Карточка учителя: диод

Ответы к чек-апу

1. Почему у резистора нет полярности, а у диода есть? Резистор однороден — кусок графита или плёнки, одинаковый с обеих сторон. Диод собран из двух разных кусков кремния, и его свойства определяются границей между ними. Асимметрия конструкции даёт асимметрию поведения.

2. На диод подали 0,4 В в прямом направлении. Пойдёт ток? Практически нет — порог не преодолён, запирающий слой держится. Течёт лишь ничтожный ток (микроамперы). Хороший момент подчеркнуть: 0,7 В — это не «сопротивление», а порог открытия.

3. Синий светодиод к батарейке 3 В через резистор? Скорее всего не загорится или будет светить еле-еле. Порог синего — около 3 В, плюс падение на резисторе. Напряжения просто не хватает. Тот же светодиод от 5 В работает нормально.

4. Зачем диод в питании, если он «съедает» 0,7 В? Потому что альтернатива — сгоревшая схема при неправильно вставленной батарейке. 0,7 В — страховая премия. Если потери критичны, ставят Шоттки (0,3 В) или полевой транзистор (почти без потерь, но сложнее).

5. Диод параллельно мотору задом наперёд — он работает? Да, но только в аварийный момент. При нормальной работе он закрыт и как будто отсутствует. В момент выключения полярность на катушке меняется на обратную — и диод открывается, замыкая выброс на себя.

Ответы к разноуровневым заданиям

1. Полосой на корпусе со стороны катода. 2. Кремний ≈ 0,7 В, Шоттки ≈ 0,3 В. 3. Анод — длинная ножка.

4. Энергия перехода электрона уходит в квант света. Синий свет — короче волна, выше энергия кванта, значит требуется большее напряжение. Прямая связь физики полупроводников с оптикой — для сильных групп можно упомянуть $E = hc/\lambda$.

5. Потому что открытый диод — не идеальный проводник. Даже в открытом состоянии на переходе остаётся падение около 0,7 В, и оно почти не зависит от тока. Это свойство даже используют: два диода последовательно дают опорные 1,4 В.

6. В рабочем режиме диод включён встречно напряжению питания и закрыт — тока через него нет, мотор получает всё. Он «просыпается» только когда полярность на катушке переворачивается, то есть в момент отключения.

7. $R = (5-3)/0{,}015 \approx 133$ Ом. Ближайший из E12 — 150 Ом (ток 13,3 мА). Можно и 120 Ом (16,7 мА), но 150 безопаснее.

8. Кремниевый: 12 − 0,7 = 11,3 В > 11 В — формально проходит, но впритык (запас 0,3 В, а батарея по мере разряда просядет). Шоттки: 11,7 В — надёжнее. Ток 500 мА требует диода минимум на 1 А.

9. Два светодиода встречно-параллельно (анод одного к катоду другого), последовательно с общим резистором. При одной полярности горит зелёный, при обратной — красный. Готовый индикатор правильности подключения; продаются и двухцветные светодиоды, устроенные именно так.

Неудобные вопросы, которые прозвучат

«Светодиод — это лампочка или диод?» Диод, причём самый настоящий: пропускает ток в одну сторону и имеет порог. Свет — побочный эффект перехода электронов. В обратную сторону не светит и не проводит. Аббревиатура LED прямо это и означает: light-emitting diode.

«Почему 0,7 В, а не 0,5 или 1?» Это свойство кремния — высота энергетического барьера его p-n перехода. У германия барьер ниже (0,3 В), у арсенида галлия выше (отсюда светодиоды). Число не выбрано человеком, оно определяется материалом.

«Диод греется?» Да. На нём падает 0,7 В, через него идёт ток — значит $P = 0{,}7 \times I$ ватт уходит в тепло. При 1 А это 0,7 Вт — уже ощутимо, мощные диоды ставят на радиаторы. Хороший повод вернуться к мощности из урока о резисторе.

«Если диод не пропускает обратно, зачем указывать обратное напряжение?» Потому что «не пропускает» верно до предела. Превысил — пробой, и диод превращается в проводник (обычно навсегда). Это как спросить, зачем у моста указывают грузоподъёмность, если он и так держит.

«А можно диодом из переменного тока сделать постоянный для зарядки телефона?» Начать — можно, и в зарядках именно так и сделано. Но одного диода мало: получаются пульсации, которые сглаживают конденсатором, а дальше стабилизируют. Полезная связка с предыдущим уроком: диод отрезает, конденсатор сглаживает.

Частые ошибки на уроке

Сильные демонстрации

«Переверни деталь». Тот самый крючок. Работает безотказно, потому что ломает интуицию «деталь есть деталь».

Радуга порогов. Пять светодиодов разных цветов, один резистор 330 Ом, питание 5 В. Яркость заметно разная, причём синий тусклее всех — при одном и том же резисторе на нём падает меньше напряжения, значит и ток меньше. Наглядно связывает цвет, порог и ток.

Защита на живой батарейке. Собрать схему с диодом и демонстративно вставить батарейку наоборот. Ничего не происходит — и это производит впечатление больше, чем если бы что-то сгорело. Для контраста можно показать (аккуратно, на дешёвой детали) что бывает без защиты.

Тайминг урока