Využití diody
Co se děje uvnitř nabíječky?
Do zásuvky přichází střídavé napětí, které padesátkrát za sekundu dokončí celý kmit. Telefon však potřebuje nízké stejnosměrné napětí. Mezi zásuvkou a baterií proto musí proběhnout několik přeměn – a v jedné z nejdůležitějších vystupují diody.
INPUT: 100–240 V~ 50/60 Hz 0,5 A
OUTPUT: 5,0 V ⎓ 3,0 A 15 W
Zobrazit odpověď
Symbol ~ označuje střídavé napětí na vstupu. Symbol ⎓ označuje stejnosměrné napětí na výstupu. Údaje na štítku neříkají, že se 230 V pouze „zmenší“ – napětí se také usměrní, vyhladí a elektronicky reguluje.
Moderní spínaný zdroj je složitější než toto čtyřkrokové schéma. Pro pochopení úlohy diody je však rozhodující změna střídavého průběhu na jednosměrný.
Střídavé a stejnosměrné napětí
U stejnosměrného napětí zůstává polarita stejná. U střídavého napětí se polarita periodicky obrací, a proto by se bez úpravy měnil také směr proudu spotřebičem. Dioda může jednu polaritu propustit a druhou téměř zablokovat.
Jednocestné usměrnění
Nejjednodušší usměrňovač tvoří jediná dioda. Během jedné půlvlny je zapojena v propustném směru a proud prochází. Během druhé půlvlny je v závěrném směru a proud je téměř nulový. Na výstupu proto nezískáme stálé napětí, ale pulzující stejnosměrné napětí.
Dvoucestné usměrnění: diodový můstek
Čtyři diody lze zapojit tak, že spotřebičem prochází proud v obou půlvlnách stejným směrem. V každé půlvlně vedou právě dvě diody a druhé dvě proud blokují. Zapojení se často nazývá Graetzův můstek.
Kladná půlvlna
Proud prochází první dvojicí diod. Horní výstup zůstává kladný.
Záporná půlvlna
Proud převezme druhá dvojice diod. Spotřebičem však opět teče stejným směrem.
Historická zajímavost – je „Graetzův“ můstek skutečně Graetzův?
Německý fyzik Leo Graetz popsal můstkové usměrnění roku 1897 a jeho jméno se pro zapojení vžilo. Polský elektrotechnik Karol Pollak však získal britský patent na můstkový usměrňovač už roku 1896. Zapojení navíc původně neobsahovalo dnešní polovodičové diody; používaly se tehdy dostupné elektrolytické usměrňovače. Stejná topologie se později realizovala vakuovými i polovodičovými diodami.
Proč za usměrňovačem bývá kondenzátor?
Ani dvoucestně usměrněné napětí není stálé. Kondenzátor se poblíž vrcholu pulzu nabije a mezi vrcholy dodává energii spotřebiči. Napětí proto neklesne až k nule. Zůstává jen menší zvlnění, které další část zdroje omezuje regulací.
Další využití diod
| Součástka nebo zapojení | Co dioda dělá | Konkrétní příklad |
|---|---|---|
| LED | Při rekombinaci elektronů a děr vyzařuje světlo. Barva souvisí s energií fotonů a s použitým polovodičem. | Kontrolka, displej, osvětlení, optický přenos dat. |
| Fotodioda | Dopadající světlo vytváří nositele náboje a měřitelný proud. | Optická závora, přijímač dálkového ovládání, pulzní oxymetr. |
| Solární článek | Velkoplošný PN přechod odděluje nositele vytvořené světlem a dodává elektrickou energii. | Fotovoltaický panel, kalkulačka, družice. |
| Ochranná dioda | Blokuje proud při opačné polaritě nebo poskytne bezpečnou cestu proudu indukční zátěže. | Ochrana přístroje před obrácenou baterií; dioda paralelně k relé. |
| Zenerova dioda | Je navržena pro práci v řízeném průrazu a pomáhá omezit nebo stabilizovat napětí. | Napěťová reference a ochrana vstupu. |
Proč různé LED vyzařují různou barvu?
Při rekombinaci se uvolní energie přibližně odpovídající šířce zakázaného pásu polovodiče. Foton má energii E = hf: větší energie znamená vyšší frekvenci a kratší vlnovou délku. Barvu proto neurčuje barevné plastové pouzdro, ale především materiál a struktura aktivní vrstvy. Bílé LED obvykle využívají modrou LED a luminofor, který část světla převede na delší vlnové délky.
Jak může jedna LED světlo vysílat i detekovat?
Při průchodu proudu LED může rekombinace nositelů vytvářet fotony. Opačný proces je také možný: světlo s dostatečnou energií vytvoří elektron a díru a vznikne malý elektrický signál. Běžná LED proto může fungovat jako jednoduchý světelný senzor, nejcitlivější obvykle pro podobné nebo kratší vlnové délky, než sama vyzařuje.
Experiment: od střídavého napětí ke stejnosměrnému
Na bezpečném zdroji malého střídavého napětí porovnejte tři zapojení: bez diody, s jednou diodou a se čtyřdiodovým můstkem. Výstup sledujte osciloskopem nebo vhodným měřicím rozhraním. Nakonec připojte kondenzátor a pozorujte změnu zvlnění.
- Pomůcky: izolovaný školní zdroj 6–12 V AC, čtyři diody, rezistor jako zátěž, kondenzátor s dostatečným jmenovitým napětím, nepájivé pole a osciloskop.
- Sledujte: polaritu výstupu, počet pulzů za periodu a nejmenší napětí mezi maximy.
- Měňte: kapacitu kondenzátoru nebo odpor zátěže a vysvětlete změnu zvlnění.
Poznámka pro učitele
Nejprve nechte žáky předpovědět průběh pro každé zapojení a až potom jej zobrazte. U můstku lze čtyři diody nahradit hotovým pouzdrem; pro pochopení proudových cest je však vhodnější první měření se samostatnými diodami. Při připojení elektrolytického kondenzátoru zkontrolujte polaritu.
Kontrolní otázky
Zobrazit odpověď
Dioda odstraní jednu polaritu, ale propouštěná půlvlna stále roste od nuly k maximu a znovu klesá. Výstup je jednosměrný, ale pulzující.
Zobrazit odpověď
Dvě. Při změně polarity začne vést druhá dvojice, takže proud zátěží zachová svůj směr.
Zobrazit odpověď
Kondenzátor se mezi vrcholy vybíjí rychleji, a proto napětí více poklesne a zvlnění se zvětší.
Zobrazit odpověď
Ne. Elektrickou energii získává z dopadajícího světla. Ve tmě se elektricky chová přibližně jako dioda a energii nedodává.
Časté omyly
- „Usměrněné napětí je automaticky konstantní.“ Bez vyhlazení je pulzující a i po vyhlazení může obsahovat zvlnění.
- „Kondenzátor mění střídavé napětí na stejnosměrné.“ Směr proudu mění usměrňovač; kondenzátor pouze omezuje kolísání napětí.
- „V můstku vedou všechny čtyři diody současně.“ V každé půlvlně běžně vede jedna dvojice.
- „Na každé diodě je vždy přesně 0,7 V.“ Propustné napětí závisí na typu, proudu a teplotě; v můstku navíc proud prochází dvěma diodami.
- „LED může být připojena přímo ke zdroji napětí.“ Proud je nutné omezit rezistorem nebo vhodným proudovým zdrojem.
Česko-anglický slovníček
- usměrňovač
- rectifier
- jednocestné usměrnění
- half-wave rectification
- dvoucestné usměrnění
- full-wave rectification
- diodový můstek
- diode bridge
- střídavé napětí
- alternating voltage
- stejnosměrné napětí
- direct voltage
- vyhlazovací kondenzátor
- smoothing capacitor
- zvlnění
- ripple
- světelná dioda
- light-emitting diode
- fotodioda
- photodiode
- solární článek
- solar cell
- ochranná dioda
- protection diode