Dioda

Kako dioda propušta struju samo u jednom smjeru: anoda i katoda, napon vođenja od 0,7 V, zaštita od krivog polariteta, zaštitna dioda uz relej i vrste dioda.

Što je dioda?

Dioda je komponenta koja struju propušta samo u jednom smjeru. Radi kao ventil na zračnici bicikla: zrak pumpom ulazi u gumu, ali ne izlazi van.

Dioda ima dvije nožice: anodu (A) i katodu (K). Struja teče od anode prema katodi. Katoda je označena prstenom na kućištu. Na simbolu diode trokut pokazuje smjer struje, a crtica je katoda, kao prsten na kućištu.

Dioda u strujnom krugu

Na slici su dva ista kruga s baterijom, diodom i žaruljicom. Razlikuju se samo po tome kako je dioda okrenuta:

• lijevo je anoda prema plusu baterije: dioda vodi, struja teče, a žaruljica svijetli,
• desno je dioda okrenuta obrnuto: struja ne može proći, pa žaruljica ne svijetli.

Obrnuto okrenuta dioda nije pokvarena, samo ne propušta struju. Kad je okreneš kako treba, krug proradi.

Napon vođenja

Dioda ne počne voditi čim dobije malo napona. Graf pokazuje struju kroz diodu 1N4007 dok napon na njoj raste:

• Ispod oko 0,5 V kroz diodu gotovo ne teče struja.
• Oko 0,7 V struja naglo raste. Kad dioda vodi, na njoj ostane oko 0,7 V, bez obzira na to teče li 10 mA ili 100 mA. Taj napon se zove napon vođenja.
• Kad je dioda okrenuta obrnuto (negativni napon na grafu), struja je gotovo nula. Dioda 1N4007 tako izdrži do 1000 V. Tek iznad toga probije i ošteti se.

Dioda zato nije otpornik: ne vrijedi za nju Ohmov zakon s jednim stalnim otporom, kao ni za LED-icu, koja je također dioda.

Čemu služe diode?

• Zaštita od krivog polariteta. Dioda u seriji s plusom napajanja propušta struju kad je baterija dobro okrenuta. Kad je netko okrene obrnuto, dioda ne vodi, kao na desnoj strani slike gore, i sklop ostane čitav. Cijena je 0,7 V manje napona za sklop.
• Ispravljanje. Diode od izmjeničnog napona prave istosmjerni: to objašnjava stranica Ispravljači i regulatori napona.
• Zaštita od zavojnice. Dioda uz relej, solenoid ili motor štiti tranzistor koji njima upravlja, kao u odjeljku dolje.
• Matrica prekidača. Diode sprječavaju lažne pritiske tipki kad je pritisnuto više tipki odjednom, kao u lekciji Mnogo prekidača na malo pinova.
• Svjetlo. LED-ica je dioda koja svijetli dok kroz nju teče struja.

Dioda na Arduino radionici

Od ovog mjesta stranica je za Arduino radionicu.

Zaštitna dioda uz zavojnicu

Dioda spojena preko zavojnice, katodom prema plusu, dok tranzistor radi ne vodi, jer je okrenuta obrnuto od napona na zavojnici. Kad zavojnica okrene napon, dioda je okrenuta baš u njegovu smjeru: provede, a struja zavojnice teče u krug kroz diodu i polako se smanji do nule. Napon na zavojnici tada je samo −0,7 V, koliko je na diodi, a kolektor je na 5 V + 0,7 V = 5,7 V.

Graf je izračunat za zavojnicu releja od 70 Ω i 0,1 H na 5 V. Kroz nju teče 71 mA. Kad se tranzistor isključi u trenutku 1 ms, ta struja kroz diodu teče još oko 3 ms i za to vrijeme se smanjuje, a napon na zavojnici ostaje oko −0,7 V. Bez diode napon na zavojnici u trenu padne na oko −58 V, pa je na kolektoru oko 62 V, a mali tranzistor kao BC547 izdrži samo 45 V. Koliko duboko napon padne, ovisi o zavojnici i o tome što se prvo probije; kod većih zavojnica dosegne i stotine volti. Zato uz svaki relej, solenoid i motor stavljamo diodu (zabluda 25).

Vrste dioda

Napon vođenja ovisi o materijalu od kojega je dioda napravljena. Graf pokazuje struju kroz četiri diode iz tablice. Pri 20 mA na Schottkyjevoj diodi ostane 0,22 V, na silicijskoj 0,68 V, na crvenoj LED-ici 1,8 V, a na plavoj 3 V. Sve četiri imaju isti oblik krivulje: dok je napon malen, ne vode, a onda struja naglo naraste.

Zenerova dioda

Obična dioda okrenuta obrnuto ne vodi. Kad obrnuti napon postane prevelik, ona se probije: naglo počne voditi i pritom se ošteti. Zenerova dioda napravljena je baš da se probije, i to pri točno određenom naponu, Zenerovu naponu, a da se ne ošteti, sve dok joj otpornik ograničava struju. Na shemi je prepoznaš po crtici savijenoj na krajevima, kao na slici na vrhu stranice.

Graf pokazuje Zenerovu diodu BZX55C5V1 u oba smjera. Okrenuta u smjeru vođenja (desno) ponaša se kao obična dioda i vodi od oko 0,7 V. Okrenuta obrnuto (lijevo) ne vodi sve dok napon ne dosegne oko 5 V, a onda struja naglo naraste, dok napon ostaje gotovo isti: pri 5 mA je 5,1 V, a pri 30 mA tek 5,4 V. Zato Zenerovu diodu spajamo obrnuto, katodom prema plusu. Oznaka 5V1 znači 5,1 V, i čita se kao 4k7 kod otpornika, a slovo C prije nje toleranciju od ±5 %.

Tipična primjena: jednostavni stabilizator napona. Zenerova dioda i otpornik od napona koji se mijenja daju stalni napon:

Graf pokazuje što se događa na izlazu kad se ulazni napon U₁ mijenja od 0 do 12 V:

Takav stabilizator može dati tek malu struju. Trošilo na izlazu uzima struju koja bi inače tekla kroz Zenerovu diodu, a ovdje je to samo nekoliko miliampera. Zato on služi kao referenca napona ili kao zaštita ulaza: Zenerova dioda od 5,1 V između ulaza Arduina i GND-a, uz otpornik prema signalu, ne dopušta da napon na pinu naraste iznad oko 5 V. Za napajanje sklopova koristimo regulator napona, opisan na stranici Ispravljači i regulatori napona.

Schottkyjeva dioda

Schottkyjeva dioda napravljena je od spoja metala i poluvodiča, a ne od dva sloja poluvodiča kao obična. Zato na njoj ostaje manje napona: prema grafu gore 0,22 V pri 20 mA, oko 0,3 V pri 100 mA i oko 0,47 V pri 1 A, otprilike upola manje nego na silicijskoj diodi. Uz to se brže uključuje i isključuje, pa je u punjačima i prekidačkim regulatorima. Ima i dvije mane: izdrži manji obrnuti napon (1N5819 samo 40 V, a 1N4007 1000 V) i u obrnutom smjeru propušta malo više struje. Na shemi se crta kao obična dioda kojoj je crtica savijena u slovo S.

Tipična primjena: zaštita od krivog polariteta kad je važan svaki volt. Slika pokazuje isti sklop s dvije diode: bateriju od 4,5 V (tri baterije AA), zaštitnu diodu i trošilo od 39 Ω, kojemu treba oko 100 mA:

• sa silicijskom diodom 1N4007 na njoj ostane 0,8 V, pa trošilo dobije samo 3,7 V,
• sa Schottkyjevom diodom 1N5819 na njoj ostane 0,3 V, pa trošilo dobije 4,2 V.

Schottkyjeva dioda pritom pretvara u toplinu i upola manje snage: 0,32 V · 107 mA ≈ 34 mW, a silicijska 0,76 V · 96 mA ≈ 73 mW. Iz istog razloga mali solarni punjači imaju Schottkyjevu diodu između panela i baterije: danju propušta struju u bateriju, a noću ne dopušta da se baterija prazni kroz panel.

Svjetleća dioda (LED)

LED-ica je dioda kao i druge: struju propušta samo od anode prema katodi i ne vodi dok napon ne dosegne napon vođenja. Razlikuje se u tri stvari:

• dok vodi, svijetli, a boja svjetla ovisi o materijalu,
• napon vođenja joj je mnogo veći, od 1,8 V za crvenu do 3 V za plavu i bijelu, kao na grafu gore,
• u obrnutom smjeru izdrži samo oko 5 V. Zato je nikada ne koristimo umjesto ispravljačke ili zaštitne diode.

Kao i svakoj diodi, struja kroz LED-icu naglo raste iznad napona vođenja, pa je uvijek spajamo preko otpornika. Kako ga izračunati, objašnjava stranica LED.

Tipična primjena: ispitivač polariteta. Dvije LED-ice spojene suprotno jedna drugoj pokazuju koja je žica plus:

• Kad je plus na gornjoj žici (lijevo), struja teče kroz zelenu LED-icu, 13 mA, i ona svijetli.
• Kad je plus na donjoj žici (desno), struja teče kroz crvenu, 15 mA.

LED-ice se pritom međusobno štite: na onoj koja ne vodi obrnuti napon je samo napon vođenja druge, oko 2 V, a to je mnogo manje od 5 V koliko smije. Takvim ispitivačem provjeriš koja je žica plus na adapteru ili držaču baterija do 5 V. Za izvore većeg napona treba veći otpornik, na primjer 470 Ω za 9 V.

Granice i toplina

Dioda 1N4007 smije voditi najviše 1 A. I ona pretvara snagu u toplinu: P = 0,7 V · I. Pri 1 A to je 0,7 W, i dioda postane topla.

Ispravnu diodu i njezin smjer lako provjeriš multimetrom: u jednom smjeru pokaže oko 0,6 V, a u drugom OL.

Što smo naučili?

• Dioda propušta struju samo od anode prema katodi. Katoda je označena prstenom na kućištu i crticom na simbolu.
• Silicijska dioda počne voditi tek oko 0,7 V, a dok vodi, na njoj ostane taj napon.
• Diode štite od krivog polariteta, ispravljaju izmjenični napon i sprječavaju lažne pritiske u matrici tipki.
• Zenerova dioda, spojena obrnuto i preko otpornika, drži stalni napon, na primjer 5,1 V.
• Na Schottkyjevoj diodi ostaje manje napona nego na silicijskoj, oko 0,3 V, ali izdrži manji obrnuti napon.
• LED-ica je dioda koja svijetli. Napon vođenja joj je 1,8 do 3 V, a u obrnutom smjeru izdrži samo oko 5 V.
• Uz zavojnicu releja, solenoida ili motora uvijek stavljamo zaštitnu diodu, katodom prema plusu. Bez nje se napon na zavojnici pri isključivanju okrene, a na tranzistoru naraste na desetke ili stotine volti.

Mali kviz

Razgovaraj na Discord-u. (pridruži se)