Диод: полярность, падение напряжения и защита

Вывеска из шести светодиодов на дне рожденья подруги мигала по скетчу безупречно в стенах квартиры — и умерла в первую минуту на даче: я подключил батарейку крона, держа макетку в темноте под столом, плюс на минус. Светодиоды замолчали, я полез проверять код... за отсутствием других идей. Полчаса поиска «сломанной платы» закончились тем, что я просто перевернул провода — и всё ожило. Дача спасена, но вопрос остался: почему деталь с неправильной полярностью молчит, а не горит, и можно ли сделать так, чтобы она вообще не могла молчать?

Ответ на оба вопроса — диод, самый простой полупроводник в наборе. Он пропускает ток в одну сторону и запирает в другую — вот и вся магия. Светодиод — тот же диод, который заодно светится, поэтому и он молчит при переполюсовке вместо того, чтобы сгореть обидно. А ещё диод — инструмент: им защищают схемы от перепутанной батарейки и от выбросов моторов, которые выжигают порты.

В этом уроке научимся читать корпус диода (подсказка там ровно одна — полоска), считать, сколько вольт он забирает себе при проходе тока, и ставить две классические защиты. Знак диода на схеме мы уже прошли в уроке про обозначения, а первый светодиод на макетке собирали в сборке по узлам — теперь копнём, что у него внутри.

У диода два вывода: анод — вход для тока, катод — выход. Ток течёт от анода к катоду; в обратную сторону диод заперт. На корпусе настоящей детали катод помечен полоской с одного края — вот и вся маркировка: полоска = катод. У светодиодов полоску часто рисуют срезом на ободке колбы, а надёжнее правило из сборки по узлам: длинная ножка — анод, короткая — катод, и катод идёт к минусу через гасящий резистор.

Проверить деталь можно мультиметром в режиме прозвонки диодов: красный щуп на анод, чёрный на катод — прибор покажет прямое напряжение около 0,6–0,7 В для кремниевого диода; щупы поменял — на экране тишина. Так за десять секунд определяется и живой ли диод, и где у него какая ножка, если полоска затёрлась. У светодиодов в том же режиме прибор покажет 1,7–2,5 В, а кристалл слабо засветится — это тоже норма.

Полярность важна не только у диодов, но и у всего, что рядом с ними: у шин питания макетки и у электролитических конденсаторов из прошлого урока правило то же — плюс к плюсу, и проверить перед включением. Диод в этом смысле дружелюбен: даже перепутанный, он просто молчит, если в цепи есть гасящий резистор.

Открывшийся диод берёт себе плату: постоянные 0,6–0,7 В (кремниевый 1N4148 или выпрямительный 1N4007). Не «в среднем» и не «при большом токе» — при любом рабочем токе от единиц миллиампер до предела детали. Поставил диод в разрыв плюса между батарейкой и платой — плате досталось 4,3 В от пятёрки. ATmega это устроит: он работает от 1,8 до 5,5 В. А вот сервопривод на 4,3 В уже недоедает и дёргается, датчик DS18B20 по OneWire начинает отвечать мусором — его сигнальные уровни рассчитаны на честную пятёрку.

У диодов Шоттки, например 1N5819, плата ниже: 0,2–0,4 В. Они дороже и чаще текут назад, зато экономят драгоценные доли вольта в низковольтных цепях. У светодиода прямое напряжение ещё больше: красному нужно 1,8–2,0 В, синему и белому 2,8–3,2 В — именно поэтому светодиод нельзя втыкать в 5 В без резистора: ток взлетит и сожжёт кристалл. Резистор под номинал считается по уже знакомому правилу подбора из урока про резисторы.

Посчитаем цепь: питание 5 В, в разрыве плюса защитный 1N4007 (минус 0,7), за ним красный светодиод (минус 2,0). Остаток 2,3 В приходится на резистор; при токе 15 мА нужен 153 Ома — берём ближайший из ряда, 220 Ом, ток опустится до удобных десяти. Скетч ниже делает ту же арифметику и печатает построчно, чтобы можно было подставить свои числа: синему светодиоду остатка уже не хватит, и это видно без пайки.

Теперь защита от переполюсовки — та самая, которой не хватало на даче. Вариант первый, последовательный: диод в разрыв плюса. Перепутал батарейку — диод заперт, схема просто молчит и целая; переполюсовал обратно — работает, но всегда на 0,7 В голоднее. Для кроны на 9 В это даром: плате достанется 8,3 В через Vin — норма. Для схемы на ровно 5 В от батарейки уже жалко: смени 1N4007 на Шоттки и потеряешь 0,3 В вместо 0,7.

Вариант второй, шунтирующий: диод параллельно входу питания, катодом к плюсу. При правильной полярности он заперт и не мешает никому. При переполюсовке он открывается нараспашку и закорачивает источник — плата целая, но батарейка греется, и сидеть так долго нельзя. Шунт хорош там, где есть предохранитель или у тебя быстрая рука выключить. Для макетки с батарейкой я беру последовательный вариант: медленно, зато безопасно. Готовые реле-модули уже защищены изнутри — в уроке про реле и 220 В это показано на схеме модуля.

Отдельная речь — обратные выбросы. Катушка реле или обмотка мотора — это индуктивность, и при выключении тока она выбрасывает назад иголку в десятки вольт: за долю миллисекунды можно убить транзистор или пин. Лечится диодом параллельно катушке, катодом к плюсу: в рабочем режиме он закрыт, а иголку замыкает на саму обмотку. У реле-модулей такой диод уже стоит на плате, у самодельного мотора — ставь сам, прямо на выводы мотора.

Падение проще один раз увидеть, чем десять раз посчитать. Стенд в симуляторе ниже: ручка задаёт входное напряжение от нуля до 5 В, за ней стоит диод с падением 0,7 В, за диодом — красный светодиод, которому нужно 2 В. Крути ручку и смотри: пока на входе меньше примерно 2,7 В, после диода остаётся меньше двух, и светодиод молчит — ему просто не достаётся. Зажёгся — значит, вход перевалил порог.

На настоящей макетке этот же стенд собирается за минуту: делитель не нужен, диод и светодиод втыкаются в соседние столбцы по правилам из сборки по узлам, а грабли сборки — кривые контакты и перепутанные ножки — мы уже разобрали в уроке про плохой контакт. Если захочешь прикинуть, как разложить входное напряжение по деталям через пропорции, — это урок про делитель: у диода и делителя одна мысль — напряжение делится по цепочке, каждому своё.

Мои рабочие правила на этом уроке закончились три: диод в разрыв плюса каждой батареечной схемы (Шоттки, если жаль вольт), диод параллельно каждой самодельной катушке и мотору, и ни одного диода в сигнальных линиях. Осталось закрепить числа тестом — и переполюсовка на даче больше не испортит вечер.