Egyszerű elektronika: Dióda

A félvezetők napjainkra az elektronikai eszközök lelkét adják: a dióda, a tranzisztor vagy a komplexebb áramkörök - mint az integrált áramkörök - teljesen körbevesznek minket. Ami eddig történt, az kicsivel több, mint fél évszázad eredménye.

Nem is lenne lehetséges, hogy a félvezetőkről a dióda vagy a bipoláris tranzisztor nélkül készüljön el egy cikksorozat. Így ezen eszközök kerülnek mostantól terítékre. Elsősorban a diódáról kell beszélni: ez egyszerűen nem más, mint egy egyirányú vezető. A szimbolikus rajza is ezt mutatja be (a nyitókép). A nyílszerű szimbólum az áram folyásirányát mutatja - azaz az áram a + felől a - felé folyik. Ha elfeleted, hogy melyik az anód és melyik a katód, akkor az ABC-t hívd segítségül: az áram iránya az ABC betűsorrendjével egyezik meg. (Anódtól a Katód (Cathode) felé folyik).

Védelem

A diódák az áramkörök védelmét is el tudják látni, mivel az áram folyásirányát meghatározzák... Így egyetlen diódával az áramkör védetté vált. Ha fordított irányban kapja az áramot, egyszerűen lezár. Így megakadályozza az áramkör tönkremenetelét. Ha a vizes analógiát vesszük elő (igaz emlékszel még rá?), akkor egy egyszerű szelepként is rajzolhatjuk:

De a diódának vannak hátrányai is. Az áram átvezetésekor kb. 0.7V feszültség esik rajta: így például 5V tápfeszültség esetén a céláramkörre már csak 4.3V jut. Kisfeszültségű rendszerek, vagy elemes áramkörök esetén a feszültségvesztesség nem megengedhető. Így ez a megoldás nem ad eredményt. De mi lehet a megoldás, ha nem használhatunk soros diódát? Az elektronikáink 3.3V, 5V vagy még kisebb feszültségről üzemelnek - ebben a rartományban kell gondolkodni...

Egy másik megoldásra mutat a rajz pédát:

Ez egy picit csúnya megoldás. Valójában nem védi az áramkört a fordított polaritás ellen, - hanem rövidzárat okoz! Az alapötlet az, hogy már 0.7V esetén a dióda kinyit. És füstöt húz!

Korrekt(ebb) megoldás, ha a betáp ágban legalább egy védőbiztosítékot helyezünk el, mivel ekkor a dióda ennek a kiégését gyorsítja. Biztosíték nélkül a nagy rövidzárási áram tüzet okozhat! Néhány rendszer ezt a biztosítékkal megerősített rövidzár alapú védelmet használja. A trükk az, hogy biztosíték helyett regenerálódó biztosítékot használhatunk.

A rövidzár alapú védelem - ha nem kellő körültekintéssel készült - nagyon veszélyes lehet. Ha például LiPo akkuról használjuk az áramköreinket, akkor a rövidrezárási áram óriási lehet! Ha elemet vagy falitápot használunk, az csak néhány ampert jelent. Azonban LiPo esetén 25-30A biztosan átmegy az áramkörön! Így a bemeneten levő diódát erre kell méretezni! De az egész áramkört, csatlakozót, mindent. Ennek hiányában a füst, illetve tűz garantáltan kódolt a rendszerben! A nyomtatott áramkör rézfóliája is egyszerűen elfröccsenhet a helyéről! Az első megoldást adó soros dióda a szabályozatlan tápágban viszont megfelelő védelem lehet biztosíték nélkül és "korlátlan energia" esetén. A soros diódás védelem mégiscsak elegánsabb megoldás. Csak sok esetben a 0.7V feszültségesés nem engedhető meg.

Tipp: ilyen esetekre alkalmas a schottky dióda, mivel ezen a feszültségesés fele a normál diódának! A 0.3V feszültségesés a legtöbb áramkörben még elfogadható mértéket jelent.

Titkos védelmi vonal

Még van egy megoldás, amivel védhetjük áramköreinket: az "ideális diódával". Igaz ez most csak elméleti síkon mozog, mivel klasszikus diódáról nem beszélhetünk. Az eszköz a MOSFET. Ez az eszköz viszonylag egyszerűen vezérelhető, azonban a szerkezete messze van a diódától. Gyakorlatilag egy vezérelhető ellenállás-nulla ohmos átmenettel. Amin nincs feszültségesés sem.

Fontos! A MOSFET esetén nem tudhatjuk, hogy az áram merre folyik rajta keresztül, ezt külső áramkör segítségével kell megállapítanunk. Egyszerűen a két vége közt meg kell nézni az áram irányát. Ez nem olyan egyszerű megoldás, ám az LTC4413 chip adatlapjából is kipuskázható. A dióda-karakterisztika létrehozása-kialakítása során a környező áramköri részletet is figyelembe kell venni - ez pedig gondos tervezést igényel.


Az ideális dióda karakterisztika

Valós dióda karakterisztika

A grafikon nagyon nagyin jól mutatja a dióda karakterisztikáját: fordított bekötés esetén az áram útját lezárja, míg jó irányba bekötve (kb. 0.7V-tól) vezet. Ám az elméleti és a gyakorlati görbéje erősen eltér. Jónéhány rajz és kép megtalálható még a Wikipedia oldalán (átlapozva a matematikai részt).

A feszültségesés a legtöbb esetben nem gond, mivel külső táplálásról, hálózatról működik az eszközünk. A diódahíd például nagyon hasznos eszköz, mivel a váltóáramból ennek segítségével állíthatunk elő egyenáramot. Az, hogy hogyan történik mindez transzformátor segítségével - nos, erről később lesz még szó.
A dióda működését nem olyan egyszerű elképzelni. A legegyszerűbb, ha a vizes analógiához térünk vissza:

Zener-dióda

A diódáknak egyik különleges fajtája a zener-dióda. Normál diódának tűnik, de fordított bekötés esetén csak alacsony feszültséget bír ki. A normál diódák 30-100-1000V fordított feszültséggel is megbírkóznak - ezért pl. hálózati egyenirányítónak is alkalmasak. Azt, hogy milyen feszültséget bír fordított üzemmódban az eszköz, azt letörési feszültségnek (vagy Zener-feszültségnek) hívjuk. Ha a letörési feszültséget tervezzük és erre készítjük fel specifikusan az eszközt - akkor meg is született a Zener-dióda! A letörési feszültség 2..200V közt lehet, megy egy adott eszközre jellemző fix érték.

Tipp! A Zener-diódával egyszerű, kisáramú feszültségszabályzó hozható létre. A zener-dióda bekötése miatt folyamatosan a letörési feszültségen üzemel. Amíg elegendő áram folyik át a zener-diódán, addig a feszültség fix marad (ohm-törvénye!). Például, ha az ellenállás 100 ohmos és a zener-dióda 5.0V kivitelű, akkor a betáp feszültség 6..9V közé essen. Ekkor 6V-on az átfolyó áram: (6V-5V)/100ohm=10mA. 9V-on (9V-5V)/100ohm=40mA.

A megoldás, hogy szabáyzott feszültségű rendszert hozzunk létre - nagyon egyszerű: az eszközünket kössük  párhuzamosan a Zener-diodával. Így mindig 5V lesz a feszültség. Ám, ha a megvalósítást elemezzük:

  • 6V betáp esetén az ellenállás "megeszik" 1V-ot, a maradék a Zener-diódán van,
  • Ha az áramkörünk 10 mA-t vesz fel, 0 mA marad a zener-diódára,
  • Ha az áramkörünk 5 mA-t vesz fel, 5 mA folyik a Zeneren keresztül,
  • Ha az áramkörünk nem vesz fel áramot, akkor mind a 10 mA a Zeneren folyik keresztül.

Ha 9V a betáp-feszültség, 40 mA-re nő az áramerősség, így...

  • ... az 5V stabilizált ágon max. 40mA vehető ki.

Tuti! Sikerült ezzel egy egyszerű feszültségszabályzott áramkört összerakni!

De a hátránya az áramkörnek, hogy nem valami energiatakarékos. Ha 6V betápunk van és nő a kivett áram, akkor 10 mA után a feszültség el kezd csökkenni.
Másik hátrány, hogy a meghajtás árama állandó. Hiába veszünk ki kevesebbet terhelésként, az elfogyasztott áram azonos. Legfeljebb kevésbé fűt a rendszer....

A későbbi leckében egy tranzisztorral megfejelt kapcsolás is előkerül. Ezzel a rendszer hatékonysága, hatásfokát javítjuk, valamint nagy áramot is kinyerhetünk belőle.

TavIR-Facebook