Dioder

Asymmetrien som gjør en diode nyttig

En motstand bryr seg ikke om retning. Vri den, og I–V-kurven ser akkurat lik ut. En diode er motsatt: den slipper strøm igjennom én vei og blokkerer den andre. Den ene veien kalles lederetning, den andre sperreretning. Symbolet er en pil som peker dit strømmen får lov å gå.

Den enkleste måten å forstå komponenten på, er å tenke seg den som en enveis ventil. Vannet renner fritt den ene veien, men når det prøver å snu, lukker ventilen. Elektrisk betyr det at en diode klipper bort den ene halvparten av et vekselsignal og lar den andre passere. Det er hele grunnlaget for omforming av vekselstrøm til likestrøm, og det er derfor dioden sitter i nesten alle strømforsyninger.

Asymmetrien er ikke perfekt. En reell diode lekker litt strøm i sperreretning, og den må ha noe spenning før den begynner å lede skikkelig. Hvor mye «litt» er, avgjør hvilken modell vi velger.

Tre modeller på samme komponent

Hvordan beskriver vi dioden matematisk? Det finnes flere svar — alle er riktige, ingen er sannheten alene. Hvilken du bruker, avhenger av hvor presist du må regne.

Den enkleste er ƒideell diode. Her er det ingen spenning over dioden så lenge den leder, og ingen strøm når den sperrer. En idealisert bryter, helt på eller helt av. Modellen holder når du tegner signalveier på serviett, eller når 0.7 V er forsvinnende mot resten av kretsen.

Neste nivå er den modifisert ideelle: ƒmodifisert ideell diode. Silisiumdioder begynner å lede ved omtrent 0.7 volt, og vi modellerer dem som en perfekt bryter i serie med en konstant spenningskilde. Denne 0.7 V kalles knespenning, fordi det er der I–V-kurven knekker oppover. For germaniumdioder ligger knespenningen heller på 0.2–0.3 V, og for lysdiode (led) et sted mellom 1.5 og 3.5 V — avhengig av farge.

Den mest fysisk-trofaste modellen er Shockleys: ƒshockley-modell. Strømmen vokser eksponentielt med spenningen så snart vi nærmer oss knespenningen.

I₀ er metningsstrømmen, typisk 10⁻¹² A — så liten at den knapt finnes når dioden er reverstilt. V₀ er ca. 25 mV ved romtemperatur. Doble strømmen, og spenningen øker bare med ~18 mV. Det er derfor knespenningen virker så «hard»: det skal ekstrem strøm til for å presse spenningen vesentlig over 0.7 V.

Når bruker du hvilken?

Tommelfingerregel: ideell-modellen for hjernen, modifisert ideell for håndregning, Shockley når noe henger på temperatur eller dynamisk respons. Et batterilader-design klarer seg lenge med 0.7 V-modellen. Et termometer som bruker dioden som sensor må regne på temperaturkoeffisienten — der er Shockley uunnværlig.

Husk at V₀ ≈ kT/q, der k er Boltzmanns konstant, T er absolutt temperatur og q er elementærladningen. Det betyr at dioden i seg selv er en termometer-kandidat. Ved konstant strøm faller spenningen ca. 2 mV per grad oppvarming, slik ƒtemperaturkoeffisient oppsummerer. Den koplingen mellom temperatur og spenning gjør at presisjonskretser ofte trenger temperaturkompensasjon — gjerne med en annen diode i samme krystall som referanse.

Lysdioder

En lysdiode (led) har samme grunnleggende oppførsel som en vanlig diode, men halvledermaterialet er valgt slik at energien som frigjøres når elektroner faller gjennom båndgapet sendes ut som lys. Bølgelengden — fargen — bestemmes av materialet. Rød LED har lavt båndgap (~1.8 eV), blå har høyt (~3.0 eV), og hvit er som regel en blå LED dekket av et fosforlag som omformer noe av det blå lyset til gult.

To ting i praksis. For det første tåler en LED ikke spenning direkte: den må serie-kobles med en motstand som begrenser strømmen. Regelen er ƒled-strømmotstand. Med 5 V kilde, en rød LED på 2 V og ønsket strøm 10 mA blir motstanden 300 Ω. Bommer du, brenner LED-en momentant.

For det andre er LED polarisert. Snur du den, lyser den ikke — og blir sperrspenningen for høy, går den i stykker. Mange koblinger setter derfor en vanlig diode i parallell motsatt vei for å beskytte LED-en mot polaritets-feil.

Likeretting

En likeretter bruker dioder til å lage likespenning fra vekselspenning. Halvbølge-varianten har bare én diode: den slipper igjennom de positive halvbølgene og blokkerer de negative.

Resultatet er pulserende likespenning som flater ut hvis du legger en stor kondensator på utgangen.

Full-bølge-likeretteren bruker en diode-bro med fire dioder. Da blir også de negative halvbølgene «brettet opp» og bidrar til likespenningen. Det dobler strømmen ut sammenlignet med halvbølge for samme transformator, og kondensatoren får mindre å fylle på — altså mindre rippel.

Merk at hver diode i broen bidrar med sitt 0.7 V-fall. To dioder leder samtidig i hver halvperiode, så broens utgang er ca. 1.4 V lavere enn toppspenningen på vekselsiden. Det er ikke ubetydelig ved lave spenninger: vil du ha 5 V ut, må transformatoren levere godt over 6 V topp.

Reversoverslag og Zener

Det er en grense for hvor mye spenning en diode tåler motsatt vei. Kommer du over gjennombruddsspenningen, leder dioden plutselig kraftig, strømmen «raser» og komponenten går varm. For vanlige dioder er dette ødeleggende.

zener-diode er bygget for å operere i akkurat dette området. Den har en presis, kontrollert gjennombruddsspenning som brukes som spenningsreferanse. Sett en 5.1 V Zener motsatt vei med en strømbegrensende motstand i serie, og du har en stabil 5.1 V kilde — uavhengig av om kilden svinger mellom 8 og 15 V. Effekten Zener-en sluker, må holdes innenfor det dataarket sier; ellers smelter den.

Klippe- og klemmekretser

Dioder dukker også opp som beskyttelses- og formingskomponenter. En klippekrets bruker en diode parallelt med utgangen for å sørge for at spenningen aldri går over (eller under) et bestemt nivå. Tenk inngangen på en mikrokontroller: hvis et signal kan svinge høyt nok til å skade pinnen, sett en diode mot V_DD som leder med en gang signalet overstiger forsyningen pluss 0.7 V. Toppene «klippes» og blir trygge.

En klemmekrets legger til en kondensator som forskyver hele signalets DC-nivå. Den finnes inni hver eneste oscilloskop-AC-koblet inngang. Begge teknikker er rene anvendelser av asymmetri-egenskapen: dioden leder bare når signalet forsøker å bryte en grense, og er ellers usynlig.

Signal-dioder og hurtighet

Ikke alle dioder er like raske. En vanlig likeretter-diode kan ha en gjenopprettingstid på flere mikrosekunder — tiden det tar fra strømmen snur til dioden slutter å lede. For 50 Hz nettlikeretting er det ingen sak, men for radiofrekvent signaldeteksjon eller switchede strømforsyninger på hundrevis av kilohertz er det ødeleggende.

Til høyfrekvent bruk velger vi Schottky-dioder, som har metall-halvleder-overgang i stedet for PN. De har lavere knespenning (typisk 0.3 V) og forsvinnende kort gjenopprettingstid. Prisen er høyere lekkasje i sperreretning og litt mindre robusthet for sperrespenninger.

Én fysikk, tre modeller, hundre koblinger

På bunnen: alt en diode gjør, kommer av at PN-overgangen i halvlederen lager en potensialbarriere som ladningsbærere bare klarer å forsere den ene veien. 0.7 V er denne barrieren for silisium. Når du legger spenning motsatt vei, vokser barrieren, og strømmen er begrenset til metningsstrømmen. Når du legger spenning samme vei, krymper barrieren, og strømmen vokser eksponentielt slik Shockley sier.

Det er én fysikk, tre regnemodeller, og hundre praktiske koblinger — fra LED-lommelykt og batterilader-bro til høyspent-likeretting, klippekrets ved inngangspinner og Zener-referanser i presisjonsforsterkere.

Når du støter på en diode i et kretsskjema, still deg derfor tre spørsmål: hvilken vei peker pilen, hvor stor er strømmen tenkt å være, og holder det med ideell-modellen eller må vi ta med knespenningen? Svarene gir nesten alltid nok til å forstå hva komponenten gjør i akkurat denne koblingen.