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:
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?
Задание
Copyright © R9AL 2020 Все права защищены
