Диод — это полупроводниковый электронный компонент, основным свойством которого является способность пропускать электрический ток только в одном направлении.
Для первого знакомства с диодом наиболее часто прибегают к аналогии с водяным клапаном, который пропускает воду только в одном направлении. На рисунке 1 схематично представлена работа водяного клапана. Когда поток движется слева направо, давление воды приоткрывает клапан. Но, если вода будет пытаться течь в обратном направлении, то клапан будет прижиматься, закупоривая щели для воды. Однако, тут есть некоторые свои нюансы, о которых поговорим далее.
Полупроводниковый диод имеет один p–n-переход. На рисунке 2 схематично представлена его структура.
его условное графическое обозначение на принципиальных схемах
На рисунке 2 видно, что диод имеет два электрода: анод и катод. Электрический ток протекает только в одном направлении: в анод входит и из катода выходит. В обратном направлении ток не течёт, а если и течёт, то это либо аварийная ситуация, либо особый случай, который приемлем для специальных типов диодов.
На рисунке 3 изображен советский полупроводниковый выпрямительный диод Д231Б в металлостеклянном корпусе. Правее надписи «Д231Б» изображена пиктограмма в виде черного треугольника с черточкой на вершине, которая указывает направление тока. То есть:
катод — электрод с резьбой и гайкой, на который указывает вершина треугольника с черточкой;
анод — электрод в виде наконечника с отверстием под крепёж.
На рисунке 4 представлен этот же диод, но в разрезе. Хорошо видно место соединения, образующего p-n-переход. Слой, который изолирует электрод анода от основного металлического корпуса, выполнен из стекла, поскольку сам металлический корпус с резьбовым электродом является катодом диода.
На сегодняшний день такие столь габаритные диоды редко применяются. На смену им пришли более компактные и изящные формы. Вот, например, на рисунке 5 представлены популярные на сегодняшний день диоды. У них всех есть одна общая, в буквальном смысле, черта: полоска, отличающаяся по цвету от основного корпуса, обозначает катод диода.
Если вдруг по какой-то причине не видно обозначения катода на корпусе диода, то для того, чтобы выяснить, какой электрод относится к аноду, а какой — к катоду, можно применить мультиметр.
Продолжая аналогию с водяным клапаном, необходимо ввести допущение, что клапан установлен на упругую пружину. И для того, чтобы вода потекла, она должна протекать по трубе с определённым минимальным давлением, чтобы преодолеть упругость пружины и открыть клапан. Подобная ситуация и у полупроводникового диода: чтобы диод начал пропускать ток, необходимо приложить к его аноду потенциал не менее для него определённой величины, который называется падением напряжения. Ещё раз: чтобы диод открылся и начал пропускать ток, к нему нужно приложить напряжение величиной не менее того значения, которое для конкретного типа диода определено. Чтобы было понятнее, рассмотрим простенькую практическую схему включения светодиода (это, в целом, типичный диод, но со своими особенностями).
(а – светодиод не будет светиться; б – светодиод будет светиться)
На рисунке 6а (слева) показана схема включения светодиода с источником питания в виде батарейки с напряжением 1,5 В. Допустим, выбранный нами желтый светодиод имеет падение напряжение величиной 1,7 В. При замыкании ключа SA1 к аноду светодиода будет приложено напряжение питания батарейки — 1,5 В. Но оно меньше, чем величина падения напряжения светодиода, потому p-n-переход светодиода не откроется, и ток не потечёт по цепи.
А вот на рисунке 6б (справа) батарейка с напряжением 3,7 В. При замыкании ключа к светодиоду будет приложено напряжение на много больше, чем его напряжение открытие, благодаря чему p-n-переход откроется, по цепи потечёт ток и светодиод загорится.
Важно добавить, что величина падения напряжения для каждого диода всегда примерно одинакова, вне зависимости от величины тока, протекаемого через диод. Это значит, что значение сопротивления току у диода не является постоянной величиной, и меняется (уменьшается) нелинейно с ростом силы тока.
С точки зрения практики стоит сразу отметить, что если поставить обычный выпрямительный диод в цепь последовательно с нагрузкой, то на нём всегда будет падать определённое для него значение напряжения. Например, часто применяют диоды для защиты схемы от переполюсовки питания, то есть защита от ошибочного подключения «плюса» батарейки на «минус» питания схемы. Так вот, подключив аккумулятор с напряжением 3,7 В к схеме через диод (с падением напряжения 0,6 В), на устройство будет подаваться уже 3,1 В. В некоторых случаях это может быть крайне существенным ограничением.