07 – Diody

Jednosměrný ventil pro elektrický proud. Jednoduchá součástka s překvapivě mnoha využitími.

Zapojení

Dvě větve, obě ústí do R1 (1 kΩ) a LED1:

• SW1 → D1 (dioda ve směru průchodu proudu, anoda k SW1)
• SW2 → D2 (dioda v závěrném směru, katoda k SW2)

---

Dioda jako jednosměrný ventil

Dioda je součástka se dvěma vývody — anodou (A) a katodou (C/K). Nechá proud projít jen jedním směrem: od anody ke katodě.

Vyzkoušej si to

Stiskni SW1 — proud proteče přes D1 (v propustném směru) a LED se rozsvítí.

Stiskni SW2 — D2 je otočená v závěrném směru. Proud blokuje, LED zůstane zhasnutá.

To je přesně ta vlastnost, kvůli které diody vznikly. Bez nich by třeba nabíječka baterie při výpadku proudu začala baterku vybíjet zpátky do sítě.

Napěťový úbytek

I v propustném směru není dioda bez odporu — na D1 naměříš napěťový úbytek asi 0,6–0,7 V (pro křemíkovou diodu). O tolik napětí ubyde ještě před R1 a LED.

V-A charakteristika a propustné napětí

Prahové napětí

Dioda se neotevře okamžitě — musí se překonat propustné napětí (V_f, forward voltage):

Typ diody	Vf
Křemíková (Si)	0,6–0,7 V
Germaniová (Ge)	0,2–0,3 V
Schottkyho dioda	0,2–0,4 V
LED (červená)	1,8–2,2 V

Pod prahem dioda prakticky nepropouští. Nad prahem proud rychle roste — proto musí být předřadný odpor.

Závěrné napětí

V závěrném směru dioda blokuje — ale jen do určité hranice. Překročíš-li průrazné napětí (V_R, reverse breakdown voltage), dioda „probije" a začne propouštět proud i v závěrném směru. U běžných diod je to nevratné poškození. (U Zenerových diod je to záměrné — čti dál.)

Usměrnění — praktická aplikace

Jedna dioda tvoří půlvlnný usměrňovač — propustí jen kladnou půlvlnu střídavého napětí. Čtyři diody v můstkovém zapojení (Graetzův můstek) usměrní obě půlvlny a dají plné stejnosměrné napětí. Tak funguje každý síťový zdroj.

Shockleyova rovnice a speciální diody

Shockleyova rovnice

Přesný vztah pro proud diodou:

$I = I_s \left(e^{\frac{V}{n V_T}} - 1\right)$

kde I_s je saturační proud (~nA až pA), $n$ ideality factor (1 pro ideální, 1–2 v praxi) a $V_T = k \cdot T / q \approx 26\,\text{mV}$ při 25 °C.

Exponenciální průběh vysvětluje, proč je napětí na propustné diodě téměř konstantní (kolem V_f) bez ohledu na procházející proud — každý malý nárůst napětí způsobí obrovský nárůst proudu.

Zenerova dioda

Zenerova dioda je navržena pro práci v závěrném průrazu (Zener breakdown nebo avalanche breakdown). Při přesně definovaném závěrném napětí (V_z) teče proud závěrným směrem, přičemž napětí zůstává stabilní.

Využití: stabilizátor napětí — bez ohledu na kolísání vstupního napětí nebo odebíraného proudu zůstává výstupní napětí V_z.

Schottkyho dioda

Místo přechodu PN má Schottkyho dioda kov-polovodič (metalsemiconductor junction). Výsledkem je:

• Nižší V_f (0,2–0,4 V) → menší ztrátový výkon
• Velmi rychlé přepínání (žádný minority carrier storage)

Hodí se jako freewheeling dioda u spínaných zdrojů a jako ochrana vstupů.

Varikap (kapacitní dioda)

Přechod PN v závěrném směru chová se jako kondenzátor — a kapacita se mění se závěrným napětím. Varikap (varactor) se tak používá k elektronickému ladění LC oscilátorů v rádiích a telefonech.

Doporučená literatura

• Sedra & Smith: Microelectronic Circuits — diody, usměrňovače
• Neamen: Semiconductor Physics and Devices — přechod PN, průraz
• Horowitz & Hill: The Art of Electronics — praktické diodové obvody