Δίοδος

Η δίοδος είναι ένα βασικό εξάρτημα που συναντάμε σχεδόν παντού στα ηλεκτρονικά: στην τηλεόραση, στο ραδιόφωνο, στους ηλεκτρονικούς υπολογιστές και σε αμέτρητα άλλα κυκλώματα. Σε αυτή την ενότητα θα δούμε τι είναι η δίοδος, πώς συμπεριφέρεται, ποιες είναι οι χαρακτηριστικές της καμπύλες, καθώς και βασικές εφαρμογές της, ανάμεσά τους και οι λογικές πύλες AND και OR. 💡

Τι είναι η δίοδος

Η δίοδος αποτελείται από δύο διαφορετικούς ημιαγωγούς που βρίσκονται σε επαφή μεταξύ τους.

Το ήξερες;

Η μορφή και ο συμβολισμός της διόδου φαίνονται στο σχολικό βιβλίο (εικ. 2.11-51). Στον συμβολισμό, ένα τρίγωνο «δείχνει» προς μία γραμμή. Το τρίγωνο συμβολίζει την κατεύθυνση προς την οποία η δίοδος επιτρέπει εύκολα τη διέλευση του (συμβατικού) ρεύματος, ενώ η γραμμή συμβολίζει την κάθοδο, δηλαδή το «φράγμα» στην αντίθετη φορά.

Το βασικό χαρακτηριστικό της διόδου είναι ότι δεν συμπεριφέρεται το ίδιο και προς τις δύο φορές. Η αγωγιμότητά της εξαρτάται από την πολικότητα της τάσης που εφαρμόζουμε στα άκρα της.

Ορθή πόλωση

Ορισμός — Ορθή φορά

Η δίοδος είναι καλός αγωγός (άγει εύκολα) όταν η τάση στα άκρα της έχει συγκεκριμένη πολικότητα. Η τάση αυτή λέγεται τάση ορθής φοράς και τότε λέμε ότι η δίοδος είναι ορθά πολωμένη.

Όταν η δίοδος είναι ορθά πολωμένη και ανήκει σε κύκλωμα με λαμπτήρα, το ρεύμα διαρρέει το κύκλωμα και ο λαμπτήρας φωτοβολεί (εικ. 2.11-52 του βιβλίου).

Ανάστροφη πόλωση

Ορισμός — Ανάστροφη τάση

Η δίοδος είναι κακός αγωγός (δεν άγει σχεδόν καθόλου) όταν η τάση στα άκρα της έχει αντίθετη πολικότητα από την προηγούμενη. Η τάση αυτή λέγεται ανάστροφη τάση και τότε λέμε ότι η δίοδος είναι ανάστροφα πολωμένη.

Όταν η δίοδος είναι ανάστροφα πολωμένη, το κύκλωμα δεν διαρρέεται από ρεύμα και ο λαμπτήρας δεν φωτοβολεί (εικ. 2.11-53 του βιβλίου).

Άνοδος και κάθοδος

Όταν η δίοδος είναι ορθά πολωμένη:

Το άκρο της διόδου που συνδέεται με τον θετικό πόλο της πηγής λέγεται άνοδος.
Το άλλο άκρο λέγεται κάθοδος.

Αυτό φαίνεται στην εικ. 2.11-54 του βιβλίου.

Το ήξερες;

Στις διόδους με κυλινδρικό περίβλημα, μια ταινία διαφορετικού χρώματος από το χρώμα του περιβλήματος χρησιμοποιείται για να δείξει ποιο άκρο είναι η κάθοδος. Έτσι ξέρουμε πάντα προς ποια φορά πρέπει να τη συνδέσουμε. 🎨

Προσοχή!

Οι δίοδοι μπορούν να καταστραφούν εύκολα όταν τις διαρρέουν μεγάλες εντάσεις ηλεκτρικού ρεύματος. Για τον λόγο αυτό τοποθετούνται στα κυκλώματα συνδεμένες σε σειρά με κατάλληλη αντίσταση, η οποία περιορίζει την ένταση του ρεύματος που τις διαρρέει.

Χαρακτηριστικές καμπύλες διόδων

Η χαρακτηριστική καμπύλη μιας διόδου μάς δείχνει πώς μεταβάλλεται η ένταση του ρεύματος σε σχέση με την τάση. Στο σχολικό βιβλίο (εικ. 2.11-55) δίνονται οι χαρακτηριστικές καμπύλες μιας διόδου πυριτίου (Si) και μιας διόδου γερμανίου (Ge).

Από τις καμπύλες αυτές προκύπτουν τα εξής συμπεράσματα:

Πρόταση (ανάστροφη πόλωση): Όταν η δίοδος είναι ανάστροφα πολωμένη, δεν διαρρέεται από ρεύμα.

Πρόταση (τάση κατωφλίου):

Η δίοδος Si άγει όταν η εφαρμοζόμενη τάση είναι μεγαλύτερη από $0{,}7\ \text{V}$ .
Η δίοδος Ge άγει όταν η εφαρμοζόμενη τάση είναι μεγαλύτερη από $0{,}3\ \text{V}$ .

Πρόταση (σταθερή πτώση τάσης): Όταν οι δίοδοι Si και Ge άγουν, η πτώση τάσης στα άκρα τους παραμένει σχεδόν σταθερή και περίπου ίση με:

V_{Si} \approx 0{,}7\ \text{V}, \qquad V_{Ge} \approx 0{,}3\ \text{V}

Προσοχή!

Το σχολικό βιβλίο σε ένα σημείο της περιγραφής αναφέρει τις τιμές κατωφλίου με αντεστραμμένη σειρά. Η σωστή και διεθνώς αποδεκτή αντιστοίχιση είναι: το πυρίτιο (Si) έχει τάση κατωφλίου περίπου $0{,}7\ \text{V}$ και το γερμάνιο (Ge) περίπου $0{,}3\ \text{V}$ . Αυτό συμφωνεί και με την πτώση τάσης που το ίδιο το βιβλίο χρησιμοποιεί στις εφαρμογές (π.χ. $0{,}7\ \text{V}$ για δίοδο Si στις πύλες). ⚠️

Πρακτικός κανόνας

Στις ασκήσεις, μια ορθά πολωμένη δίοδο Si τη θεωρούμε συχνά σαν έναν αγωγό με σταθερή πτώση τάσης $0{,}7\ \text{V}$ . Όταν θέλουμε κατά προσέγγιση εκτίμηση, τη θεωρούμε σαν ιδανικό διακόπτη: κλειστός όταν άγει, ανοιχτός όταν δεν άγει. 🔌

Εφαρμογές της διόδου

Η μονόδρομη συμπεριφορά της διόδου την κάνει εξαιρετικά χρήσιμη. Ας δούμε τέσσερις χαρακτηριστικές εφαρμογές.

α) Προστασία συσκευής από λανθασμένη σύνδεση

Η δίοδος χρησιμοποιείται για να προστατεύσει μια συσκευή από λανθασμένη σύνδεση της πηγής (εικ. 2.11-56).

Στο κύκλωμα ο θετικός πόλος της πηγής πρέπει να συνδεθεί στο σημείο $A$ και ο αρνητικός στο σημείο $B$ . Αν κατά λάθος συνδέσουμε την πηγή ανάποδα, τότε:

Η δίοδος γίνεται ανάστροφα πολωμένη.
Το κύκλωμα δεν διαρρέεται από ρεύμα.
Η συσκευή δεν καταστρέφεται. ✅

β) Προστασία συσκευής από «διακοπή ρεύματος»

Το κύκλωμα της εικ. 2.11-57 χρησιμοποιείται για την προστασία ενός ηλεκτρονικού υπολογιστή από τη διακοπή του ηλεκτρικού ρεύματος του δικτύου.

Λειτουργεί ως εξής:

Όταν υπάρχει παροχή από το δίκτυο, λειτουργεί το αριστερό κύκλωμα και έτσι γίνεται εξοικονόμηση της μπαταρίας (η μπαταρία δεν χρησιμοποιείται).
Αν συμβεί διακοπή της παροχής, τότε αναλαμβάνει το δεξί κύκλωμα και η μπαταρία τροφοδοτεί τον υπολογιστή ώστε να συνεχίσει να λειτουργεί.

Οι δίοδοι «δρομολογούν» αυτόματα το ρεύμα από τη σωστή πηγή, χωρίς οι δύο πηγές να επηρεάζουν η μία την άλλη.

γ) Η πύλη AND

Η πύλη AND (εικ. 2.11-58) είναι ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα με δύο εισόδους ( $A\Gamma$ και $B\Gamma$ ) και μία έξοδο ( $\Delta\Gamma$ ).

Χρησιμοποιείται όταν θέλουμε να υπάρχει τάση (π.χ. $V_0 = 5\ \text{V}$ ) στην έξοδο $\Delta\Gamma$ μόνο εφόσον υπάρχει τάση (π.χ. μεγαλύτερη ή ίση από $5\ \text{V}$ ) και στην είσοδο $A\Gamma$ και στην είσοδο $B\Gamma$ . Με αυτόν τον τρόπο μπορούμε να ελέγχουμε άλλα κυκλώματα.

Λειτουργία της πύλης AND

Η πηγή τροφοδοσίας του κυκλώματος είναι $V_0 = 5\ \text{V}$ . Εξετάζουμε όλες τις περιπτώσεις (οι δίοδοι θεωρούνται από πυρίτιο, οπότε η πτώση $0{,}7\ \text{V}$ θεωρείται περίπου $0$ ):

i) Αν οι τάσεις $V_{A\Gamma}$ και $V_{B\Gamma}$ είναι μεγαλύτερες ή ίσες από $5\ \text{V}$ , τότε καμία δίοδος δεν άγει. Άρα και τα δύο άκρα του αντιστάτη $R$ έχουν το ίδιο δυναμικό, οπότε:

V_{\Delta\Gamma} = V_0 = 5\ \text{V}

ii) Αν $V_{A\Gamma} \ge 5\ \text{V}$ και $V_{B\Gamma} = 0$ (το $B$ είναι αγώγιμα συνδεμένο με το $\Gamma$ ), τότε η δίοδος $A$ δεν άγει, ενώ η δίοδος $B$ άγει. Η τάση στα άκρα της $B$ είναι $0{,}7\ \text{V} \approx 0$ , επομένως:

V_{\Delta\Gamma} = 0\ \text{V}

iii) Παρόμοια, αν $V_{B\Gamma} \ge 5\ \text{V}$ και $V_{A\Gamma} = 0$ (το $A$ είναι αγώγιμα συνδεμένο με το $\Gamma$ ), τότε:

V_{\Delta\Gamma} = 0\ \text{V}

iv) Παρόμοια, αν $V_{A\Gamma} = 0$ και $V_{B\Gamma} = 0$ (και το $A$ και το $B$ αγώγιμα συνδεμένα με το $\Gamma$ ), τότε:

V_{\Delta\Gamma} = 0\ \text{V}

Πίνακας αληθείας για την πράξη AND

Αν αντιστοιχίσουμε την τάση $0\ \text{V}$ στο λογικό 0 και την τάση μεγαλύτερη ή ίση από $5\ \text{V}$ στο λογικό 1, κατασκευάζουμε τον παρακάτω πίνακα αληθείας για την πράξη AND:

A	B	Γ
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

Πόρισμα: Η τάση εξόδου είναι μεγαλύτερη ή ίση από $5\ \text{V}$ (δηλαδή $\Gamma = 1$ ) μόνο όταν και η τάση $V_{A\Gamma}$ και η τάση $V_{B\Gamma}$ είναι μεγαλύτερες ή ίσες από $5\ \text{V}$ (δηλαδή $A = 1$ και $B = 1$ ).

Ισοδύναμο κύκλωμα με διακόπτες

Τον ίδιο ακριβώς πίνακα αληθείας έχουμε και για το κύκλωμα της εικ. 2.11-59, όπου δύο διακόπτες $A$ και $B$ είναι συνδεμένοι σε σειρά με μια λάμπα. Για να ανάψει η λάμπα ( $\Gamma = 1$ ) πρέπει και ο διακόπτης $A$ να είναι κλειστός ( $A = 1$ ) και ο διακόπτης $B$ να είναι κλειστός ( $B = 1$ ). 🔦

δ) Η πύλη OR

Η πύλη OR (εικ. 2.11-60) είναι ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα με δύο εισόδους ( $A\Gamma$ και $B\Gamma$ ) και μία έξοδο ( $\Delta\Gamma$ ).

Χρησιμοποιείται όταν θέλουμε να υπάρχει τάση στην έξοδο $\Delta\Gamma$ εφόσον υπάρχει τάση ή στην είσοδο $A\Gamma$ ή στην είσοδο $B\Gamma$ . Με αυτόν τον τρόπο μπορούμε να ελέγχουμε άλλα κυκλώματα.

Λειτουργία της πύλης OR

i) Αν $V_{A\Gamma} = 0$ και $V_{B\Gamma} = 0$ (και το $A$ και το $B$ αγώγιμα συνδεμένα με το $\Gamma$ ), τότε δεν υπάρχει ρεύμα. Άρα:

V_{\Delta\Gamma} = 0\ \text{V}

ii) Αν $V_{A\Gamma}$ είναι θετική (π.χ. $5\ \text{V}$ ) και $V_{B\Gamma} = 0$ , τότε η δίοδος $A$ άγει, ενώ η δίοδος $B$ δεν άγει. Αν οι δίοδοι είναι από πυρίτιο, η πτώση στα άκρα της $A$ είναι $0{,}7\ \text{V}$ , οπότε:

V_{\Delta\Gamma} = 5 - 0{,}7 = 4{,}3\ \text{V}

Θεωρώντας την τάση της διόδου $A$ περίπου μηδέν, παίρνουμε κατά προσέγγιση:

V_{\Delta\Gamma} \approx 5\ \text{V}

iii) Παρόμοια, αν $V_{A\Gamma} = 0$ (το $A$ αγώγιμα συνδεμένο με το $\Gamma$ ) και $V_{B\Gamma}$ είναι θετική (π.χ. $5\ \text{V}$ ), τότε:

V_{\Delta\Gamma} = 5\ \text{V}

iv) Παρόμοια, αν και οι δύο τάσεις $V_{A\Gamma}$ και $V_{B\Gamma}$ είναι θετικές (π.χ. $5\ \text{V}$ ), τότε:

V_{\Delta\Gamma} = 5\ \text{V}

Πίνακας αληθείας για την πράξη OR

Αν αντιστοιχίσουμε την τάση $0\ \text{V}$ στο λογικό 0 και την τάση $5\ \text{V}$ στο λογικό 1, κατασκευάζουμε τον παρακάτω πίνακα αληθείας για την πράξη OR:

A	B	Γ
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	1

Πόρισμα: Η τάση εξόδου είναι θετική (δηλαδή $\Gamma = 1$ ) όταν τουλάχιστον μία από τις τάσεις $V_{A\Gamma}$ και $V_{B\Gamma}$ είναι θετική (δηλαδή $A = 1$ ή $B = 1$ ή και τα δύο).

Ισοδύναμο κύκλωμα με διακόπτες

Τον ίδιο πίνακα αληθείας έχουμε και για το κύκλωμα της εικ. 2.11-61, όπου δύο διακόπτες $A$ και $B$ είναι συνδεμένοι παράλληλα με μια λάμπα. Για να ανάψει η λάμπα ( $\Gamma = 1$ ) αρκεί τουλάχιστον ένας από τους διακόπτες $A$ και $B$ να είναι κλειστός ( $A = 1$ ή $B = 1$ ή και τα δύο). 🔦

Σύνοψη

Η δίοδος άγει εύκολα μόνο όταν είναι ορθά πολωμένη (τάση ορθής φοράς) και πρακτικά δεν άγει όταν είναι ανάστροφα πολωμένη.
Το άκρο προς τον θετικό πόλο (σε ορθή πόλωση) είναι η άνοδος, το άλλο η κάθοδος (σημειωμένη με ταινία στο περίβλημα).
Σε ορθή αγωγή η πτώση τάσης είναι σχεδόν σταθερή: $\approx 0{,}7\ \text{V}$ για Si και $\approx 0{,}3\ \text{V}$ για Ge.
Πάντα σε σειρά με αντίσταση, για να μην καταστραφεί από μεγάλο ρεύμα.
Εφαρμογές: προστασία από ανάποδη σύνδεση, προστασία από διακοπή ρεύματος, και οι λογικές πύλες AND (έξοδος 1 μόνο αν 1 και τα δύο) και OR (έξοδος 1 αν τουλάχιστον μία είσοδος είναι 1).

✅ Ολοκλήρωση ενότητας «Δίοδος».