia przewodzenia i maksymalnego napięcia wstecznego, zwróćmy uwagę także na maksymalny prąd roboczy, jaki dioda może przewodzić. Jeśli przykładowo dioda jest zaprojektowana na ciągłe przewodzenie prądu na poziomie 1A, to możemy taką diodę użyć nawet w obwodach o bardzo niskim poborze prądu (np. 10mA), ale w obwodzie o poborze prądu na poziomie 2A, musimy się już liczyć z możliwością przegrzania i zniszczenia diody.

Jak podłączyć diodę krzemową?

Na pierwszy rzut oka, typowa dioda krzemowa (np. w obudowie typu DO14) ma kształt zbliżony do rezystora do montażu THT. Jednak sposób podłączenia jej wyprowadzeń nie jest dowolny. Na obudowie diody jest narysowany pasek poprzeczny, który definiuje przy którym wyprowadzeniu jest katoda diody. Jeśli natomiast kupiliśmy diodę, w której oznaczenie katody jest rozmazane, a chcemy jej użyć, możemy sprawdzić jej wyprowadzenia za pomocą multimetru. W tym celu ustawiamy multimetr na test diod i przykładamy końcówki sond do wyprowadzeń diody. Wskazanie wyświetlacza poza zakresem będzie oznaczało, że anoda diody jest na tym wyprowadzeniu, do którego przyłożona jest sonda podłączona pod gniazdo “COM” multimetru. Jeśli natomiast zamienimy sondy, wyświetlacz pokaże wartość napięcia wynoszącą zwykle kilkaset miliwoltów, co będzie równoznaczne z przyłożeniem sondy “COM” do katody diody. Taki pomiar testowy jest także potwierdzeniem, że dioda jest sprawna.

Zastosowania diod krzemowych

Diody krzemowe to najprostsze przyrządy półprzewodnikowe stosowane w elektronice – dzięki swojej prostej zasadzie działania, ich zastosowania są naprawdę liczne! Ze względu na swoje właściwości, najbardziej popularną aplikacją diod krzemowych, są układy zasilaczy sieciowych przekształcających napięcie przemienne na napięcie stałe. W takich konstrukcjach diody są łączone w układy prostownikowe, np. prostownik półokresowy (pojedyncza dioda), który przewodzi tylko górne połówki sinusoidy oraz prostownik pełnookresowy (mostek Graetza, zbudowany z czterech diod), który przewodzi obie połówki sinusoidy, ale dolną połówkę ,,odwraca” na stronę dodatnią. Wyprostowany prąd i napięcie, jest następnie poddawany odpowiedniej filtracji przez kondensatory, w celu uzyskania stabilnych przebiegów pozbawionych najbardziej istotnych zakłóceń. Pojedyncza dioda prostownicza włączona szeregowo w urządzeniach zasilanych bateryjnie lub z zasilacza napięcia stałego, pełni rolę prostego zabezpieczenia przed wsteczną biegunowością. Kiedy omyłkowo podłączymy zasilacz o przeciwnej polaryzacji, urządzenie się po prostu nie włączy, ale i nie uszkodzi. Diody również znalazły zastosowanie w układach ograniczania amplitudy sygnału, które możemy spotkać m.in. w sprzętowych efektach dźwiękowych do instrumentów muzycznych, np. w obwodzie efektu gitarowego ProCo RAT Distortion, który zniekształca sygnał poprzez obcinanie jego wierzchołków za pomocą stopnia obcinającego zbudowanego na dwóch diodach 1N4148.