Diode là gì? Hoạt động và ứng dụng của diode trong các mạch điện tử như thế nào? Có bao nhiêu loại diode? Tại sao diode là một linh kiện điện tử được sử dụng rất phổ biến trong các mạch điện tử? Đây là những câu hỏi mà những người mới học điện tử rất quan tâm. Bài viết này sẽ giúp các bạn trả lời các câu hỏi này.
Diode là gì?
Diode (phiên âm tiếng Việt là đi-ốt) hay còn được gọi là diode bán dẫn là một loại linh kiện bán dẫn chỉ cho phép dòng điện đi qua nó theo một chiều mà không theo chiều ngược lại.
Cấu tạo
Điốt bán dẫn có cấu tạo gồm một khối bán dẫn loại P ghép với một khối bán dẫn loại N và được nối với 2 chân ra là Anode và Cathode.
Cấu tạo của diode
Ký hiệu
Diode có 2 đầu và được phân cực, có nghĩa là 2 đầu này khác nhau rõ rệt. Điều quan trọng là bạn không được nhầm lẫn 2 đầu của diode khi kết nối mạch. Đầu dương của diode được gọi là cực Anode và đầu âm được gọi là cực Cathode. Dòng điện chảy qua diode chỉ đi theo một chiều từ Anode sang Cathode.
Ký hiệu của diode trên sơ đồ
Ký hiệu của diode cho thấy rằng dòng điện chạy qua diode theo hướng tam giác/mũi tên đang trỏ, dòng điện không thể đi theo chiều ngược lại.
Trên đây là một vài ví dụ mạch đi-ốt đơn giản. Ở bên trái, đi-ốt D1 được phân cực thuận và cho phép dòng điện chạy qua mạch. Về bản chất nó giống như mạch được nối tắt nếu diode được xem như lý tưởng. Ở bên phải, đi-ốt D2 bị phân cực ngược. Dòng điện không thể chảy qua mạch, và về cơ bản nó giống như trường hợp mạch bị hở.
Ứng dụng
Do tính chất dẫn điện một chiều nên đi-ốt thường được sử dụng trong các mạch chỉnh lưu nguồn xoay chiều thành một chiều, các mạch tách sóng, mạch ghim áp phân cực cho transistor hoạt động.
Một số loại diode thường dùng
Diode tín hiệu
Một đi-ốt tín hiệu là một chất bán dẫn phi tuyến tính nhỏ thường được sử dụng trong các mạch điện tử, nơi tần số cao và dòng nhỏ, trong mạch vô tuyến truyền hình, máy phát thanh và trong các mạch logic số.
Chúng thường có điện áp phân cực thuận trung bình và định mức dòng điện cực đại thấp. Một ví dụ phổ biến của một điốt tín hiệu là 1N4148. Đi-ốt này có điện áp phân cực thuận là 0,72V và định mức dòng điện cực đại là 300mA.
Hình trên cho thấy một đi-ốt tín hiệu nhỏ, 1N4148. Chú ý vòng tròn màu đen xung quanh đi-ốt, vòng tròn này cho biết cực nào là cực âm (cực cathode).
Diode chỉnh lưu
Cấu tạo bởi chất bán dẫn Silic hoặc Gecmani có pha thêm một số chất để tăng thêm số lượng electron tự do. Loại này dùng chủ yếu để chỉnh lưu dòng điện hoặc trong mạch tách sóng.
Một đi-ốt chỉnh lưu hay đi-ốt công suất là một đi-ốt tiêu chuẩn có thông số dòng điện tối đa cao hơn nhiều. Thông số dòng điện cao hơn thường đi kèm với điện áp phân cực thuận lớn hơn. Ví dụ, 1N4001 chịu được dòng điện tối đa 1A và điện áp phân cực thuận là 1.1V.
Hình trên cho thấy hình dạng của đi-ốt 1N4001. Vạch màu xám trên thân đi-ốt cho biết đó chính là cực cathode.
Diode Schottky: Ở tần số thấp, đi-ốt thông thường có thể dễ dàng khóa lại (ngưng dẫn) khi chiều phân cực thay đổi từ thuận sang nghịch, nhưng khi tần số tăng đến một ngưỡng nào đó, sự ngưng dẫn không thể đủ nhanh để ngăn chặn dòng điện suốt một phần của bán kỳ ngược. Đi-ốt Schottky khắc phục được hiện tượng này.
Diode Zener
Diode Zener còn gọi là “đi-ốt đánh thủng” hay “đi-ốt ổn áp” là những diode khác biệt so với dòng đi-ốt thông thường. Chúng thường được sử dụng ở chế độ phân cực ngược. Zener được thiết kế để có một điện áp đánh thủng rất chính xác, được gọi là đánh thủng zener hoặc điện áp zener. Khi dòng ngược đủ lớn chạy qua zener, điện áp trên đi-ốt sẽ cố định ở một giá trị không đổi và bằng với điện áp đánh thủng.
Tận dụng đặc tính của điện áp đánh thủng, các diode Zener thường được sử dụng để tạo ra một điện áp tham chiếu chính xác và bằng với điện áp Zener. Chúng có thể được sử dụng trong mạch ổn áp công suất nhỏ, nhưng không được sử dụng trong các mạch điều chỉnh điện áp vì sẽ tiêu hao một lượng lớn dòng điện.
Dưới đây là một đi-ốt zener 3.3V hoạt động để tạo ra một điện áp tham chiếu 3.3V không đổi:
Diode phát quang – LED (Light Emitting Diode)
LED chính là các đi-ốt có khả năng phát ra ánh sáng khi có một điện áp dương đặt vào.
Cũng giống như đi-ốt chỉnh lưu, LED được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại P ghép với một khối bán dẫn loại N và chỉ cho phép dòng điện chạy qua theo một hướng.
Chúng cũng có một thông số điện áp phân cực thuận, đó chính là điện áp cần thiết để cho LED sáng. Thông số VF của đèn LED thường lớn hơn so với đi-ốt thông thường (1,2 ~ 3V) và tùy thuộc vào màu sắc mà LED phát ra. Ví dụ, điện áp phân cực thuận của đèn LED siêu sáng màu xanh là khoảng 3.3V, trong khi đó đèn LED siêu sáng màu đỏ có cùng kích thước chỉ là 2.2V.
Diode quang – Photodiode là loại nhạy với ánh sáng, có thể biến đổi ánh sáng vào thành đại lượng điện, thường sử dụng ở các máy ảnh (đo cường độ sáng), sử dụng trong các mạch điều khiển (kết hợp một đi-ốt phát quang và một đi-ốt quang thành một cặp), các module đầu ra của các PLC…
Diode biến dung – Varicap Có tính chất đặc biệt, đó là khi phận cực nghịch, đi-ốt giống như một tụ điện, loại này được dùng nhiều cho máy thu hình, máy thu sóng FM và nhiều thiết bị truyền thông khác.
Các thông số kỹ thuật cần quan tâm
Dòng điện định mức: Là dòng điện hoạt động giới hạn của đi-ốt, nếu đi-ốt làm việc với dòng điện cao hơn giá trị định mức này thì đi-ốt sẽ bị hỏng.
Điện áp rơi trên diode khi phân cực thuận VF: Khi có dòng điện chạy qua đi-ốt thì giữa hai chân Anode và Cathode có một điện thế , điện thế này gọi là điện áp rơi trên diode gọi là VF hay VAK. Thông thường điện áp này có giá trị từ 0.3 đến 0.8 V.
Tần số hoạt động: Là tần số đối đa đi-ốt có thể làm việc được. Quá tần số này thì đi-ốt sẽ hỏng
Điện áp ngược tối đa mà diode có thể chịu được: Trong mạch điện thì đi-ốt thường phải làm việc ở cả chế độ phân cực thuận và chế độ phân cực nghịch. Trong chế độ phân cực nghịch thì diode không dẫn nhưng nếu điện áp VKA (điện áp ngược ) quá lớn sẽ làm diode bị đứt hoặc nổ thành than.
Ứng dụng của diode
Mạch chỉnh lưu
Mạch chỉnh lưu là mạch chuyển đổi dòng xoay chiều (AC) thành dòng điện một chiều (DC). Việc chuyển đổi này là rất quan trọng đối với tất cả các loại thiết bị điện tử gia dụng vì các thiết bị này chỉ sử dụng điện một chiều trong khi điện áp lưới là điện áp xoay chiều .
Mạch chỉnh lưu bán kỳ có thể được tạo ra chỉ với một đi-ốt. Ví dụ, nếu điện áp đưa vào mạch là điện áp xoay chiều, dạng hình sin khi qua mạch chỉnh lưu bán kỳ thì phần điện áp âm sẽ bị xén đi.
Mạch chỉnh lưu toàn kỳ sử dụng bốn đi-ốt để chuyển đổi những phần điện áp âm trong tín hiệu AC thành các khối dương.
Các mạch này là một thành phần quan trọng trong các bộ nguồn, biến điện áp xoay chiều 120/240VAC từ ổ cắm điện thành các điện áp DC, 5V, 12V, vv.
Bảo vệ dòng điện ngược
Có bao giờ bạn cấp nguồn cho mạch bị sai cực tính vì nhầm lẫn giữa dây đen và dây đỏ chưa? Nếu vậy, nhờ một đi-ốt mà mạch của bạn vẫn còn sống. Một đi-ốt được mắc nối tiếp với cực dương của nguồn điện được gọi là đi-ốt bảo vệ dòng ngược. Đi-ốt này có nhiệm vụ chỉ cho phép dòng điện chảy theo chiều dương và nguồn điện chỉ cung cấp điện áp dương cho mạch.
Ứng dụng đi-ốt này rất hữu ích khi đầu nối nguồn điện không được phân cực, làm cho bạn bị nhầm lẫn và vô tình kết nối nguồn âm với nguồn dương của mạch ngõ vào.
Hạn chế của diode bảo vệ dòng ngược là nó sẽ gây ra một ít tổn thất điện áp do rơi áp điện áp phân cực thuận. Điều này làm cho diode Schottky trở thành một lựa chọn tuyệt vời cho đi-ốt bảo vệ dòng ngược.
Các cổng logic
Các cổng logic đơn giản như NOT, AND, OR,…có thể được tạo ra từ đi-ốt.
Ví dụ, một cổng OR hai ngõ vào có thể được xây dựng từ hai đi-ốt với các cực cathode được nối chung. Ngõ ra của mạch logic cũng được đặt tại nút đó. Bất cứ khi nào một trong hai ngõ vào (hoặc cả hai) có mức logic 1 (mức cao / 5V), ngõ ra của mạch cũng có mức logic 1. Khi cả hai ngõ vào có mức logic 0 (mức thấp / 0V), ngõ ra được kéo xuống mức thấp thông qua điện trở.
Cổng AND được xây dựng theo cách tương tự. Các cực anode của cả hai đi-ốt được kết nối lại với nhau, đó cũng chính là ngõ ra của mạch. Khi cả hai ngõ vào cùng có mức logic 1 thì cả 2 đi-ốt đều không dẫn điện và ngõ ra của mạch sẽ ở mức cao. Nếu một trong hai ngõ vào mức thấp, dòng điện sẽ chạy từ nguồn 5V qua đi-ốt.
