Dioder

En diod är en komponent som bara släpper genom ström i en riktning. Denna egenskap används på många olika sätt, från att likrikta och reglera spänning, att hantera och kombinera analoga och digitala signaler, till mer esoteriska användningsområden som oscillatorer och RF-kretsar av olika slag.

Dioder har två poler, som benämns anod (+) och katod (-). Som minnesregel kan man tänka att pilen i symbolen visar den (konventionella) riktning strömmen kan ta, och att strecket ”sätter stopp” för ström. Strecket i symbolen motsvaras på väldigt många dioder av en färgmarkering i ena änden av diodens kapsel. 

Viktiga parametrar för dioder beror på användningsområde, men innehåller bland annat:

Framspänning (spänningsfall, V_F – forward voltage drop): Den spänning som behövs för att dioden ska börja leda ström. 0.6V är ett vanligt värde. 

Spänning (maximal backspänning, V_R(max) – peak inverse voltage/maximum reverse voltage): Hur hög spänning dioden klarar av att blockera. Överskrids den går dioden sönder! Mindre signaldioder klarar normalt under 100V, medan likriktardioder ofta tål 1000V eller mer. En likriktardiod som tål 1000V kan ersätta en med lägre tålighet, men aldrig tvärtom!

Ström (I_F(max) – maximum forward current): Maximal ström som får passera genom dioden. När ström passerar dioden värms den upp. Dioder som tål högre ström värms upp mindre och/eller klarar uppvärmningen bättre. För stora dioder kan det krävas montering med kylfläns för att de ska leva upp till märkströmmen. Precis som med spänning går det bra att välja dioder med högre tålighet. Lägre värmeutveckling är alltid bra, både för dioden själv, mönsterkort och närliggande komponenter.

Typer av dioder

Det finns många olika typer av dioder, med olika användningsområden:

Kiseldiod. Den vanligaste diodtypen. Finns både i modeller för lägre spänning och ström – ofta kallade signaldioder – och kraftigare typer, som brukar kallas likriktardiod eller bara likriktare. Kiseldioder används bland annat för skydd mot felaktig polaritet, skydd mot strömspikar och för likritning av växelström.

Diodbrygga. Består av 4 dioder internt och används till likriktning av växelspänning. De finns i många olika kapslingar, från små chip till rejäla pjäser för montering i chassi med bult. Kallas ofta likriktarbryggor eller bara likriktare.

Schottkydiod. Liknar på många sätt kiseldioder och används på likartade sätt, men kännetecknas av ett lägre spänningsfall, typiskt 0.45V. Av den anledningen förekommer de i särskilt effektiva kretsar som switchade strömförsörjningar – mer sällan i diodbryggor i linjära nätdelar. Tål i regel lägre spänningar för en given kapsel jämfört med kiseldioder.

Zenerdiod. Används för att reglera spänning, som skydd eller som spänningsreferens. Zenerdioder har en särskild spänning då de börjar leda ström “baklänges”, den så kallade zenerspänningen. Kopplas i omvänd riktning. I den andra riktningen fungerar de ungefär som vanliga signaldioder.

Transientskydd. Dioder som är särskilt framtagna för att skydda mot överspänning och spikar från t.ex. statisk elektricitet. Liknar zenerdioder, men är optimerade för att arbeta på andra sätt. Finns i bidirektionell och unidirektionell version, och i kombinerade kretsar med en kombination av kiseldioder och transientskydd, för en eller flera kanaler. Kallas ofta TVS-diod (Transient Voltage Suppression).

Lavindiod. Liknar zenerdioder och kopplas också i motsatt riktning för att nå sin breakdown-spänning och då börja leda. De bygger på en annan teknik, och spänningen är mer konstant vid varierande ström än hos zenerdioder.

Germaniumdiod. Är lik kisel- och schottkydioder men med ännu lägre framspänning, nedåt 0.2V. Germaniumdioden är den första dioden tillverkad i halvledarmaterial, och förekommer främst i äldre elektronik, men också i moderna effektpedaler. 

Kapacitansdiod. Ändrar kapacitans efter vilken spänning dioden ser. Används i oscillatorer i RF-sammanhang och fungerar som en spänningsstyrd kondensator snarare än en diod. Symbolen är en kombination av kondensator och diod. Kallas ofta för varicap eller varactor.

PIN-diod. En särskild sorts diod som har en mittenregion mellan P- och N-regionerna i dioden som är lätt dopad (därav I:et i namnet). Används i RF-sammanhang. Har ofta mycket låg och stabil kapacitans, och kan fungera som transientskydd för känslig elektronik som hanterar signaler med höga frekvenser.

Lysdiod. Dioder som lyser när de leder ström – LED. Har högre spänningsfall än vanliga kiseldioder, men fungerar i princip likadant.

Fotodiod. En typ av PIN-diod som används för att detektera ljus. 

Viktiga användningsområden

Nedan beskrivs några vanliga applikationer för dioder. Ibland kan flera olika typer av dioder användas för samma funktion, medan vissa funktioner kräver en viss sorts diod.

Frihjulsdioder

En frihjulsdiod (eng. flyback diode, freewheel diode, snubber diode) är en skyddsdiod som används tillsammans med induktiva laster, t.ex. DC-motorer, reläer, solenoider och elektromagneter. Syftet är att skydda annan elektronik såsom drivkretsar från farliga spänningar. Spolen i induktiva laster ”vill” att strömmen som passerar genom dem ska vara konstant. När man bryter strömmen – t.ex. vid PWM-styrning DC-motorer eller när man stänger av ett relä – så kollapsar spolens magnetfält. Induktansen försöker då se till att strömmen bibehålls, genom att orsaka en kortvarig spänningspuls med omvänd polaritet.

På engelska brukar spänningen kallas back EMF (som står för Electromotive Force). Spänningen kan vara mycket hög, och utan en skyddsdiod kommer den ta vägen genom kringliggande elektronik, t.ex. transistorer eller motordrivare. Förutom att de kan skada elektronik så kommer sådana kortvariga strömspikar också orsaka elektromagnetisk störning (EMI). Sådan störning kan överledas till annan utrustning och t.ex. orsaka omstarter i mikrokontrollers, eller påverka trådlös kommunikation.

Frihjulsdioder ska kopplas parallellt med lasten i spärriktning, alltså med katoden mot positiv spänning. I bilden intill visas hur man bör koppla ett relä för att skydda mot back-EMF.

När transistorswitchen öppnas passerar ström genom spolen i reläet (och lampan tänds). Dioden blockerar spänning från att passera, eftersom den är i spärriktningen (reverse biased). När switchen stängs kan inte strömmen passera vidare genom transistorn. Istället sluts kretsen genom dioden, som börjar leda, vilket laddar ur spänningen spolen hade genererat, vilket förhindrar att skadliga spänningsspikar uppstår.

För att minimera elektromagnetisk störning är det bra att placera dioden nära induktansen.

Val av diod för bruk som frihjulsdiod

Frihjulsdioder är alltså inte en typ av diod, utan en bara benämning på de dioder som används på det här viset. Många olika typer av dioder kan fungera. För separata induktiva laster som reläer och DC-motorer är vanliga kiseldioder vanligast, medan man ofta finner en eller flera Schottkydioder inuti DC-DC-omvandlare.

Att agera frihjulsdiod är inte en särskilt krävande uppgift för dioder. Ofta är spänningarna de behöver blockera inte särskilt stora – en bra tumregel är att dioden minst bör tåla reläets spolspänning gånger två. För relän och motorer som drivs på 24V och lägre duger alltså en vanlig 1N4148 gott, eftersom de tål minst 75V.

Dioden måste också tåla reläets spolström, eftersom det är den strömmen induktansen kommer försöka bibehålla. Även vad gäller detta duger 1N4148 ofta med marginal, eftersom dess högsta tillåtna framström (average forward current) är 200mA, och många reläer har en spolström på långt under 100mA.

Ett enkelt och bra alternativ till att fundera så mycket över framström och spänningstålighet är att helt enkelt ta en rejäl diod, nämligen någon i den klassiska 1N400x-serien. Till exempel så tål dioden 1N4007 1000V backspänning, och 1A kontinuerlig framström. Det viktigaste är att man har någon skyddsdiod!