En diod är en halvledarkomponent som släpper igenom ström i en riktning och spärrar i den andra. Den har två anslutningar. Strömmen går in i anoden och ut ur katoden. Katoden är markerad med en ring på komponenten. Dioder används för att göra om växelström till likström i likriktare, för att skydda kretsar mot felvänd spänning och, i form av lysdioder, för att ge ljus.
Dioden är den enklaste av alla halvledarkomponenter. Ändå finns den i varenda laddare, nätaggregat och LED-lampa. Här förklarar vi hur den fungerar, hur fyra dioder i en likriktarbrygga gör likström av växelström och hur du räknar ut motståndet till en lysdiod.
Vad gör en diod?
Komponenten fungerar som en backventil för elektricitet. Är anoden mer positiv än katoden leder dioden och strömmen flyter fritt. Vänds spänningen spärrar dioden, så att nästan ingen ström kommer igenom.
I kopplingsscheman ritas dioden som en triangel som pekar mot ett streck. Triangeln visar strömmens riktning. Strecket är katoden och motsvarar ringen på den verkliga komponenten. En diod har två ben som inte är utbytbara.
Så fungerar dioden inuti
En vanlig diod är gjord av kisel som har dopats på två sätt. Den ena halvan har ett överskott av elektroner och kallas n-sida. Den andra har ett underskott av elektroner (så kallade hål) och kallas p-sida. Där de två halvorna möts uppstår en pn-övergång.
Vid övergången bildas ett tunt skikt utan fria laddningsbärare, ett spärrskikt. Läggs plus på p-sidan och minus på n-sidan trycks laddningarna in i skiktet tills det försvinner. Dioden börjar leda. För en kiseldiod sker det vid ungefär 0,6 till 0,7 volt. Den spänningen kallas framspänning och ligger kvar över dioden så länge den leder. Läggs spänningen åt andra hållet blir spärrskiktet bredare i stället. Dioden spärrar.
Varje diod tål bara en viss backspänning. Blir spänningen högre slår dioden igenom och kan förstöras. Gränsen står i databladet.
Likriktaren: från växelström till likström
Den vanligaste uppgiften för en diod är att likrikta. En ensam diod släpper bara igenom den positiva halvan av växelspänningen. Det kallas halvvågslikriktning och slösar bort hälften av energin.
Med fyra dioder i en likriktarbrygga tas båda halvorna tillvara. Under den positiva halvperioden leder två av dioderna, under den negativa de två andra, så att strömmen genom lasten hela tiden går åt samma håll.
Efter bryggan pulserar spänningen fortfarande. En kondensator jämnar ut den genom att laddas i topparna och fylla i dalarna. Hur den gör det förklaras på sidan om kondensatorn. Varje laddare, nätaggregat och LED-drivdon som går på 230 V innehåller en likriktare av det här slaget. Skillnaden mellan strömarterna förklaras på sidan om likström och växelström.
Lysdioden
En lysdiod, på engelska LED, är en diod som sänder ut ljus när ström flyter genom den. Ljuset uppstår när elektroner och hål möts i pn-övergången och frigör energi i form av fotoner. Färgen bestäms av halvledarmaterialet, inte av något färgat glas.
Lysdioder har högre framspänning än vanliga kiseldioder. Den beror på färgen. Typiska intervall:
| Färg | Framspänning |
|---|---|
| Röd | 1,63 till 2,03 V |
| Grön | 1,9 till 4,0 V |
| Blå | 2,48 till 3,7 V |
| Vit | 2,7 till 3,5 V |
Det långa benet på en lysdiod är anoden. Katoden sitter på det korta benet. Den sidan av plasthöljet är ofta också avplattad.
Den blå lysdioden och Nobelpriset
Röda och gröna lysdioder fanns länge, men vitt ljus krävde en blå lysdiod som var tillräckligt effektiv. Den togs fram av japanerna Isamu Akasaki, Hiroshi Amano och Shuji Nakamura. De fick Nobelpriset i fysik 2014 av Kungliga Vetenskapsakademien i Stockholm. Den vita lysdioden i din taklampa är i regel en blå lysdiod med ett lyspulver som gör om en del av ljuset till gult, så att blandningen ser vit ut.
Räkna ut motståndet till en lysdiod
En lysdiod måste alltid ha något som begränsar strömmen. Kopplas den direkt till ett batteri ökar strömmen tills dioden går sönder. Det enklaste är ett motstånd i serie. Motståndet ska ta upp den spänning som blir över när lysdiodernas framspänning dragits ifrån.
Räkna ut motståndet till en lysdiod
Framspänningen varierar mellan tillverkare. Databladet för din lysdiod gäller före de typiska värdena.
Formeln är R = (U − n × Uf) / I, där U är källans spänning, n antalet lysdioder i serie, Uf framspänningen och I strömmen. Det är Ohms lag tillämpad på den spänning som blir över. Räknaren väljer närmaste standardvärde uppåt ur E12-serien, så att strömmen hamnar lite under det du angett.
Andra sorters dioder
- Zenerdioden är byggd för att leda baklänges vid en bestämd spänning. Den används för att hålla en spänning stabil.
- Skyddsdioden kopplas över en reläspole eller motor. När strömmen bryts tar den hand om spänningstoppen som spolen ger, så att den inte förstör transistorn som styr.
- Schottkydioden har lägre framspänning än en vanlig kiseldiod och kopplar snabbare. Den är vanlig i switchade nätaggregat.
- Fotodioden fungerar tvärtom mot lysdioden. Den släpper igenom ström när ljus faller på den och används som ljusgivare.
- Solcellen är i grunden en stor fotodiod. Ljuset skapar en spänning över pn-övergången.
Testa en diod
De flesta multimetrar har ett diodläge, märkt med diodsymbolen. Håll den röda mätspetsen på anoden och den svarta på katoden. En hel kiseldiod visar då ungefär 0,5 till 0,7 V. Vänd mätspetsarna, så ska mätaren visa att ingen ström går. Visar den nära noll åt båda hållen är dioden kortsluten. Visar den ingenting åt något håll är den avbruten. En lysdiod lyser ofta svagt i diodläget.
Vanliga frågor om dioder
Hur många ben har en diod?
Två: anoden och katoden. Strömmen går in i anoden och ut ur katoden.
Åt vilket håll ska dioden vändas?
Ringen eller strecket på dioden är katoden och ska vara vänd mot den negativa sidan av kretsen. Triangeln i schemasymbolen pekar i strömmens riktning, från plus mot minus.
Vad är skillnaden mellan en diod och en likriktare?
Dioden är komponenten. Likriktaren är kretsen som gör växelström till likström med hjälp av en eller flera dioder. En likriktarbrygga innehåller fyra.
Varför har en lysdiod ett motstånd?
Lysdioden begränsar inte strömmen själv. Utan motstånd eller drivdon blir strömmen för stor och dioden går sönder, ofta på en bråkdel av en sekund.
Källor
- Wikipedia: Light-emitting diode (framspänningar och Nobelpriset 2014)
- Wikipedia: Diode
- Nobelprize.org: The Nobel Prize in Physics 2014