Dioda semiconductoare

O diodă este o componentă care lasă curentul să treacă mult mai ușor într-un sens decât în celălalt, în condiții obișnuite. De aceea poate fi folosită la redresarea curentului alternativ sau la protejarea unor circuite. Nu este o supapă perfectă: în sens direct are o cădere de tensiune, iar în sens invers poate exista un curent mic și o limită de tensiune.

O diodă semiconductoare obișnuită are o joncțiune p–n, locul unde se întâlnesc două regiuni de semiconductor dopate diferit. Electronii și golurile se redistribuie lângă graniță, formând o regiune sărăcită de purtători mobili și un câmp electric intern. Acest câmp face ca legarea sursei într-un sens să favorizeze trecerea curentului, iar legarea inversă să o limiteze.

Într-o schemă, simbolul diodei îți arată orientarea convențională. Dacă inversezi dioda, funcționarea circuitului se poate schimba mult. La o diodă luminescentă, LED, o parte din energia electrică poate fi emisă ca lumină când dioda este polarizată direct. Un LED are nevoie de limitarea curentului; legarea directă la o baterie nepotrivită îl poate deteriora.

În practică, tipurile de diode au caracteristici diferite. O diodă de siliciu, una Schottky și un LED nu au aceeași cădere de tensiune. Valoarea aproximativă de $0,7\mathrm{V}$ folosită uneori pentru siliciu nu este o lege universală; depinde de curent și temperatură.

Caracteristica curent–tensiune. Anodul diodei este regiunea $p$, iar catodul regiunea $n$; curentul trece prin diodă de la anod spre catod. Sub o tensiune de prag curentul direct este neglijabil, apoi crește foarte abrupt: o mică variație a tensiunii produce o variație mare a curentului, deci tensiunea la bornele diodei care conduce rămâne aproape constantă. Pragul este de aproximativ $0,6$–$0,7\mathrm{V}$ la siliciu, $0,2$–$0,3\mathrm{V}$ la germaniu, $0,2$–$0,4\mathrm{V}$ la dioda Schottky și $1,8$–$3,3\mathrm{V}$ la LED-uri (roșu în jur de $1,8\mathrm{V}$, albastru și alb în jur de $3\mathrm{V}$). La polarizare inversă trece un curent invers foarte mic, de ordinul nanoamperilor la diodele de siliciu mici, până la tensiunea de străpungere; peste ea curentul crește brusc, iar dioda se distruge dacă nu este limitat. Dioda Zener este construită să lucreze în străpungere și menține la borne o tensiune practic constantă.

Redresarea. Dioda conduce numai când anodul este mai pozitiv decât catodul, deci lasă să treacă o singură alternanță. La tensiunea alternativă $u=U_m\sin \omega t$, redresorul monoalternanță (o singură diodă în serie cu rezistorul de sarcină) dă prin sarcină impulsuri de același sens, cu valoarea medie $U_{med}=U_m/\pi$ și valoarea efectivă $U_m/2$. Puntea redresoare cu patru diode conduce în ambele alternanțe, câte două diode odată, și dă același sens al curentului prin sarcină; frecvența impulsurilor este dublă ($100\mathrm{Hz}$ pentru rețeaua de $50\mathrm{Hz}$), valoarea medie este $U_{med}=2U_m/\pi$, iar valoarea efectivă este $U_m/\sqrt{2}$. Un condensator în paralel cu sarcina se încarcă la vârful fiecărei alternanțe și se descarcă în restul timpului prin sarcină; ondulația tensiunii (variația ei între două încărcări succesive ale condensatorului) este $\Delta U\approx I/(fC)$ la monoalternanță și $\Delta U\approx I/(2fC)$ la dublă alternanță. Diodele se aleg cu tensiune inversă maximă admisă mai mare decât $U_m$.

Exemplu rezolvat 1 — redresor monoalternanță. Secundarul unui transformator dă tensiunea efectivă $12\mathrm{V}$ la o sarcină de $100\Omega$. Dioda se consideră ideală (fără cădere de tensiune).

1. Tensiunea maximă este $U_m=U_{ef}\sqrt{2}=12\cdot \sqrt{2}\approx 16,97\mathrm{V}$.
2. Tensiunea medie pe sarcină este $U_{med}=U_m/\pi =16,97/3,14\approx 5,40\mathrm{V}$, deci curentul mediu este $I_{med}=5,40/100=54\mathrm{mA}$.
3. Valoarea efectivă pe sarcină este $U_m/2\approx 8,49\mathrm{V}$, iar puterea disipată în sarcină este $P=(8,49{)}^2/100\approx 0,72\mathrm{W}$.

La o punte ideală cu aceeași sursă, tensiunea medie ar fi $2U_m/\pi \approx 10,8\mathrm{V}$, dublă față de monoalternanță.

Exemplu rezolvat 2 — punte cu condensator. O punte redresoare cu diode de siliciu ($0,7\mathrm{V}$ pe fiecare diodă care conduce) este alimentată de la aceeași sursă de $12\mathrm{V}$ efectivi, $50\mathrm{Hz}$. Sarcina absoarbe $100\mathrm{mA}$, iar condensatorul este de $2200\mu \mathrm{F}$.

1. În fiecare moment conduc două diode, deci vârful tensiunii pe sarcină este $16,97-2\cdot 0,7\approx 15,57\mathrm{V}$.
2. Ondulația este $\Delta U\approx I/(2fC)=0,1/(2\cdot 50\cdot 2,2\cdot 10^{-3})\approx 0,45\mathrm{V}$.
3. Tensiunea pe sarcină oscilează între $15,57\mathrm{V}$ și aproximativ $15,12\mathrm{V}$, deci ondulația este circa $3\%$ din vârf.

Un condensator de două ori mai mare ar înjumătăți ondulația; la monoalternanță, aceeași valoare a ondulației ar cere o capacitate dublă.

Exemplu rezolvat 3 — rezistorul unui LED. Un LED roșu, cu căderea directă $2,0\mathrm{V}$, trebuie să lucreze la $15\mathrm{mA}$ de la o sursă de $5,0\mathrm{V}$.

1. Pe rezistorul în serie cade $5,0-2,0=3,0\mathrm{V}$.
2. Rezistența necesară este $R=3,0/0,015=200\Omega$, iar puterea pe rezistor este $P=I^{2}R=0,045\mathrm{W}$.

Valoarea de $200\Omega$ există în seria standard de rezistoare, deci se montează direct; fără rezistor, curentul ar fi limitat doar de rezistența mică a LED-ului și l-ar distruge.

Greșeli frecvente

• Greșit: a crede că dioda conduce perfect într-un sens și blochează absolut orice curent în celălalt.
  Corect: în sens invers trece un curent mic, nu zero.
• Greșit: a folosi $0,7\mathrm{V}$ ca valoare exactă pentru orice diodă.
  Corect: căderea directă depinde de tipul diodei (siliciu $0,6$–$0,7\mathrm{V}$, LED $1,8$–$3,3\mathrm{V}$).
• Greșit: a alimenta un LED fără limitarea curentului.
  Corect: LED-ul se leagă în serie cu un rezistor de limitare.
• Greșit: a calcula tensiunea medie a unei punți ca $U_m/\pi$.
  Corect: $U_m/\pi$ este media redresării monoalternanță; puntea dă $2U_m/\pi$, iar căderile diodelor ($2\cdot 0,7\mathrm{V}$) se scad din vârf.

Înainte și după