Диоды и стабилитроны

Диод — клапан для тока

Диод (diode) пропускает ток в одном направлении — от анода к катоду — и почти не пропускает в обратном. Водопроводная аналогия — обратный клапан: вода проходит в одну сторону, а в другую клапан захлопывается.

Чтобы диод открылся, на нём должно быть небольшое прямое напряжение (Vf, forward voltage): около 0,6–0,7 В у обычного кремниевого диода, 0,2–0,5 В у диода Шоттки. Пока напряжение меньше, ток почти не течёт. Дальше ток растёт очень резко, а напряжение почти не меняется. ВАХ диода ты уже видел в уроке 1.2:

Рис. 1.3. У резистора ток растёт пропорционально напряжению: ВАХ — прямая, и чем круче наклон, тем меньше сопротивление. У диода зависимость нелинейная: почти ноль до ~0,6 В, потом резкий рост. Закон Ома в форме R = const к диоду не применим.

В обратном направлении течёт крошечный обратный ток (у обычных кремниевых диодов — наноамперы, у Шоттки — микроамперы и больше). Но если обратное напряжение превысить, наступит пробой, и диод начнёт проводить и в обратную сторону. Для обычного диода это авария, для стабилитрона — рабочий режим.

Рис. 2.4. Слева: треугольник показывает направление прямого тока, черта — катод; на корпусе катод отмечен полоской. В центре: последовательный диод защищает схему от батареи, вставленной наоборот. Справа: диод параллельно катушке реле гасит выброс напряжения при выключении.

📖Из учебникагл. 1, §1.25–1.26, с. 50–52; табл. 1.1

Хоровиц называет диод первым нелинейным элементом курса: удвоение напряжения уже не удваивает ток. Его правило для прикидок: открытый диод — это «примерно 0,6 В», независимо от тока. Таблица 1.1 на с. 51 сравнивает сигнальные, выпрямительные диоды и диоды Шоттки по обратному напряжению, току, утечке и ёмкости — тот же набор параметров, что в современных даташитах.

Виды диодов

Вид	Пример	Особенности	Где на плате
Сигнальный	1N4148	быстрый, ток до сотен мА	логика, защита входов, детекторы
Выпрямительный	1N4001…1N4007 (1 А; 50…1000 В)	большой ток, медленный	выпрямители, защита от переполюсовки
Шоттки (Schottky)	1N5819, SS14	малое прямое падение (0,3–0,5 В), быстрый; больше утечка	питание, где жалко каждого вольта; DC-DC
Стабилитрон (Zener)	серии BZX84, MMSZ	работает в обратном пробое при заданном напряжении	опорные напряжения, ограничение уровня
TVS-диод	SMBJ, ESD-сборки для USB	очень быстро поглощает импульсы перенапряжения	защита входов и разъёмов от статики и выбросов
Светодиод (LED)	—	светится при прямом токе, Vf 1,8–3,5 В	индикация (урок 2.5)

Главные параметры в даташите

• VRRM (или VR) — максимальное повторяющееся обратное напряжение;
• IF(AV) — максимальный средний прямой ток; IFSM — допустимый кратковременный бросок тока;
• VF при заданном токе — прямое падение;
• IR — обратный ток (утечка) при заданном напряжении и температуре;
• trr — время обратного восстановления, важно для быстрых схем;
• для стабилитрона — VZ (напряжение стабилизации) при токе IZT и мощность.

Стабилитрон

Стабилитрон включают в обратном направлении: катодом к плюсу. Когда напряжение доходит до VZ, он начинает проводить и почти не даёт напряжению расти дальше. Последовательно с ним всегда ставят резистор, который ограничивает ток.

Простейший стабилизатор: источник → резистор → стабилитрон на землю, выход снимается со стабилитрона. Он годится для опорного напряжения на миллиамперы, но не для питания нагрузки. Почему — разберём в уроке 3.6.

📖Из учебникагл. 6, §6.14, с. 349–353

Хоровиц честно говорит, что характеристики стабилитронов в целом посредственные: напряжение заметно зависит от тока и температуры. Исключение — стабилитроны на напряжение около 6 В: они мало чувствительны к току и имеют почти нулевой температурный коэффициент (рис. 6.19).

Две схемы, которые будут на каждой второй плате

Защита от переполюсовки. Диод последовательно с питанием: если батарею вставить наоборот, диод закрыт и схема цела. Цена — потеря прямого напряжения (0,6–0,7 В у кремниевого, 0,3–0,5 В у Шоттки) и нагрев при больших токах. Для больших токов делают защиту на P-канальном MOSFET — она почти без потерь (урок 2.7).

Обратный диод на индуктивной нагрузке. Диод параллельно катушке реле, мотору или соленоиду, катодом к плюсу питания. В работе он закрыт и не мешает. В момент выключения ток катушки замыкается через него, и выброс напряжения не появляется (урок 2.3).

🛠Особенность Altium

У диода в Altium два вывода с номерами, и их соответствие аноду и катоду в символе и посадочном месте — частый источник ошибок. Перевёрнутый диод на плате — классика. В модуле 8 мы будем проверять, что вывод «K» символа попадает на площадку с меткой катода на шелкографии.

Практика

1. Батарея 9 В питает схему через диод 1N4007. Сколько вольт получит схема? А с диодом Шоттки? (≈ 8,3 В; ≈ 8,6 В.)
2. Через диод защиты течёт 1 А. Какая мощность в худшем случае на 1N4007 (VF до 1,1 В при 1 А по даташиту) и на Шоттки 1N5819 (VF до 0,6 В при 1 А)? (≈ 1,1 Вт и ≈ 0,6 Вт: при больших токах потери на диоде существенны, а диод греется.)
3. Нарисуй схему: транзисторный ключ, реле на 12 В и обратный диод. В какую сторону включить диод? (Катодом к +12 В, анодом к коллектору транзистора.)

🧯 Типичные ошибки

Диод на плате стоит наоборот

Почему Перепутаны анод и катод в символе, посадочном месте или при пайке.

Как исправить Проверь соответствие выводов в библиотеке, наличие метки катода на шелкографии и полоску на корпусе при монтаже.

Стабилитрон сгорел сразу после включения

Почему Нет токоограничивающего резистора или он слишком маленький: ток превысил допустимый.

Как исправить Последовательный резистор обязателен. Ток стабилитрона считай по закону Ома и сверяй с мощностью.

Схема на батарейках быстро разряжается в выключенном состоянии

Почему Диод Шоттки имеет заметный обратный ток, особенно при нагреве.

Как исправить Смотри IR в даташите при рабочей температуре. Где утечка критична, бери обычный кремниевый диод.

Проверь себя

1. 1. В какую сторону диод проводит ток?

   От катода к анодуОт анода к катодуВ обе стороны одинаково
2. 2. Чем хорош диод Шоттки?

   Нулевой обратный токМалое прямое падение и высокое быстродействиеРаботает как стабилитрон
3. 3. Как включают стабилитрон для стабилизации напряжения?

   В прямом направлении без резистораВ обратном направлении через ограничивающий резисторПоследовательно с нагрузкой
4. 4. Как подключить обратный диод к катушке реле, питаемой от +12 В?

   Катодом к +12 В, анодом к нижнему выводу катушкиАнодом к +12 ВПоследовательно с катушкой

🎯Практическое задание~25 мин

Найди даташиты 1N4148, 1N4007 и 1N5819. Составь таблицу: VRRM, IF(AV), VF при 1 А (или при максимальном токе из таблицы), IR, trr. Напиши под таблицей, какой из трёх ты выберешь: а) для защиты от переполюсовки платы на 5 В и 500 мА; б) для обратного диода на реле 12 В с током катушки 40 мА; в) для быстрого сигнального ограничителя.