Диоды: виды, назначение и типовые схемы включения
Выпрямительные диоды, стабилитроны, диоды Шоттки, светодиоды и фотодиоды: чем они различаются и где применяются.
Как работает диод
Задача диода формулируется одной фразой: пропускать ток в одном направлении и не пропускать в обратном. Внутри корпуса находятся два электрода из разных материалов, у одного электронов не хватает, у другого избыток. Граница между ними называется P-N переходом. Когда плюс подан на анод, переход проводит ток, когда на катод - ведёт себя как диэлектрик.
При такой простоте разновидностей диодов очень много, и применяются они практически в любом электронном устройстве.
Универсальный (выпрямительный) диод
Маломощный выпрямительный диод обычно выглядит как одноцветный, чаще чёрный цилиндр с поперечной полосой у катода. В SMD-исполнении корпус ещё меньше, полоса также отмечает катод. Силовые диоды на большие токи гораздо массивнее, у них анод находится со стороны гибкого вывода.
Основные задачи такого диода:
- Выпрямление. Четыре диода, собранные в диодный мост, превращают переменный ток в постоянный; после моста напряжение остаётся сгладить и привести к нужной величине.
- Защита от переполюсовки. Если питание подключено наоборот, остальная схема не пострадает.
- Защита от индуктивных выбросов. Электромотор и многие другие нагрузки после отключения некоторое время сами вырабатывают ток обратного направления, опасный, в частности, для транзисторов. Диод ставят параллельно такой нагрузке в обратном включении. С индуктивными элементами он обязателен.
- Детектор. Вместе с конденсатором диод выделяет сигнал нужной частоты, что применялось для приёма амплитудно-модулированных сигналов в аналоговых радиоприёмниках и телевизорах.
На универсальном диоде теряется порядка 0,7-0,8 В, и это нужно учитывать при проектировании. Иногда падение используют намеренно. Например, GSM-модулю SIM800L требуется питание от 3,4 до 4,4 В: при меньшем он работает нестабильно, при большем перегревается и сгорает. Один-два диода в цепи питания снижают напряжение до безопасного; то же советуют делать для сигнального входа RX. Способ простой, но не лучший.
Исправность диода проверяют мультиметром в режиме омметра: при красном щупе на аноде и чёрном на катоде цепь проводит, при обратном подключении прибор показывает разрыв (OL на цифровых моделях). Иная картина означает, что диод испорчен.
Стабилитрон
Стабилитрон, или диод Зенера, в отличие от обычного диода пропускает обратный ток, когда напряжение превышает заданное для него значение. Его намеренно включают в обратном направлении, и он, подобно перепускному клапану, сбрасывает излишек на минус. Если на входе напряжение выше номинала, на выходе получается стабильное напряжение, равное номиналу стабилитрона.
Это один из самых простых способов понизить напряжение, если правильно рассчитать мощность стабилитрона и токоограничивающий резистор. Схема к тому же отличается высокой точностью и применяется при калибровке измерительных приборов. Стабилитроны выпускаются на разные напряжения и мощности. Важно помнить, что они только ограничивают напряжение и поднять его до номинала не способны. Для питания SIM800L этот вариант предпочтительнее цепочки диодов: напряжение получается стабильнее и точнее. Работать как обычный диод стабилитрон может, пока напряжение заведомо ниже его номинала.
Диод Шоттки
Диод Шоттки, он же сигнальный, внешне не отличается от универсального. Его преимущества - очень высокое быстродействие и малое падение напряжения, всего 0,2-0,3 В. Недостатки - небольшое максимальное напряжение и неспособность восстановиться после пробоя. Такие диоды применяют в блоках питания, импульсных стабилизаторах, приёмниках и передатчиках цифровых сигналов, то есть там, где важна скорость и нежелательны потери.
Светодиод
Светодиоды служат источниками света, в том числе невидимого, и индикаторами. Использовать их как обычный диод для ограничения направления тока нельзя: при обратной полярности светодиод быстро выходит из строя. Внутреннее сопротивление у него очень мало, поэтому и в правильной полярности без токоограничивающего резистора он сгорит. Номинал резистора рассчитывают исходя из типа светодиода и напряжения питания.
Трёхцветный светодиод - это три кристалла в одном корпусе, и каждому нужен свой резистор. Адресный светодиод дополнительно содержит собственный ШИМ-драйвер и необходимые резисторы. У нового светодиода длинный вывод - анод; если выводы обрезаны, полярность определяют по внутренним электродам: анод намного меньше катода. Обычные светодиоды включаются и выключаются за сотню-другую наносекунд, чего достаточно для анимации и передачи данных.
Фотодиод
Фотодиод работает в двух режимах. Как генератор он преобразует свет, обычно солнечный, в электричество с КПД около 20%. Как детектор освещённости он включается в обратной полярности и улавливает даже очень слабый свет, что в ряде случаев полезнее, чем применение фоторезистора.