Využití diody
Letadlo ještě nebylo vidět. Radar už o něm věděl.
Za druhé světové války mohlo několik minut varování rozhodnout o životě lidí i o výsledku útoku. Radar vyslal krátký elektromagnetický signál a čekal na jeho slabou ozvěnu od letadla. Čím kratší vlny konstruktéři používali, tím přesněji dokázali určit, odkud se cíl blíží. Objevil se však problém: jak nepatrnou a velmi rychle se měnící ozvěnu zachytit?
Tehdejší elektronky si s mikrovlnným signálem neporadily dostatečně dobře. Konstruktéři se proto vrátili k součástce, která už vypadala zastarale – k malému krystalu, jehož povrchu se dotýkal tenký kovový hrot. Hrotová dioda byla drobná a rychlá, ale také náladová: nepatrný posun hrotu mohl změnit její vlastnosti nebo ji úplně vyřadit.
Válečný výzkum proto urychlil čištění germania a křemíku i studium příměsí. Jak výrazný návrat krystalových součástek válka způsobila, ukazuje už dobový tisk. V únoru 1946 věnoval časopis Sylvania News tomuto tématu článek s příznačným titulkem Crystals Stage a Comeback – „Krystaly se vracejí“. Autor návrat krystalových detektorů přímo spojoval s válkou urychleným rozvojem vysokých frekvencí a představil také novou germaniovou diodu 1N34.
Zkušenosti získané při výrobě radarových diod se po válce staly jedním z kroků ke vzniku tranzistoru. Součástka, která pomáhala odhalovat letadla ve tmě a v mracích, tak zároveň pomohla otevřít cestu k dnešním počítačům a mobilním telefonům. Celý dobový článek je na stranách 13–15 digitalizovaného časopisu.
Zobrazit odpověď
Elektrický signál v mikrovlnném radaru se měnil mimořádně rychle. Malá hrotová dioda jej dokázala zpracovat lépe než tehdejší elektronky. V přijímači pomáhala získat užitečnou informaci z rychle kmitajícího radarového signálu.
Radarová dioda nepracovala stejně jako dioda v běžném napájecím zdroji. V obou případech se však využívá její základní vlastnost: proud jí prochází mnohem snadněji jedním směrem než druhým. Jak lze této vlastnosti využít?
Střídavé a stejnosměrné napětí
Každý den zasuneme nabíječku do zásuvky a připojíme k ní telefon. Přitom spojujeme dvě zařízení, která pracují s velmi odlišným napětím. Co se musí odehrát uvnitř malé nabíječky?
Na štítku nabíječky bývají například tyto údaje:
INPUT AC 100–240 V ~ 50/60 Hz 1,8 A max.
USB‑C1/C2 OUTPUT 5 V ⎓ 3 A / 9 V ⎓ 3 A / 12 V ⎓ 3 A / 15 V ⎓ 3 A / 20 V ⎓ 5 A
- INPUT označuje vstup ze zásuvky. Hodnota 100–240 V říká, pro jaká efektivní síťová napětí je nabíječka navržena.
- Značka ~ znamená střídavé napětí. Jeho polarita se stále obrací, takže by se v připojeném obvodu periodicky měnil i směr proudu.
- 50/60 Hz je frekvence sítě. Při 50 Hz se celý průběh zopakuje padesátkrát za sekundu; polarita se tedy obrátí stokrát za sekundu. Údaj 50/60 Hz znamená, že nabíječka může pracovat v zemích s oběma běžnými frekvencemi.
- OUTPUT označuje výstup k telefonu. Značka ⎓ znamená stejnosměrné napětí: polarita výstupních kontaktů se nemění.
Proč vůbec elektrická síť používá střídavé napětí? Jeho velikost lze pomocí transformátorů účinně měnit, což historicky umožnilo přenášet elektrickou energii na velké vzdálenosti při vysokém napětí a menších ztrátách. Dnešní síť proto dodává střídavé napětí, i když mnoho elektronických zařízení uvnitř pracuje se stejnosměrným.
Čipy, paměť i baterie telefonu potřebují určenou polaritu napájení. Obracení polarity padesátkrát za sekundu by jejich obvody nenapájelo správně a mohlo by je poškodit. Nabíječka proto musí síťové napětí převést na bezpečné, řízené stejnosměrné napětí.
Proč má USB‑C nabíječka několik výstupních napětí?
Starší nabíječka Nokia z předchozí verze měla jediný údaj 5,7 V ⎓ 800 mA. Moderní USB‑C nabíječka může nabídnout několik režimů. Po připojení se zařízení s nabíječkou domluví, jaké napětí a největší proud může bezpečně použít. Bez této domluvy začne běžným režimem 5 V.
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.
Je diodový můstek opravdu uvnitř nabíječky?
Ve většině běžných síťových nabíječek ano. Můstek obvykle usměrní síťové napětí hned za pojistkou a odrušovacím filtrem. Tím však přeměna nekončí. Následuje kondenzátor, vysokofrekvenční spínání, malý transformátor zajišťující změnu napětí a galvanické oddělení, usměrnění na výstupu a elektronická regulace. Některé velmi úsporné nebo zvláštní konstrukce mohou použít jiné řešení, proto můstek není absolutně povinnou součástí každé nabíječky.
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?
Kondenzátor je součástka tvořená dvěma vodivými plochami oddělenými izolantem. Po připojení ke zdroji se na jedné ploše nahromadí kladný a na druhé záporný náboj. Kondenzátor tak může krátkodobě uchovat elektrickou energii a později ji odevzdat obvodu.
Napětí roste
Kondenzátor se nabíjí: část energie ze zdroje se v něm uloží.
Napětí klesá
Kondenzátor se vybíjí do spotřebiče a zpomaluje pokles napětí.
Ani dvoucestně usměrněné napětí není stálé. Kondenzátor se poblíž vrcholu každého pulzu dobije a mezi vrcholy dodává energii spotřebiči. Napětí proto neklesne až k nule. Zůstává jen menší kolísání nazývané zvlnění; v nabíječce je dále omezuje regulační obvod.
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?
Uvnitř LED se elektrony dostávají z vyššího energetického stavu do nižšího. Uvolněná energie se objeví jako částice světla – foton. Různé polovodičové materiály mají mezi těmito stavy různě velký energetický „schod“:
- menší energetický rozdíl vytváří fotony s menší energií, například červené světlo;
- větší rozdíl vytváří energetičtější fotony, například modré světlo.
Barvu tedy určuje hlavně materiál a vnitřní stavba LED, nikoli barva jejího plastového pouzdra. Průhledná LED proto může svítit červeně, zeleně i modře.
A jak vzniká bílá? Běžná bílá LED obsahuje modrou LED a vrstvu luminoforu. Ta část modrého světla pohltí a vyšle světlo jiných barev. Jejich směs pak vnímáme jako bílou.
Pro zvídavé: vztah energie a barvy
Energie fotonu je E = hf. Vyšší frekvence znamená větší energii a současně kratší vlnovou délku. Proto má modrý foton více energie než červený.
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