Диод


      Диод - это электронный компонент, название которого происходит от греческого "дио" - два и окончания "од" от слова "электрод", берущего свое начало от греческого "одос" - путь. Буквально, диод означает - два электрода. Действительно, диод имеет два вывода, называемые анод и катод. Основное свойство диода - пропускать ток только в одном направлении.



      В 1873 году, британским ученым Ф.Гутри было обнаружено, что отрицательно заряженный шар, при его сильном нагревании - теряет заряд, но если он заряжен положительно - этого не происходит. В то время это явление, которое позже назвали термоэлектронной эмиссией (явление выхода электронов из твёрдого тела, при нагреве его до высокой температуры), не могли объяснить и про него забыли до 1880 года, когда это явление было вновь открыто Томасом Эдисоном. В одном из опытов он ввёл в вакуумное пространство лампы накаливания металлическую пластину с проводником, выведенным наружу. При экспериментах он заметил, что вакуум проводит ток, причём только в направлении от электрода к накалённой нити и только тогда, когда нить накалена. Фактически это была самая первая радиолампа. Однако про эти опыты опять забыли аж до 1904 года, когда Джон Флеминг впервые запатентовал диод с термоэлектронной эмиссией. Так началась эра электронных ламп, расцвет которой пришелся на 60-е года прошлого века.

Что интересно, но практически в тоже время, в 1874 году Карл Фердинанд Браун открыл выпрямляющие свойства некоторых кристаллов, а уже в 1900 Гринлиф Пикард продемонстрировал первый приёмник с кристаллическим детектором. В то время само слово диод еще не применялось.


      Полупроводниковые диоды, на основе германия, а затем и кремния, появились в середине прошлого века, вот так они выглядели:



и сейчас очень сложно представить себе электронное устройство, в котором не было бы ни одного диода.



      Условное графическое обозначение диода легко запомнить - оно напоминает стрелочку, которая показывает направление тока. На рисунке выше видно что ток течет слева на право, от анода к катоду. В обратном направлении ток через диод не течет, со стороны катода путь току преграждает барьер в виде вертикальной палочки.

Современные диоды выпускаются в самых разных корпусах, но наиболее распространены стеклянный и пластмассовый. Катод обычно обозначается кольцевой полоской у края корпуса. В Tinkercad Circuits диод выглядит так:



      Если навести курсором на вывод диода - появится подсказка, показывающая анод это или катод.

Давайте смоделируем в Tinkercad Circuits схему нашего фонарика, только поставим вместо выключателя - диод, сначала соединив анод диода с плюсом источника питания (это называется прямое включение), затем перевернем диод так, чтобы к плюсу источника питания был подключен катод(это называется обратное включение). После нажатия кнопки "Начать моделирование", мы увидим:



      На первой схеме лампа зажглась, значит ток через диод проходит. Во второй схеме нет, значит через нее ток не идет, а мешает ему идти диод, включенный в обратном включении.

Это свойство диода иногда используется для защиты устройства от неправильного подключения источника питания. Дело в том, что практически все электронные устройства очень плохо относятся к неправильно подключенному питанию, в лучшем случае устройство на которое неправильно подали питание просто не будет работать, в худшем случае - сгорит. Диодом можно обеспечить защиту нашему устройству. Например, если в первой схеме перевернуть батарейку - схема просто не будет работать, диод не пропустит через себя ток:



      Это самая простая, диодная защита от переполюсовки. Недостаток этой схемы только один - на диоде тоже теряется некоторое напряжение, смотрите:



      На диоде пропадает целых 0,63 вольта! Конечно, в некоторых случаях это не критично. Но в некоторых случаях может привести к тому, что ваше устройство перестанет работать гораздо раньше чем реально сядут батарейки, а батареи не будут разряжаться до конца. Поэтому очень часто в батарейной аппаратуре такую защиту не применяют, поэтому нужно быть очень внимательным при замене батареек.

Светодиод

      Светодиод, как и просто диод, также пропускает ток только в одном направлении, но при определенном значении протекающего через него тока - излучает свет.



      Условное графическое обозначение светодиода, в отличии от просто диода отличается тем, что диод находится в круге, а рядом размещаются две стрелочки. На современных схемах круг вокруг радиокомпонентов рисуют все реже, но всё же не следует про него забывать, так как круг символизирует герметичный корпус. Лампа накаливания у нас тоже в круге, помните? Но в отличии от лампы накаливания у нас не стеклянный балон, а монолитный корпус из прозрачного или цветного пластика.



В Tinkercad Circuits тоже есть светодиоды:



      Точно также, как и с обычным диодом, если навести курсором на вывод диода - появится подсказка, показывающая анод это или катод. По умолчанию в списке компонентов только красные светодиоды, но после установки его в схему - можно выбрать один из шести цветов из падающего списка в окне свойств светодиода.

Проведем небольшой эксперимент. На потребуется два одинаковых светодиода и две батарейки: CR2032 на напряжение 3 В, и батарею составленную из двух полутора-вольтовых элементов АА. Общеена пряжение батареи также 3 В.



      Один светодиод подключим к CR2032, второй - к батарее из элементов АА и нажмем кнопку "Начать моделирование". Обратите внимание, катод светодиода подключен к минусу питания, а анод - к плюсу. Вот что мы получим:



Один светодиод светится, но возле него появился восклицательный знак, второй похоже сгорел... Что же произошло? Если навести курсор на восклицательный знак, то увидим:



А если навести курсор на сгоревший светодиод:



      Ток, протекающий через светодиоды, оказывается слишком большим, но почему один светодиод, хотя и с большой перегрузкой, работает, а второй сгорел? Ведь напряжение обоих батарей, когда к ним ничего не подключено (напряжение холостого хода), равно 3 вольта. Напряжение батареи, когда к ней подключен только вольтметр равно её ЭДС. А вот при подключении к ней нагрузки, согласно закону Ома для полной цепи, вольтметр показывает напряжение, которое меньше ЭДС, так как часть напряжения остается на внутреннем сопротивлении источника питания. Все дело в том, что внутреннее сопротивление батареи CR2032 больше, чем внутреннее сопротивление элементов АА. Значит на внутреннем сопротивлении батареи CR2032 падает больше напряжения, а значит на выводах батареи напряжения будет меньше, чем на батареи составленной из элементов АА, что и подтверждают вольтметры.

А что если в цепь добавить еще сопротивления? Попробуем последовательно со светодиодом поставить резистор, ну скажем на 100 Ом:



      Видно, что светодиоды светятся, и судя по всему прекрасно себя чувствуют! Резистор в цепи светодиода называется ограничительным резистором, потому что он ограничивает ток, протекающий через светодиод.

Кроме обычных светодиодов - существуют еще сдвоенные светодиоды. В одном корпусе размещается два светодиода разных цветов, обычно красный и зеленый, что позволяет простым переключением получать три разных цвета: красный, желтый, зеленый. Такие светодиоды обычно имеют три вывода, так как аноды или катоды диодов соединены внутри корпуса.



Каких еще цветов бывают светодиоды? Да самых разных! Есть даже такие светодиоды, с помощью которых можно получить любой цвет, это RGB-светодиоды:



Есть также светодиоды, спектр излучения которых находится за пределами видимого спектра - это инфракрасные (ИК) и ультрафиолетовые (УФ) светодиоды.

Фотодиод

      Фотодиод - это приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе. Или говоря проще, фотодиод - это диод, свойства которого зависят от его освещенности. Условное графическое обозначение фотодиода очень похоже на условное обозначение светодиода.



      Рассмотрим работу фотодиода в программе Tinkercad Circuits

Фотодиод может работать в двух режимах. В первом режиме, в режиме фотогенератора, фотодиод работает как "солнечный элемент", преобразующий энергию света в электрический заряд:

Чем сильнее освещен фотодиод, тем больше напряжение на его выводах.

Во-втором режиме, в режиме фотопреобразования, фотодиод работает как датчик освещенности и подключен к источнику согласно схеме:

      Пока светодиод не освещен - он работает как обычный диод. Но когда он освещен, к нему добавляется так называемый фототок, и чем больше он освещен - тем больший фототок и тем больше напряжение на резисторе.



Какие ещё бывают диоды?

     

  • Стабилитроны. - или диод Зенера, полупроводниковый диод, который в прямом включении работает как обычный диод, а в обратном - в режиме пробоя, поддерживая на стабилитроне определенное напряжение. Стабилитроны выпускаются на напряжение 1.8-400 В. Существуют также стабилитроны работающие в обоих направлениях.




  • Тунельные диоды - диоды обладает особыми характеристиками, отличающими его от обычных диодов и стабилитронов. Наличие участка с отрицательным сопротивлением на вольт-амперной характеристике, а это означает возможность усиливать и генерировать сигнал.




  • PIN диоды - переключатели высокочастотных сигналов.
  • Диоды с барьером Шотки - полупроводниковый диод с малым падением напряжения при прямом включении.




  • Варикап (акроним от англ. vari(able) - "переменный" и cap(acitance) - "ёмкость") - диод, который существенно изменяет свою емкость при изменении приложенного к нему напряжения и используется в качестве конденсатора переменной емкости в резонансных цепях.






  • Задание

    Далее...


    Copyright © R9AL 2020 Все права защищены

    Рейтинг@Mail.ru