obr. 1: Schematická značka diody
Usměrňování: Polovodič typu N Polovodič typu P PN přechod Usměrňovací dioda Usměrňování vysokofrekvenčního proudu Kondenzátor ve střídavém obvodu Graetzovo zapojení Vyhlazení usměrněného proudu Velký usměrňovač Zenerova dioda Zdvojovač napětí
Dioda je jednou ze základních elektronických součástek. Jak plyne z jejího fyzikálního principu ¤, jde o součástku, která "propouští elektrický proud jen jedním směrem". Při zachování jistých podmínek tomu tak skutečně je.
obr. 1: Schematická značka diody
Bereme-li ideální diodu, dá se pro závislost proudu I procházejícího diodou na napětí U na diodě odvodit tzv. diodová rovnice, která má tvar
I=Io(exp(eU/kT)-1),
kde T je teplota PN přechodu, k je Boltzmannova konstanta ¤ a e je náboj elektronu ¤.
Reálná dioda se od ideální poněkud liší. Její VA charakteristika je na obr. 2.
obr. 2: VA charakteristika reálné diody
(Jak tuto VA charakteristiku změřit? Podívejte se zde
¤.)
Jsou vidět dva rozdíly proti diodové rovnici. Předně i při nenulovém napětí na diodě menším než cca. 0,6 V je proud diodou stále nulový a navíc charakteristika není exponenciální. Čím je to způsobeno?
1. I při nenulovém napětí na diodě menším než cca. 0,6 V
je proud diodou stále nulový.
Proud diodou začne procházet teprve tehdy, když
intenzita vnějšího elektrického pole E převýší intenzitu
difuzního elektrického pole Ed (viz. předchozí
kapitolu ¤). Difuzní napětí vytvářené difuzním elektrickým
polem na přechodu má typicky hodnotu právě kolem 0,6 V. Aby diodou začal
procházet proud, musí být vnější napětí větší než difuzní napětí.
2. Charakteristika diody není exponenciální.
Materiál, ze
kterého je dioda vyrobena, má nenulový elektrický odpor a tudíž se chová
částečně jako rezistor. Reálnou diodu můžeme zobrazit v jejím náhradním
schématu jako sériovou kombinaci ideální diody a rezistoru, který představuje
odpor diody (viz obr. 3).
obr. 3: Náhradní schéma diody
Při malém proudu (do asi 1 mA) se ještě neprojevuje ohmický úbytek napětí na diodě a její charakteristika je exponenciální. Při vyšších proudech již ohmický úbytek (úbytek na "rezistoru") převáží a charakteristika se stává lineární jako u běžného rezistoru.
Usměrňovací diody různého typu jsou na obr. 4.
obr. 4: Usměrňovací diody. Zleva dioda PX 15 408 (max. povolený proud 3
A/max. povolené napětí 1000 V), TN 4002 (1 A/1500 V) a hrotová dioda.
Vzhledem ke svým vlastnostem se dioda používá jako prvek, který usměrňuje střídavý proud ¤. Nejjednodušší zapojení je na obr. 5. Jedná se o jednocestné usměrnění.
obr. 5: Usměrňování střídavého proudu
Připojíme-li k rezistoru osciloskop, můžeme sledovat časový průběh napětí na rezistoru (který je úměrný průběhu proudu dle Ohmova zákona U=RI) - viz obr. 6. Konkrétní schéma pokusu je na obr. 7.
obr. 6: Střídavý proud harmonického průběhu s frekvencí 50 Hz usměrněný
diodou PX 15 408 (na obr. 4 první zleva)
obr. 7: Uspořádání pokusu
Záleží při usměrňování střídavého proudu na jeho frekvenci? Odpověď dá provedený pokus. Měňme v pokusu podle obr. 7 frekvenci generátor napětí. Výsledky jsou na obrázcích 8 až 11.
obr. 8: Usměrněný proud o frekvenci 500 Hz.
obr. 9: Usměrněný proud o frekvenci 5000 Hz (5 kHz)
obr. 10: Usměrněný proud o frekvenci 10000 Hz (10 kHz).
obr. 11: Usměrněný proud o frekvenci 22000 Hz (22 kHz).
Je vidět, že při frekvenci napětí 22 kHz je amplituda napětí v kladném směru stejná jako amplituda v záporném směru, i když tvar křivky je jiný. Jak je možné, že dioda neusměrňuje? Prosím, zkuste se nad tím pečlivě zamyslet, pak se můžete podívat na komentář ¤.
I když vyřešíme problém průchodu proudu diodou v závěrném směru, stejně není usměrňování jednou diodou příliš efektivní. Ze střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤
se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz obr. 6 ¤).
První možností je použít diody tak, aby i ze záporné půlvlny proudu "vyrobily" půlvlnu kladnou (v podstatě to znamená udělat ze střídavého proudu jeho absolutní hodnotu). Tento způsob se nazývá dvoucestné usměrnění. Jedno ze zapojení, které toto dokáže, dostalo název Graetzovo zapojení a je na obr. 12.
obr. 12: Graetzovo zapojení
Při obou polaritách zdroje protéká spotřebičem (rezistor R) proud stále jedním směrem (viz obr. 13).
 |
 |
| obr. 13: Průchod proudu Graetzovým zapojením |
Průběh proudu po usměrnění Graetzovým zapojením vypadá takto:
obr. 14: Proud usměrněný Graetzovým zapojením
Otázka: Proč i v tomto zapojení stále existují časové
intervaly, kdy proud spotřebičem neprotéká?
Odpověď...
Jak dosáhnout toho, aby proud byl konstantní a ne tepavý? Dobře si to rozmyslete, odpověď najdete zde ¤.
Diody se používají nejen k usměrňování střídavého proudu, ale i k jiným účelům - viz aplikace ¤.
Další kapitola: Praktická aplikace - použití diody ve velkých usměrňovačích ¤