En diode har to terminaler, anoden og katoden. Bruksområder for dioder inkluderer brytere, signalmodulatorer, signalmiksere, likerettere, signalbegrensere, spenningsregulatorer, oscillatorer og signaldemodulatorer.
Hvis anodespenningen er positiv sammenlignet med katoden og høyere enn terskelspenningen, fungerer dioden som en kortslutning og lar strøm flyte.
Hvis katoden gjøres positiv i forhold til anoden, er dioden omvendt forspent. Den vil da fungere som en åpen krets som resulterer i at det ikke flyter strøm.
Hvordan fungerer diode?
En diode regnes som en halvlederenhet som har to ledninger og fungerer som en enveisdør for elektrisk strøm. Halvledere kan være ledere eller isolatorer. Motstanden deres kan kontrolleres ved å øke eller redusere motstanden kalt doping. Doping er prosessen med å tilføre urenhetsatomer til materialet.
Det finnes to typer halvledermaterialer:
- N-type materiale: tilsetning av mengder arsen, fosfor, antimon, vismut og andre femverdige elementer kan produsere et N-type halvledende materiale. Den har ekstra elektroner. Det er ekstra negativt ladede partikler som beveger seg fra et negativt ladet område til et positivt ladet område.
- P-type materiale: tilsetning av mengder aluminium, gallium, bor, indium og andre kan produsere et P-type halvledende materiale. Den har ekstra hull.
Å ha hull betyr fravær av et elektron og å ha en positiv ladning. Hver gang et elektron beveger seg inn i et hull, skaper det et nytt hull bak det siden de beveger seg i motsatte retninger av elektroner. Kombinasjon av N-type og P-type materiale danner et P-N-kryss. Du kan se utarmingsområdet på hver side av diodekrysset. Denne regionen er utarmet for frie elektroner og hull. Elektroner fra N-type-siden fyller hullene på P-type-siden.
Hva er uttømmingssonen?
Et uttømmingsområde dannes når det ikke tilføres spenning til dioden, slik at elektroner fra N-type-materialet fyller hull fra P-type-materialet langs krysset mellom lagene. I det området returneres N-type eller P-type materiale til sin opprinnelige isolasjonstilstand. Elektrisitet kan ikke strømme til et uttømmingsområde siden alle hull er fylt og det ikke er frie elektroner eller tomme rom for elektrisitet.
Hva brukes dioder til?
Reversstrømbeskyttelse
En blokkeringsdiode brukes i noen kretser for beskyttelse mot en utilsiktet omvendt tilkobling, for eksempel å koble til DC-forsyningen på feil måte og reversere polaritetene. En strømflyt i feil retning kan skade andre kretskomponenter.
Figuren over viser at blokkeringsdioden er koblet i serie med lasten og med den positive siden av forsyningen. Ved en omvendt tilkobling vil ikke strømmen flyte fordi dioden vil være i revers forspenning. Lasten vil da være beskyttet mot omvendt strøm. Imidlertid, hvis polariteten er riktig, vil dioden være i forspenning slik at laststrømmen kan flyte gjennom den.
Enkle spenningsregulatorer
En spenningsregulator brukes til å trappe ned inngangsspenningen til ønsket nivå og holde den stabil. Den kan også brukes til å regulere utgangsspenningen. Zenerdiode brukes vanligvis som en spenningsregulator fordi den er utformet for å fungere under omvendt skjevhet. Den oppfører seg som en vanlig signaldiode når den er foroverrettet. Hvis en omvendt spenning påføres, spenningen holdes konstant.
I figuren over er strømmen i dioden begrenset av seriemotstanden koblet til kretsen. Siden dioden er koblet til den positive terminalen på forsyningen, fungerer den som en revers forspenning som også kan fungere under sammenbruddsforhold. En høyeffektsdiode brukes vanligvis fordi den kan håndtere revers forspenning over sin sammenbruddsspenning. Zenerdiodestrømmen vil alltid være på et minimum hvis minimum inngangsspenning og maksimal belastningsstrøm brukes. Gitt inngangsspenningen og den nødvendige utgangsspenningen, kan vi bruke Zener-dioden med en spenning omtrent lik lastspenningen.
Spenningsstabilisatorer
Strømmen som går gjennom Zener-dioden reduseres til fordel for laststrømmen når lastmotstanden kobles parallelt med Zener-dioden. Mengden strøm som flyter i den er viktig fordi den er nøkkelen til stabilisering. Når du ser på strømspenningskurven for Zener-dioder, vil du legge merke til en kraftig økning over sammenbruddsspenningen som beviser at den er best til å stabilisere små likespenninger. Strømmen øker mens diodens motstand avtar. Derfor er spenningen ved Zener-dioden nesten den samme. Vanligvis kobles en motstand til for å sikre at maksimalt tillatt dissipasjonseffekt ikke overskrides.
Konverter AC til DC
Dioder brukes vanligvis til å konstruere forskjellige typer likeretterkretser som halvbølge-, fullbølge-, sentertappede og fullbrolikerettere. En av diodens hovedapplikasjoner er retting av vekselstrøm til likestrøm.
Under den positive halvsyklusen til inngangsforsyningen blir anoden positiv i forhold til katoden. Dioden vil være i foroverforspenning da resulterer at strøm flyter til lasten. I løpet av den negative halvsyklusen til den sinusformede inngangsbølgen blir imidlertid anoden negativ i forhold til katoden. Dermed vil dioden være i revers bias og ingen strøm vil flyte til lasten. Utgangsspenningen vil være en pulserende likestrøm når både spenning og strøm på lastsiden har én polaritet. Belastningen er resistiv i den positive halvsyklusen og spenningen over belastningsmotstanden vil være den samme som forsyningsspenningen. Belastningsstrømmen vil være proporsjonal med spenningen som påføres, og den sinusformede inngangsspenningen vil være ved belastningen.
Mest brukte diode typer
Zener dioder
Zenerdioder er sammensatt av sterkt dopet PN-kryss som leder i motsatt retning når en viss spesifisert spenning er nådd. Den lar også strøm flyte i enten forover eller omvendt retning. Den brukes ofte til overspenningsdempere, spenningsregulering, referanseelementer og andre svitsjeapplikasjoner og klippekretser.
Schottky dioder
Schottky-dioder har et lavt spenningsfall fremover, men med en veldig rask koblingshandling. En halvleder-metallforbindelse dannes mellom metallet og halvlederen som skaper en Schottky-barriere. Det er et lite spenningsfall over diodeterminalene når en strøm går gjennom dioden. Jo lavere spenningsfall, desto bedre systemeffektivitet og høyere koblingshastighet. De vanligste bruksområdene til Schottky-diodene er radiofrekvens, likerettere i noen strømapplikasjoner og miksere.
Lysemitterende diode (LED)
I en diode dannet av en direkte båndgap-halvleder, for eksempel galliumarsenid, sender ladningsbærere som krysser krysset ut fotoner når de rekombinerer med majoritetsbæreren på den andre siden. Avhengig av materialet kan bølgelengder (eller farger) fra infrarød til nær ultrafiolett produseres.
De første lysdiodene var røde og gule, og høyere frekvensdioder har blitt utviklet over tid. Alle lysdioder produserer usammenhengende, smalspektret lys; «hvite» lysdioder er faktisk blå lysdioder med gult scintillatorbelegg eller kombinasjoner av tre lysdioder i en annen farge. Lysdioder kan også brukes som laveffektive fotodioder i signalapplikasjoner. En LED kan pares med en fotodiode eller fototransistor i samme pakke, for å danne en optoisolator.
Fotodioder
Alle halvledere genererer ladning når de utsettes for lys. Dette er vanligvis en uønsket effekt, så de fleste halvledere er pakket i lysblokkerende materiale. Fotodioder er ment å oppdage lys (fotodetektor), så de er pakket i materialer som lar lys passere gjennom, og er vanligvis PIN-koder (den typen diode som er mest følsomme for lys). En fotodiode kan brukes i solceller, fotometri eller i optisk kommunikasjon.
Likeretterdioder (Rectifier diode)
Likeretterdioder kan være partiske (biased) eller objektive (unbiased). Likeretterdioden blir objektiv når det ikke tilføres spenning til den. I løpet av denne tiden har P-siden flertallet av ladningsbærerhull og svært få elektroner mens N-siden har flertallet av elektroner og svært få hull. På den annen side blir den forspent når den positive terminalen til en spenningskilde er koblet til P-type-siden, og den negative terminalen er koblet til N-type-siden. Det vil være i revers forspenning når den positive terminalen til kildespenningen er koblet til N-type-enden, og den negative terminalen til kilden er koblet til P-type-enden av dioden. Det vil ikke være noen strøm gjennom dioden bortsett fra omvendt metningsstrøm fordi uttømmingslaget til krysset blir bredere med økende omvendt forspenning. Likeretterdioder brukes ofte som en komponent i strømforsyninger som konverterer AC-spenningen til DC-spenning.
Følgende er noen av diodene vi har på lager av denne typen: 1N4001, 1N5406 og SF28.
Signaldioder
Signaldioder brukes ofte til å oppdage signaler. De har vanligvis lav maksimal strømstyrke og middels høy fremspenning. En av de mest konvensjonelle bruksområdene for en signaldiode er som en grunnleggende diodebryter.
Germaniumdioder
Germaniumdioder har et iboende lavt foroverspenningsfall, typisk 0,3 volt. Å ha lavt spenningsfall fremover resulterer i et lavt effekttap og en mer effektiv diode som gjør den bedre på mange måter enn en silisiumdiode. Det er viktigere i miljøer med svært lavt signal, for eksempel ved signaldeteksjon fra lyd til FM-frekvenser og i logiske kretser med lavt nivå. Germaniumdioder har større lekkasjestrøm for germanium ved omvendt spenning enn for silisium.
Koblingsdioder (Junction diode)
Koblingsdioder er en av de enkleste halvlederenhetene. Men i motsetning til andre dioder, oppfører de seg ikke lineært med hensyn til den påførte spenningen. Dioder har et eksponentielt strømspenningsforhold. Den dannes når en halvleder av P-type kombineres til en halvleder av N-type og skaper en potensiell barriere over diodekrysset.