Электроника через гидравлику #5. Диоды⁠⁠

Рассмотрев основные элементы электрической цепи - конденсатор, сопротивление, катушка - перейдем теперь к тому, что вызывает основные затруднения. К полупроводникам. И начнем, естественно, с диода.

Диод - полупроводниковый элемент, в котором есть pn-переход. Физику я принципиально рассматривать не буду, это сделано в куче материалов. Нам важно знать несколько основных свойств pn-перехода в диоде:

1) Диод пропускает ток только в одну сторону. Это знают все. В гидравлике аналогом этому служит обратный клапан. Мы его будем представлять как заслонку, подпружиненную слабой пружиной постоянного усилия, снабженную упором снизу. При подаче обратного напряжения заслонка закрывается, образуется огромное сопротивление - какие-то крохи зарядов, конечно, подтекают, но очень, очень мало.

Теперь посложнее:

2) Чтобы pn-переход открылся, на него требуется подать некоторое минимальное напряжение. Обычно оно около 0.6-0.7 Вольт для обычных диодов, и около 0.3 В для специальных диодов Шоттки. Это паспортная характеристика, которая более-менее постоянна(зависит от температуры). До достижения этого напряжения(называемого пороговым) диод будет по сути закрыт. Какие-то микроскопические доли заряда подтекать будут, но это можно не считать.

Теперь еще сложнее.

3) Когда поданное напряжение на диод превышает порог, диод открывается, и его дальнейшее сопротивление устремляется к нулю. Что значит "дальнейшее"?  Наша заслонка, будучи поднята требуемой минимальной разницей давлений, будет открывать просвет трубы течению жидкости  практически без повышения сопротивления.

Это по сути значит, что у pn-перехода нет такой  постоянной характеристики, как сопротивление, а есть - неизменное падение напряжения.

Или, это можно представлять себе так, что у диода переменное сопротивление: оно меняется в зависимости от поданного напряжения - полупроводниковый переход сопротивляется току всегда ровно настолько, чтобы на нем осело паспортное пороговое напряжение.

Если вы подключите к диоду источник напряжения 5 Вольт, а падение на диоде 0.7 В, то останутся 4.3 В, приложенные к цепи - диод  сбросит свое сопротивление ровно настолько, что возьмет на себя ровно 0.7 В. В идеальной цепи это означает, что, так как оставшемуся напряжению осесть негде - сопротивления в цепи больше нет, то такой ситуации и быть не может, ведь ток должен стать бесконечным.

В реальной цепи, естественно, сопротивление в цепи есть - как минимум это сопротивление проводов и внутреннее сопротивление источника питания, на них и осядут оставшиется 4.3 Вольта. Только, скорее всего, диод к этому времени сгорит(см. пункт 4)

А если, например, к источнику 2 Вольта подключить 4 диода с падением напряжения 0.6 Вольта - ток не потечет вообще, так как напряженности поля не хватит, чтобы открыть все 4 диода сразу(несложно посчитать, что нужно 2.4 Вольт).

Никакой из рассмотренных доселе элементов таким свойством не обладал. Их сопротивление току не зависело от приложенного напряжения. А диода - зависит.

Поэтому и мультиметром сопротивление диода нельзя измерять, так как у него нет такого свойства по сути. Для диодов и транзисторов на них есть специальный режим измерения падения напряжения на полупроводниковом переходе.

4) В гидравлике это неочевидно, но надо всегда иметь в виду - диоды греются. Они оказывают хоть и меняющееся по значению, но - активное сопротивление току, , поэтому, согласно закону Джоуля-Ленца, в них выделяется тепловая энергия. Полупроводники очень чувствительны к нагреву, и надо следить, чтобы тепло, выделяющееся на элементе, не превышало паспортного значения, иначе диод сгорит. Для этого с помощью добавления резистора в цепь диода снижают ток в цепи, на крупные диоды ставят радиаторы, ставят вместо обычных диоды Шоттки(сниженное падение напряжение = сниженный нагрев) и т.п.

5) то, что диоды отличаются прямым напряжением - это мы уже знаем, это сколько оседает напряжения, когда диод открыть. Но они также отличаются и обратным напряжением - какую разницу давлений сможет выдержать диод-заслонка, прежде чем сломается и возникнет короткое замыкание на этом участке цепи. А также скоростью, с которой закрывается наша заслонка.

6) характеристики диодов зависят от температуры сильнее, чем резисторов или конденсаторов, особено это касается режима, когда диод заперт это тоже надо учитывать.