Diode: Hvad er det? Typer, funktion og anvendelser
Lær hvad en diode er, hvordan den fungerer, typer (LED, diodebro), halvledermaterialer og praktiske anvendelser i strømforsyninger, signalbehandling og elektronik.
En diode er en elektronisk komponent med to elektroder (stik), som tillader elektricitet at gå igennem den i den ene retning og ikke i den anden retning. Det gør dioden til en grundlæggende byggesten i elektronik, fordi den kan styre retningen af strømmen og dermed bruges til ensretning, afskærmning og signalbehandling.
Hvordan virker en diode?
De fleste dioder er baseret på en p–n-overgang i et halvledermateriale. Når dioden er forspændt i fremadretning (anoden er positiv i forhold til katoden), vil elektroner og huller bevæge sig ind i overgangsområdet, og dioden leder strøm. Når den er omvendt spændt, blokerer den for størstedelen af strømmen indtil et højt omvendt brudpunkt.
Praktisk viden:
- Fremadspændingsfald: For en almindelig siliciumdiode ligger fremadspændingsfaldet typisk omkring 0,6–0,8 V. For germanium er det lavere (cirka 0,2–0,3 V).
- Brudspænding: En diodes maksimale omvendte spænding (reverse breakdown) skal ikke overskrides, ellers kan den tage permanent skade.
- Symbol og polaritet: Diodesymbolet viser en trekant pegende mod en streg. Trekanten er anoden, stregen er katoden — fysisk er katoden ofte markeret med en ring på selve diodehylsteret.
- Matematisk modellering: Diodeladningen kan beskrives af Shockley-ligningen, som viser, at strømmen vokser eksponentielt med fremadspændingen (i praksis påvirket af seriemodstand og temperatur).
Typer af dioder
- Rettelysdiode / standarddioder: Bruges til at omdanne vekselstrøm til jævnstrøm, ofte i en diodebro i strømforsyninger.
- Zener-diode: Designet til at gå i brud ved en veldefineret omvendtspænding og bruges som spændingsreference eller til regulering.
- Schottky-diode: Har lavt fremadspændingsfald og hurtig skiftetid — god til effekt- og højfrekvente kredsløb.
- Lysemitterende diode (LED): En diode, der udsender lys, når den leder strøm (LED).
- Fotodiode: Omformer lys til strøm og bruges i sensorer og optiske modtagere.
- Tunneldiode: Har negative differentialresponser og bruges i højfrekvente og specielle elektronikapplikationer.
- Varactor/varicap: En diode der fungerer som en spændingsstyret kondensator i tunere og frekvenssyntese.
- Transient Voltage Suppressor (TVS): Designet til at beskytte mod spændingsspidser og transienter.
- Laserdioder: Ligner LED’er, men producerer koherent lys til f.eks. fibrekommunikation.
Anvendelser
- Ensretning og strømforsyninger: Konvertering af vekselstrøm til jævnstrøm ved brug af enkelt- eller bro-ensrettere (diodebro).
- Signalbehandling: Demodulation af amplitudemodulerede signaler — som i en krystalradio eller andre modtagere — hvor dioder kan fungere som detektor (amplitudemodulerede).
- Beskyttelse: Afkobling, overspændingsbeskyttelse (TVS) og frakobling ved forkert polaritet.
- Indikatorer og belysning: LED bruges til indikatorlys, displays og belysning.
- Sensorsystemer: Fotodioder i lysmålere, automatiske lysstyringssystemer og kommunikationsmodtagere.
- Højfrekvens og effektstyring: Schottky-dioder i switching strømforsyninger og hurtige logiske kredsløb.
Materialer og produktion
I dag er de mest almindelige dioder fremstillet af halvledermaterialer som f.eks. silicium eller sommetider germanium. Valget af materiale påvirker diodens fremadspændingsfald, temperaturstabilitet og lækstrømme.
Praktiske tips ved arbejde med dioder
- Kontroller datablade for maksimale strøm- og spændingsværdier (IF, VR og effekttab).
- Brug passende køling eller monteringsflader for effektbelastede dioder.
- Til test: Et multimeter i diodefunktion viser ofte fremadspændingsfaldet (for siliciummi omkring 0,6–0,8 V).
- Vær opmærksom på polaritet ved montering — forkert tilslutning kan beskadige komponenten eller kredsløbet.
Samlet set er dioder simple i princippet, men alsidige i praksis. Der findes mange specialiserede typer til forskellige formål, så ved valg af diode er det vigtigt at tage hensyn til driftsspænding, strøm, frekvens og temperaturforhold for at sikre pålidelig funktion.
Diode
Anode og katode. Katode er markeret på kassen.
Historie
De første typer dioder blev kaldt Fleming-ventiler. De var vakuumrør. De befandt sig i et glasrør (ligesom en glødepære). Inde i glaspæren var der en lille metaltråd og en stor metalplade. Den lille metaltråd blev varm og afgav elektricitet, som blev opfanget af pladen. Den store metalplade blev ikke opvarmet, så elektriciteten kunne gå i den ene retning gennem røret, men ikke i den anden retning. Fleming-ventiler bruges ikke meget længere, fordi de er blevet erstattet af halvlederdioder, som er mindre end Fleming-ventiler. Thomas Edison opdagede også denne egenskab, da han arbejdede på sine glødepærer.
Konstruktion
Halvlederdioder består af to typer halvledere, der er forbundet med hinanden. Den ene type har atomer med ekstra elektroner (kaldet n-siden). Den anden type har atomer, der mangler elektroner (kaldet p-siden). På grund af dette vil elektriciteten let strømme fra den side med for mange elektroner til den side med for få elektroner. Elektriciteten vil dog ikke let strømme i den modsatte retning. Disse forskellige typer fremstilles ved hjælp af dotering (halvleder). Silicium med arsen opløst i det giver en god n-sidehalvleder, mens silicium med aluminium opløst i det giver en god p-sidehalvleder. Andre kemikalier kan også fungere.
Kontakten til n-siden kaldes katode, kontakten til p-siden kaldes anode.
Opbygning af en rørdiode
Funktion af en diode
Positiv spænding på p-siden
Hvis du giver positiv spænding til p-siden og negativ spænding til n-siden, vil elektronerne på n-siden søge mod den positive spænding på p-siden, og hullerne på p-siden vil søge mod den negative spænding på n-siden. På grund af dette er der mulighed for strømgennemstrømning, men det kræver en vis mængde spænding at få dette i gang (en meget lille mængde spænding er ikke nok til at få den elektriske strøm til at flyde). Dette kaldes cut-in-spændingen. Cut-in-spændingen for en siliciumdiode ligger ved ca. 0,7 V. En germaniumdiode har brug for en indkoblingsspænding på ca. 0,3 V.
Negativ spænding på p-siden
Hvis du i stedet giver negativ spænding til p-siden og positiv spænding til n-siden, vil elektronerne på n-siden gå til den positive spændingskilde i stedet for til den anden side af dioden. Det samme sker på p-siden. Så der vil ikke løbe strøm mellem de to sider af dioden. En forøgelse af spændingen vil i sidste ende tvinge elektrisk strøm til at flyde (dette er nedbrydningsspændingen). Mange dioder vil blive ødelagt af en omvendt strøm, men der findes nogle, som kan overleve det.
Indflydelse af temperatur
Når temperaturen stiger, falder spændingen ved indkoblingen. Dette gør det lettere for elektriciteten at passere gennem dioden.
Typer af dioder
Der findes mange typer af dioder. Nogle har meget specifikke anvendelsesmuligheder, og andre har mange forskellige anvendelsesmuligheder.
Symboler
Her er nogle almindelige halvlederdiodesymboler, der anvendes i diagrammer:
|
|
|
|
|
| Diode | Zenerdiode | Schottky-diode | Tunneldiode |
|
|
|
|
|
| Fotodiode | Varicap |
Standard ensretterdiode
Dette ændrer A/C (vekselstrøm, som i et vægstik i et hus) til D/C (jævnstrøm, som bruges i elektronik). En standard ensretterdiode har særlige krav. Den skal kunne håndtere høj strøm, ikke påvirkes meget af temperatur, have en lav indgangsspænding og kunne klare hurtige ændringer i strømretningen. Moderne analog og digital elektronik anvender sådanne ensrettere.
Lysemitterende diode
En lysdiode producerer lys, når der strømmer elektricitet igennem den. Det er en længerevarende og mere effektiv måde at skabe lys på end glødepærer. Afhængigt af hvordan den er lavet, kan LED'en give forskellige farver. LED'er blev først brugt i 1970'erne. Den lysemitterende diode kan med tiden erstatte glødepæren, da udviklingen af teknologien gør den lysstærkere og billigere (den er allerede mere effektiv og holder længere). I 1970'erne blev lysdioderne brugt til at vise tal i apparater som f.eks. lommeregnere og som en måde at vise, at der var strøm på i større apparater.
Fotodiode
En fotodiode er en fotodetektor (det modsatte af en lysemitterende diode). Den reagerer på lys, der kommer ind. Fotodioder har et vindue eller en optisk fiberforbindelse, som lader lys trænge ind til den følsomme del af dioden. Dioder har normalt en stærk modstand; lyset reducerer modstanden.
Zenerdiode
En zenerdiode er som en normal diode, men i stedet for at blive ødelagt af en stor omvendt spænding lader den strømmen passere i stedet for at blive ødelagt af en stor omvendt spænding. Den spænding, der er nødvendig for dette, kaldes nedbrydningsspændingen eller Zener-spændingen. Fordi den er bygget med en kendt nedbrydningsspænding, kan den bruges til at levere en kendt spænding.
Varactor-diode
Varicap- eller varactordioden anvendes i mange apparater. Den bruger området mellem p- og n-siden af dioden, hvor elektroner og huller balancerer hinanden. Dette kaldes udtyndingszonen. Ved at ændre størrelsen af den omvendte spænding ændres størrelsen af udtyndingszonen. Der er en vis kapacitans i dette område, og den ændrer sig afhængigt af størrelsen af udtyndingszonen. Dette kaldes variabel kapacitet, forkortet varicap. Det bruges i PLL'er (Phase-locked loops), som bruges til at styre den højhastighedsfrekvens, som en chip kører med.
Step-Recovery-Diode
Symbolet er symbolet på en diode med en slags snask. Den anvendes i kredsløb med høje frekvenser op til GHz. Den slukker meget hurtigt, når den fremadrettede spænding stopper. Den bruger den strøm, der løber efter at polariteten er blevet vendt om, til at gøre dette.
PIN-diode
Konstruktionen af denne diode har et iboende (normalt) lag mellem n- og p-siden. Ved lavere frekvenser fungerer den som en almindelig diode. Men ved høje hastigheder kan den ikke følge med i de hurtige ændringer og begynder at opføre sig som en modstand. Det intrinsiske lag gør det også muligt for den at håndtere høje strømindgange og kan bruges som fotodiode.
Schottky-diode
Symbolet for dette er diodesymbolet med et "S" på toppen. I stedet for at begge sider er en halvleder (som f.eks. silicium), er den ene side et metal, som f.eks. aluminium eller nikkel. Dette reducerer indskæringsspændingen til ca. 0,3 volt. Dette er ca. halvdelen af tærskelspændingen for en almindelig diode. Funktionen af denne diode er, at der ikke injiceres minoritetsbærere - n-siden har kun huller, ikke elektroner, og p-siden har kun elektroner, ikke huller. Fordi dette er renere, kan den reagere hurtigere, uden diffusionskapacitet, der kan bremse den. Det skaber også mindre varme og er mere effektivt. Men den har en vis strømlækage ved omvendt spænding.
Når en diode skifter fra at bevæge strøm til ikke at bevæge strøm, kaldes dette for switching. Det tager snesevis af nanosekunder i en typisk diode; dette skaber en vis radiostøj, som midlertidigt forringer radiosignalerne. Schottky-dioden skifter på en lille brøkdel af denne tid, mindre end et nanosekund.
Tunneldiode
I symbolet for tunneldioden er der en slags ekstra firkantet parentes i slutningen af det sædvanlige symbol.
En tunneldiode består af en højt doteret pn-forbindelse. På grund af denne høje dotering er der kun et meget smalt hul, som elektronerne kan passere. Denne tunneleffekt forekommer i begge retninger. Efter at en vis mængde elektroner er passeret, falder strømmen gennem spalten, indtil den normale strøm gennem dioden ved tærskelspændingen begynder at strømme. Dette medfører et område med en negativ modstand. Disse dioder anvendes til at håndtere meget høje frekvenser (100 GHz). Den er også modstandsdygtig over for stråling, så de anvendes i rumfartøjer. De anvendes også i mikrobølger og køleskabe.
Bagudrettet diode
Symbolet har for enden af dioden et tegn, der ligner et stort I. Den er lavet på samme måde som tunneldioden, men n- og p-laget er ikke så højt doteret. Den gør det muligt at lade strømmen løbe baglæns med små negative spændinger. Den kan bruges til at ensrette lave spændinger (mindre end 0,7 volt).
Siliciumstyret ensretter (SCR)
I stedet for to lag som en normal diode har denne fire lag, det er i princippet to dioder sat sammen med en gate i midten. Når der kommer spænding mellem gaten og katoden, tænder den nederste transistor. Dette lader strømmen gå igennem, hvilket aktiverer den øverste transistor, og så behøver strømmen ikke at blive tændt af en gatespænding.
Spørgsmål og svar
Q: Hvad er en diode?
A: En diode er en elektronisk komponent med to elektroder, der tillader elektricitet at gå igennem den i den ene retning og ikke i den anden retning.
Q: Hvad kan man bruge dioder til?
A: Dioder kan bruges til at omdanne vekselstrøm til jævnstrøm (diodebro). De bruges i strømforsyninger og nogle gange til at afkode amplitudemodulerede radiosignaler.
Q: Hvad er lysemitterende dioder?
A: Lysdioder (LED) er en type diode, der producerer lys.
Q: Hvilke materialer bruges mest til at fremstille dioder?
A: I dag er de mest almindelige dioder lavet af halvledermaterialer som silicium eller nogle gange germanium.
Q: Hvor mange elektroder har en diode?
A: En diode har to elektroder (stik).
Q: Kan elektricitet strømme gennem en diode i begge retninger?
A: Nej, elektricitet kan kun strømme gennem en diode i én retning.
Q: Hvad er formålet med at bruge dioder til at omdanne vekselstrøm til jævnstrøm?
A: Formålet med at bruge dioder til at omdanne vekselstrøm til jævnstrøm er at gøre det lettere at forsyne elektroniske apparater, der kræver jævnstrøm, med strøm.
Søge