Диод

Диод: клапан, который пропускает ток в одну сторону

Урок 45 минут. Третья деталь курса. К концу занятия ученик понимает, почему светодиоды разных цветов требуют разного напряжения, умеет защитить схему от неправильно вставленной батарейки и знает, зачем диод ставят «задом наперёд» параллельно мотору.

1. Крючок (10 секунд)

На столе батарейка, резистор и светодиод.

«Собираю цепь. Горит. Теперь переворачиваю только светодиод, ничего больше не трогаю.»

Не горит.

«Батарейка та же. Резистор тот же. Провода те же. Почему погас?»

Дети говорят «полярность», и это верное слово. Но следующий вопрос сложнее:

«А почему у резистора полярности нет, а у светодиода есть? Он ведь тоже просто деталь с двумя ножками.»

2. Сквозная метафора: клапан с тугой пружиной

Держим водопровод: ток — вода, напряжение — давление.

Диод — это обратный клапан в трубе, какие ставят в насосных системах.

В одну сторону вода идёт свободно.
В обратную створка прижимается — поток перекрыт.

Но есть тонкость, ради которой метафора и нужна: у клапана тугая пружина. Чтобы его открыть, мало любого давления — нужно превысить порог. Слабый напор клапан не откроет вообще.

Этот порог у кремниевого диода — 0,7 вольта. Его называют прямым падением напряжения, и он не зависит от того, сколько вольт у источника.

3. Ядро

3.1. Что внутри: два разных кремния

Диод — это стык двух кусков кремния с разными примесями: в одном избыток электронов (n-тип), в другом их нехватка (p-тип). Граница между ними называется p-n переходом.

На границе возникает тонкий слой, где свободных зарядов нет — запирающий слой. Он и работает створкой клапана:

Как подключили	Что происходит со слоем	Ток
Прямое включение: плюс к p, минус к n	слой сжимается, исчезает	идёт
Обратное включение: плюс к n, минус к p	слой расширяется	не идёт

Откуда берётся порог 0,7 В. Чтобы сжать запирающий слой, нужна энергия. Пока напряжение меньше порога, слой держится и ток почти не течёт. Как только превысили — слой схлопывается, и ток резко растёт. Именно поэтому характеристика диода имеет форму колена: до 0,7 В почти ничего, после — резкий взлёт.

3.2. Порог зависит от материала

Тип диода	Порог	Где применяют
Германиевый	~0,3 В	старая техника, детекторы
Кремниевый	~0,7 В	самый распространённый (1N4007, 1N4148)
Шоттки	~0,3 В	где важны потери (1N5819)
Светодиод	1,8–3,3 В	индикация

Светодиод — тоже диод, и вот почему его порог другой: энергия, которую электрон отдаёт при переходе, уходит в свет. Чем короче длина волны (синее свечение), тем больше энергии нужно — тем выше порог.

Цвет	Порог	Резистор от 5 В при 10 мА
Красный	1,8 В	320 Ом
Жёлтый	2,1 В	290 Ом
Зелёный	2,2 В	280 Ом
Синий, белый	3,0 В	200 Ом

Отсюда практический вывод: один и тот же резистор 330 Ом даёт разную яркость для разных цветов. Синий светодиод от 3 В питания может не зажечься вовсе — порога не хватает.

3.3. Что диод умеет делать

Выпрямление. Пропускает только положительные полуволны переменного тока — так из розеточного переменного получают постоянное для зарядки телефона.

Защита от переполюсовки. Диод последовательно с питанием: вставили батарейку правильно — схема работает, наоборот — ток не идёт и ничего не сгорело.

Цена защиты — те самые 0,7 В: до схемы доходит 8,3 В вместо 9. Поэтому в экономичных устройствах ставят Шоттки — теряется только 0,3 В.

Гашение выброса катушки. Самое неочевидное применение, и именно оно объясняет загадочный рецепт «поставь 1N4007 параллельно мотору».

Мотор и реле — это катушки. Катушка сопротивляется изменению тока: когда питание резко снимают, она «пинается» — выдаёт всплеск напряжения обратной полярности, в десятки раз больше питающего. Этот всплеск пробивает транзисторы и микросхемы.

Диод, включённый параллельно катушке и задом наперёд, при нормальной работе бездействует. А в момент выброса открывается и замыкает всплеск на саму катушку — энергия рассеивается внутри, а не бьёт по схеме.

Почему «задом наперёд» — это правильно. В рабочем режиме напряжение на катушке имеет один знак, и диод для него закрыт: он как будто отсутствует. Выброс имеет обратный знак — для него диод открыт. Деталь срабатывает только в аварийной ситуации, а в остальное время не мешает.

3.4. Предел: обратный пробой

Если приложить обратное напряжение и наращивать его, в какой-то момент запирающий слой не выдержит — наступит пробой, ток хлынет и диод сгорит.

Это напряжение указано в характеристиках: у 1N4007 оно 1000 В, у 1N4148 — 100 В. Выбирая диод, смотрят два числа: максимальный прямой ток и максимальное обратное напряжение.

Пробой бывает полезным. Есть диоды, специально рассчитанные работать в пробое при заданном напряжении, — стабилитроны. На них строят простейшие стабилизаторы: сколько бы ни было на входе, на стабилитроне всегда его напряжение. Это тема следующих курсов.

4. Концептуальный чек-ап

Почему у резистора нет полярности, а у диода есть?
На диод подали 0,4 В в прямом направлении. Пойдёт ли ток?
Синий светодиод подключили к батарейке 3 В через резистор. Что увидим?
Зачем диод в цепи питания, если он «съедает» 0,7 В?
Диод параллельно мотору включён задом наперёд — он вообще работает?

5. Разбор задачи

Дано: питание 9 В, нужно защитить схему от неправильно вставленной батарейки. Схема потребляет 100 мА и работает от 7,5 В и выше. Найти: какой диод поставить и хватит ли напряжения.

Шаг 1. Выбираем тип включения

Диод ставим последовательно с плюсом питания, анодом к батарейке.

Шаг 2. Вариант с кремниевым диодом

U_{\text{схемы}} = 9 - 0{,}7 = 8{,}3\ \text{В}

8,3 В больше нужных 7,5 В — подходит.

Шаг 3. Проверяем ток

Схема берёт 100 мА. Диод 1N4007 рассчитан на 1 А — запас десятикратный.

Шаг 4. А если бы схеме нужно было 8,5 В?

Кремниевый не подошёл бы: 8,3 < 8,5. Тогда Шоттки:

U = 9 - 0{,}3 = 8{,}7\ \text{В}

Вывод: выбор диода — это всегда компромисс между потерями напряжения, допустимым током и обратным напряжением.

6. Практика

🔬 Симулятор: Клапан в действии: диод в обе стороны

Сначала посчитай, потом запускай. Ожидаемый результат: при прямом включении ток идёт, на диоде падает ~0,7 В. Переверни источник — ток практически нулевой. Проверь себя — сходится ли расчёт с симулятором.

▶ Открыть схему в Falstad — откроется в новой вкладке уже собранной.

Если ссылка не открылась — собрать вручную

Зайти на falstad.com/circuit → меню File → Import From Text → вставить:

$ 1 0.000005 10.20 50 5 43 5e-11
v 144 288 144 128 0 0 40 5 0 0 0.5
d 144 128 304 128 2 default
r 304 128 304 288 0 330
w 144 288 304 288 0
g 144 288 144 336 0 0

Не сработал и импорт — собери схему мышью (Draw → Resistor / Voltage Source). Это 2–3 минуты и само по себе тренировка чтения схемы.

Наведи курсор на диод: увидишь падение около 0,7 В независимо от того, 5 вольт у источника или 9. Теперь поставь источнику отрицательное напряжение (двойной клик, вписать −5) — ток исчезнет.

🔬 Симулятор: Выпрямление: из переменного тока — пульсирующий постоянный

Сначала посчитай, потом запускай. Ожидаемый результат: на выходе остаются только положительные полуволны, с пиком примерно 4,3 В вместо 5 В — разницу съел порог диода. Проверь себя — сходится ли расчёт с симулятором.

Осциллограф. Поставь на скоп источник и резистор одновременно: сверху синусоида, снизу — срезанная половина. Правый клик на элементе → View in Scope — график появится внизу окна.

▶ Открыть схему в Falstad — откроется в новой вкладке уже собранной.

Если ссылка не открылась — собрать вручную

Зайти на falstad.com/circuit → меню File → Import From Text → вставить:

$ 1 0.000005 10.20 50 5 43 5e-11
v 144 288 144 128 0 1 50 5 0 0 0.5
d 144 128 304 128 2 default
r 304 128 304 288 0 1000
w 144 288 304 288 0
g 144 288 144 336 0 0

Половина волны исчезла. Это и есть выпрямление в простейшем виде. Обрати внимание на высоту пика: он ниже входного ровно на порог диода. Именно так устроен первый каскад любой зарядки — дальше идёт конденсатор, который сглаживает пульсации в ровную линию.

Сборка на верстаке

Что делаем	Что наблюдаем
1. Клапан. Диод + резистор + светодиод, перевернуть диод	горит только в одном направлении
2. Измерить порог. Мультиметр на диоде под током	около 0,7 В у кремниевого, 0,3 В у Шоттки
3. Радуга порогов. Светодиоды разных цветов, один резистор	разная яркость; синий от 3 В может не зажечься
4. Защита. Диод последовательно, батарейку вставить наоборот	схема не работает, но и не горит

Полярность диода. Катод (куда ток выходит) помечен полосой на корпусе. У светодиода катод — короткая ножка, а внутри корпуса с этой стороны более крупный электрод: если ножки уже подрезаны, смотри на просвет.

Диод без резистора к батарейке подключать нельзя: открытый диод почти не сопротивляется, ток ограничен только внутренним сопротивлением батарейки — это короткое замыкание.

7. Разноуровневые задания

Как на корпусе диода обозначен катод?
Чему равно прямое падение у кремниевого диода? У Шоттки?
Какая ножка у нового светодиода — анод?

Почему синему светодиоду нужно больше напряжения, чем красному?
Диод пропускает ток «в одну сторону». Почему тогда на нём падает напряжение — он же должен просто пропускать?
Объясни, почему защитный диод параллельно мотору не мешает мотору работать.

Питание 5 В, нужно зажечь синий светодиод (3 В) током 15 мА. Посчитай резистор, выбери из ряда E12.
Схема на 12 В потребляет 500 мА и работает от 11 В. Можно ли защитить её кремниевым диодом? А Шоттки?
Предложи схему, которая горит зелёным при правильной полярности батарейки и красным при неправильной. (Подсказка: два светодиода навстречу друг другу.)

8. Итог урока (30 секунд)

Диод — клапан с порогом: ток в одну сторону, и только выше 0,7 В.
Порог зависит от материала: кремний 0,7 В, Шоттки 0,3 В, светодиод 1,8–3,3 В.
Три работы диода: выпрямлять, защищать от переполюсовки, гасить выброс катушки.

Дополнительные вопросы

Конденсатор — карточка учителя Диод — карточка учителя