Dioda

Bine te-am găsit !
Componentele folosite în electronică sunt de două tipuri: pasive şi active. În momentul în care sunt parcurse de un curent electric, cele pasive îşi păstrează constanţi parametrii electrici (rezistenţă, capacitate şi inductanţă) indiferent de tensiunea electrică aplicată la borne. În contrast, parametrii electrici ai componentelor active sunt foarte sensibili la valoarea şi sensul tensiunii electrice aplicată la borne. Pentru început vom vorbi despre cel mai simplu exemplu de componenta activă, şi anume despre diodă. Prin urmare, astăzi vom afla:
  • Ce este dioda ?
  • Cum funcţionează o diodă ?
  • Notarea diodelor
  • Parametrii diodei
  • Principalele tipuri de diode:
    • Dioda redresoare
    • Dioda Zenner
    • Dioda varicap
    • Dioda Shottky
    • Dioda Tunnel
    • Fotodioda
    • LED-ul
Ce este dioda ?
Este o componentă electronică a cărei rezistenţă electrică depinde de valoarea şi de sensul tensiunii aplicate între cele două borne ale acesteia. Mai concret, principala proprietate a unei diode este aceea că lasă curentul electric să treacă doar într-un singur sens. Echivalentul ei mecanic este supapa (de sens).
Din punct de vedere fizic, dioda este compusă dintr-o joncţiune PN, despre care am vorbit pe larg.
Spre deosebire de rezistenţe, bobine şi condensatorii nepolarizaţi, bornele unei diode au semnificaţii diferite şi de aceea fiecare a primit un nume special – anod şi catod. Simbolul general al unei diode este prezentat în figura 1, unde este arătat care bornă este anodul şi care catodul.
Dioda - simbolizare generală
Figura 1. Dioda – simbolizare generală
Dacă te uiţi atent la simbolul diodei, pare că este compus dintr-o săgeată care străpunge o barieră (bara aia verticală din dreapta triunghiului). Este important să ţii minte că sensul săgeţii din simbolul diodei arată sensul în care dioda permite trecerea curentului electric. Cu alte cuvinte, dioda poate fi conectată într-un circuit în două moduri:
  • polarizare directă (în care dacă legăm plusul la anod şi minusul la catod, dioda conduce curentul electric);
  • polarizare inversă (în care dacă legăm plusul la catod şi minusul la anod, dioda nu conduce curentul electric).
Dioda în polarizare directă şi în polarizare indirectă
 Figura 2. Dioda în polarizare directă şi în polarizare indirectă
În figura 2 sunt schematizate cele două moduri posibile de conectare a unei diode într-un circuit. Până acum am considerat dioda într-o situaţie idealizată: dacă este polarizată direct va conduce curentul electric (adică va avea rezistenţa electrică egală cu zero) iar dacă este polarizată invers nu va conduce curentul electric (adică va avea o rezistenţă electrică infinit de mare).
În realitate nimic nu e perfect, nici măcar dioda. Când este polarizată direct, rezistenţa ei electrică nu este chiar zero, iar când este polarizată invers dioda lasă să treacă un mic curent, chiar dacă acesta este extraordinar de mic.
Cum funcţionează o diodă ?
Aşa cum se vede în figura 2, dioda lasă să treacă un curent direct (Id) atunci când este polarizată direct şi un curent invers minuscul (Ii) atunci când este polarizată invers. Am spus la începutul articolului că funcţionarea diodei este similară cu cea a unei supape de sens. Hai să detaliem acest fapt aruncând o privire pe graficul din figura 3.
Diagrama tensiune-curent a unei diode
Figura 3. Diagrama tensiune-curent a unei diode
Linia roşie arată ce curent (Idiodă) apare în diodă atunci când la borne îi punem o anumită tensiune (Udiodă). Observăm că linia asta nu este chiar simplă, aşa că pentru a o înţelege mai uşor am împărţit graficul în patru zone. Fiecare din aceste zone este delimitată de valorile de pe axa Udiodă la care se întâmplă ceva important cu linia roşie. După cum poate ai intuit deja, în zonele A şi B dioda este polarizată invers iar în zonele C şi D este polarizată direct.
Zona C. Această zonă arată că dacă la bornele diodei băgăm orice tensiune între 0 V şi Vp (în polarizare directă), aceasta nu va lăsa să treacă nici un curent. Vp este ceea ce se numeşte “tensiune de prag” sau “tensiune de deschidere (a diodei)”. Vp ţi-l poti imagina ca fiind un arc care ţine o supapă presată în locaşul ei: dacă presiunea fluidului blocat de supapă este mai mică decât forţa arcului, supapa nu se va deschide iar dacă presiunea fluidului depăşeşte forţa arcului, supapa se va deschide.
Zona D. Cuprinde zona în care diodei îi este aplicată o tensiune mai mare decât Vp (tot în polarizare directă). Se observă că cu cât încercăm să-i dăm o tensiune mai mare decât Vp, cu atât curentul prin ea creşte mai mult. Trebuie să subliniez că după ce depăşim Vp, curentul prin diodă creşte extraordinar de repede. Asta înseamnă că dacă unei diode încercăm să îi aplicăm o tensiune cu doar foarte puţin peste Vp, rezistenţa electrică a acesteia va scădea până foarte aproape de 0 ohmi (adică dintr-un dispozitiv izolator devine brusc unul foarte bun cu o foarte bună conductivitate electrică).
Ca să fiu şi mai sigur că ai înţeles, imaginează-ţi că dioda este un pahar gol şi că Vp este înălţimea buzei paharului. Pentru orice nivel de umplere între zero şi Vp, din pahar nu va curge nimic. Dacă însă ridici nivelul lichidului din pahar până la Vp, o să vezi că lichidul va începe să curgă din pahar. Ghici ce se întâmplă dacă încerci să ridici nivelul lichidului din pahar peste Vp ? Va creşte nivelul lichidului ? Bineînţeles că nu ! Nivelul lichidului va rămâne doar puţin peste Vp însă viteza cu care lichidul va curge din pahar va creşte. Asta înseamnă că practic oricât te-ai strădui să creşti nivelul lichidului peste Vp, nu vei reuşi decât să îţi inunzi rapid casa.
Tradusă în cazul diodei, această analogie arată că în polarizare directă dioda nu te va lăsa niciodată să îi bagi o tensiune cu mult mai mare decât Vp. Cu alte cuvinte, atâta timp cât o diodă este deschisă, tensiunea de la bornele ei va fi ÎNTOTDEAUNA doar cu foarte foarte puţin mai mare decât Vp.
Zona B. Este zona în care dioda este polarizată invers cu tensiuni între 0 şi Vs, unde Vs este tensiunea de străpungere, adică tensiunea la care izolaţia diodei polarizare invers cedează. Nu cred că este nevoie să detaliez mai mult decât că în această zonă dioda nu lasă practic să treacă nici un curent.
Zona A. Este zona în care diodei polarizate invers i se aplică tensiuni mai mari decât poate ea suporta (Vs). Ce se întâmplă în această situaţie ? Cu cât încercăm să băgăm tensiuni mai mari decât Vs, cu atât curentul prin diodă va fi mai mare. Curentul provocat de depăşirea Vs creşte la fel ca şi în cazul lui Vp, adică extraordinar de repede. Asta înseamnă că în polarizare înversă, nu putem depăşi decât cu foarte puţin tensiunea Vs.
Notarea generală a diodelor
Prin notarea generală vreau să înţelegi cum anume recunoşti o diodă într-un cablaj imprimat sau într-o cutie cu piese electronice culese de cine ştie unde.
Pentru cele de mare putere este cel mai simplu: indiferet de capsula sub care le întâlneşti, indiferent de tipul ei, mereu vei găsi pictat pe ea simbolul general al diodei (cel din figura 1).
În cazul celor de mică putere, nu prea este spaţiu pentru pictarea simbolului diodei. De aceea, în cazul lor singurul indiciu că avem de a face cu o diodă este un inel plasat la unul din capetele piesei, inel care are evident altă culoare decât restul suprafeţei. În plus, acest inel îţi arată că borna din imediata lui apropiere este catodul diodei (vezi figura 4).
Indicarea catodului pe diodele de mică putere
Figura 4. Indicarea catodului pe diodele de mică putere
La LED-uri şi fotodiode nu mai este valabilă regula cu inelul. Nu mă îndoiesc că ştii deja cum arată capsula unui led, aşa că dacă ai unul nou şi vrei să-i afli care-i sunt anodul şi catodul, află că piciorul mai lung este de regulă anodul. Dacă este vorba de un led mai vechi, cel mai bine îl controlezi cu un ohmetru (presupunând că acesta poate da tensiuni cel puţin egale cu Vp-ul LED-ului).
Parametrii diodei
O foaie de catalog a unei diode poate conţine chiar şi zeci de parametri, însă doar puţini dintre ei au o importanţă critică în practică. Dintre aceştia amintesc:
  • tensiunea de prag (pe care eu am notat-o cu Vp). Este tensiunea de deschidere a diodei. În cazul celor fabricate din oxid de siliciu (adică cele mai întâlnite la ora actuală) Vp=~0,6 – 0,7V;
  • tensiunea de străpungere (pe care eu am notat-o cu Vs). Pentru o diodă polarizată invers, este tensiunea la care izolaţia acesteia cedează;
  • curentul diodei. Este intensitatea maximă a curentului pe care dioda îl poate suporta în mod continuu (fără să se distrugă). Uneori foile de catalog arată şi valorile maxime ale curentului instantaneu, adică valoarea curentului maxim pe care dioda îl poate suporta pentru un timp foarte scurt;
  • timpul de revenire. Reducerea tensiunii unei diode polarizate direct sub Vp nu opreşte instantaneu curentul electric prin diodă. Timpul de revenire arată tocmai timpul necesar unei diode să treacă din starea de conducţie în starea blocată. Este un parametru important doar în aplicaţii de înaltă frecvenţă;
  • capacitatea electrică.
Principalele tipuri de diode
Parametrii diodelor pot fi dictaţi într-o anumită măsură prin procesul de fabricaţie şi astfel de-a lungul timpului au fost dezvoltate mai multe categorii de diode. În figura 5  este prezentată simbolizarea principalelor tipuri de diode iar mai jos ai o scurtă descriere a fiecăreia din acestea.
Simbolizarea principalelor categorii de diode
Figura 5. Simbolizarea principalelor categorii de diode
Dioda redresoare
Este cel mai întâlnit tip de diodă. Este folosită în principal la redresarea curentului alternativ, adică la obţinerea curentului continuu din curent alternativ.
Dioda Zenner
Singura diferenţă funcţională a diodei Zenner faţă de o diodă obişnuită este faptul că diodele Zenner sunt construite în aşa fel încât tensiunea de străpungere să aibă valori foarte precise. Astfel putem găsi diode Zenner de 1,2V, 2,7V, 3,3V, 5V, 10V, 12V, 15V şi tot aşa mai departe. În rest, funcţionează la fel ca o diodă redresoare, adică în polarizare directă tot la tensiunea Vp se deschide. Principala lor aplicaţie este ca “etalon de tensiune” în construcţia stabilizatoarelor de tensiune.
Dioda varicap
Varicap vine de la Variable Capacitor (condensator variabil). Atunci când sunt polarizate invers, capacitatea electrică a diodelor variază odată cu tensiunea. Asta înseamnă că, în polarizare inversă, diodele pot fi folosite ca şi condensatoare variabile controlate nu de vreun buton mecanic ci de o tensiune electrică (ce poate veni de exemplu de la un microprocesor). Diodele varicap sunt optimizate acestui scop. Acum nu-ţi închipui că este vorba de cine ştie ce capacitate – este vorba de valori mici, însă iscusit folosite pot de exemplu să înlocuiască funcţia condensatorului variabil cu care acum 20 de ani căutai frecvenţa postului radio dorit.
Dioda Shottky
Ca şi dioda redresoare, dioda Shottky este o diodă frecvent folosită la redresarea curentului alternativ. Cu ce e mai bună dioda Shottky decât cea redresoare ? Cu faptul că are tensiunea de deschidere (Vp) şi timpul de revenire de valori mult mai mici. Asta înseamnă că pe ele se pierde mai puţină putere electrică şi că pot fi folosite la redresarea curenţilor de frecvenţe ridicate. Ah, şi evident că sunt şi ceva mai scumpe :D.
Dioda Tunnel
Este o diodă cu care nu am avut de-a face practic până acum însă pentru că este şi ea destul de celebră am făcut o mică documentare pentru amândoi. Pe scurt, am aflat că nu are tensiune de prag (Vp), adică dacă o polarizezi direct, începe să conducă curent imediat după de ai depăşit 0V. Principale ei aplicaţii sunt în domeniul curenţilor cu frecvenţe de ordinul miliardelor de herţi.
Fotodioda
Este o diodă a cărei capsulă are o mică fereastră prin care poate intra lumină. Particularitatea ei este aceea că dacă primeşte suficientă lumină, permite trecerea curentului electric chiar şi în polarizare inversă. Are o destinaţie clară: senzor optic.
LED-ul
Sunt sigur că ştii deja cum arată. Ce poate ştii mai puţin este faptul că este de fapt o diodă, că graficul tensiune-curent prezentat mai sus i se aplică şi lui şi că o parte din energia electrică pe care o consumă o transformă în lumină. Un lucru interesant la el este faptul că tensiunea de deschidere (Vp) depinde de culoarea led-ului (roşu are undeva între 1 şi 2 V, verdele vreo 3V, albastrul 4V şi ceva etc.). Pe lângă aplicabilitatea sa ca sursă de lumină, am observat că este des folosit în locul diodelor Zenner ca şi “etalon de tensiune”. De ce ? Sincer să fiu, încă nu ştiu :P.
Dacă ţi-a plăcut acest articol, distribuie-l mai departe în grupul tău de prieteni !

Niciun comentariu:

Trimiteți un comentariu