Диод пропускает ток в одну сторону и не пропускает в другую. Из этого простого свойства выросло целое семейство приборов: выпрямительные, Шоттки, стабилитроны, импульсные, защитные. Одной емкости мало, чтобы выбрать нужный, у каждого типа свой характер и своя задача, а ошибка в подборе оборачивается перегревом или выходом схемы из строя. В статье разберем виды диодов, их ключевые характеристики с реальными числами и правила выбора под конкретную задачу.
Содержание
- Что такое диод и как он работает
- Главные характеристики диода
- Выпрямительные диоды
- Диоды Шоттки
- Стабилитроны
- Импульсные и быстрые диоды
- Светодиоды
- Защитные диоды: TVS и обратный
- Сравнительная таблица типов
- Как определить катод и маркировку
- Как выбрать диод под задачу
- Частые вопросы
Что такое диод и как он работает
Диод это полупроводниковый прибор с двумя выводами: анодом и катодом. Его главное свойство односторонняя проводимость. Если подать плюс на анод, а минус на катод, диод открывается и пропускает ток. Поменяйте полярность, и он закроется, ток не пойдет. Такое подключение называют прямым и обратным включением.
В основе большинства диодов лежит электронно-дырочный переход, тот самый p-n переход между двумя областями полупроводника с разным типом проводимости. У перехода есть порог: диод открывается не сразу, а только когда прямое напряжение превысит некоторую величину. Для кремния это примерно 0,6-0,7 В, и это падение напряжения на открытом диоде, о котором мы подробно поговорим ниже.
Обратное напряжение диод выдерживает до определенного предела. Если превысить максимально допустимое обратное напряжение, переход пробивается. Для обычного диода это гибель, а вот для стабилитрона рабочий режим, на этом различии построена целая ветвь семейства. На схемах диод обозначают треугольником с чертой, где черта это катод, а в перечне элементов подписывают буквами VD.
Наглядно поведение диода описывает его вольт-амперная характеристика, график зависимости тока от напряжения. На прямой ветви ток почти не течет, пока напряжение не дойдет до порога открытия, а после него резко нарастает. На обратной ветви ток близок к нулю вплоть до напряжения пробоя, за которым он лавинообразно растет. Форма этой кривой у разных типов диодов отличается, и именно она определяет, для чего годится конкретный прибор.
Главные характеристики диода
Чтобы осмысленно выбирать диод, нужно понимать четыре ключевых параметра.
- Прямое падение напряжения. Сколько вольт теряется на открытом диоде. У кремниевого выпрямительного это 0,6-0,7 В, у Шоттки заметно меньше, 0,2-0,5 В, у германиевого 0,2-0,3 В. Чем меньше падение, тем меньше потери и нагрев.
- Максимальный прямой ток. Ток, который диод пропускает длительно без перегрева. Превышение ведет к перегреву перехода и пробою.
- Максимальное обратное напряжение. Предел, который диод держит в закрытом состоянии. Выбирают с запасом относительно напряжения в цепи.
- Время обратного восстановления. Насколько быстро диод закрывается при смене полярности. Для сети 50 Гц оно неважно, а вот в импульсных схемах решает все: медленный диод там просто не успевает закрываться.
По прямому току диоды делят на три класса: слаботочные до 0,3 А в пластиковом корпусе, средней мощности от 0,3 до 10 А в металле с жесткими выводами, и силовые свыше 10 А, что выглядят как таблетка или штырь и требуют радиатор.
Выпрямительные диоды
Самый массовый тип. Их задача превращать переменный ток в постоянный, отсекая одну полуволну. Отсюда и название: они выпрямляют ток в блоках питания. Главные параметры для них это максимальный прямой ток и обратное напряжение, а вот быстродействие некритично, потому что работают они на низкой частоте сети 50 Гц.
Классика жанра это серия 1N400x: например, 1N4001 держит 50 В при токе 1 А, а 1N4007 те же 1 А, но уже 1000 В. Один диод дает однополупериодное выпрямление, пропуская половину синусоиды. Чтобы использовать обе полуволны, четыре диода собирают в мостовую схему, ее же продают готовым диодным мостом в одном корпусе. Кремний как материал здесь предпочтителен за устойчивость к нагреву.
Диоды Шоттки
Вместо обычного p-n перехода у них контакт металл-полупроводник, и это дает два важных преимущества: малое прямое падение 0,2-0,5 В и очень высокое быстродействие, почти без заряда обратного восстановления. Меньше падение при том же токе означает меньше потерь и меньше нагрев.
Поэтому диоды Шоттки незаменимы в импульсных блоках питания, DC-DC преобразователях и низковольтных цепях, где важен каждый десятый вольта. Ходовой пример 1N5819 на 40 В и 1 А. Есть и плата за скорость: у Шоттки выше обратный ток утечки и обычно меньше допустимое обратное напряжение, чем у классических выпрямительных диодов. Поэтому в высоковольтных цепях их применяют реже.
Стабилитроны
Стабилитрон, он же диод Зенера, работает наоборот, в обратном включении, и использует то, что для обычного диода смертельно, режим пробоя. На обратной ветви его характеристики есть участок, где напряжение почти не меняется при широком диапазоне тока. Это и есть напряжение стабилизации, ради него прибор и создан.
Включают стабилитрон в обратной полярности последовательно с балластным резистором, который задает ток. Посчитаем на примере: нужно получить 5,1 В от источника 12 В при токе стабилизации 10 мА. Балластный резистор равен разнице напряжений, деленной на ток: (12 минус 5,1) делить на 0,01, получаем 690 Ом, берем ближайший стандартный 680 Ом. Мощность на нем всего около 70 мВт, так что хватит резистора на 0,25 Вт. Как подобрать сам резистор, разбирали в статье о видах резисторов. Стабилитроны применяют как источники опорного напряжения и для защиты от перенапряжения, ходовой пример 1N4733A на 5,1 В.
Импульсные и быстрые диоды
Это диоды, заточенные под высокую частоту и быстрое переключение. Их отличает малое время обратного восстановления: они успевают закрыться там, где обычный выпрямительный уже не справляется. Малосигнальный импульсный 1N4148 это, пожалуй, самый известный диод в любительской электронике, он стоит в логических цепях, детекторах, схемах формирования сигналов.
Для силовых импульсных цепей выпускают быстрые и ультрабыстрые выпрямительные диоды, они сочетают приличный ток с коротким восстановлением. Их место в импульсных блоках питания и преобразователях, где обычный сетевой диод грелся бы и терял энергию на каждом переключении.
Светодиоды
Светодиод это тоже диод, только его p-n переход при протекании прямого тока излучает свет. Проводимость у него такая же односторонняя, но прямое падение заметно выше, чем у обычных диодов, и зависит от цвета: примерно от 1,8 В у красного до 3,4 В у синего и белого. Из-за этого светодиод всегда включают через токоограничивающий резистор, иначе он сгорит.
Тема светодиодов обширна, у нас ей посвящена отдельная статья про характеристики и подключение светодиодов с расчетом резистора. Там же разобрано, как посчитать номинал ограничивающего резистора под конкретный светодиод и напряжение питания.
...