Diode: tiếp giáp p-n, chỉnh lưu, chống cắm ngược nguồn và diode bảo vệ

Diode là gì: chất bán dẫn và tiếp giáp p-n, đặc tuyến diode silic và Schottky, thông số 1N4148, 1N4007, 1N5819, ứng dụng chỉnh lưu, chống cắm ngược, chọn nguồn, kẹp bảo vệ, cách kiểm tra.

Diode là linh kiện bán dẫn đơn giản nhất: nó chỉ cho dòng điện đi theo một chiều. Từ tính chất đó có rất nhiều ứng dụng: biến điện xoay chiều thành một chiều, chống cắm ngược cực nguồn, chọn nguồn giữa pin và USB, bảo vệ chân vi điều khiển, dập điện áp cảm ứng của cuộn relay. Bài viết mở đầu phần bán dẫn của loạt bài: chất bán dẫn và tiếp giáp p-n, đặc tuyến của diode silic và Schottky, các thông số cần đọc trong datasheet, bốn ứng dụng thường gặp, cách nhận biết cực và kiểm tra diode bằng đồng hồ vạn năng.

1. Chất bán dẫn và tiếp giáp p-n

• Silic tinh khiết dẫn điện rất kém. Pha thêm một chút phốt pho tạo ra silic loại n có thừa electron tự do; pha thêm bo tạo ra silic loại p có thừa "lỗ trống" (chỗ thiếu electron, hoạt động như hạt mang điện dương). Việc pha tạp này gọi là kích tạp.
• Ghép p với n tạo thành tiếp giáp p-n. Ở chỗ tiếp giáp, electron và lỗ trống gặp nhau và triệt tiêu, để lại một vùng nghèo không có hạt mang điện, giống một bức tường mỏng có điện áp khoảng 0,6–0,7 V với silic.
• Phân cực thuận (p nối dương, n nối âm): khi điện áp vượt khoảng 0,6–0,7 V, bức tường bị san phẳng, dòng chạy dễ dàng. Phân cực ngược: vùng nghèo rộng ra, chỉ còn dòng rò rất nhỏ, cho tới khi điện áp vượt mức đánh thủng.
• Bên p gọi là anode (A), bên n là cathode (K). Trên ký hiệu, tam giác chỉ chiều dòng thuận, vạch ngang là cathode; trên thân diode, cathode được đánh dấu bằng một vạch.

2. Đặc tuyến của diode silic và Schottky

• Dòng qua diode tăng theo hàm mũ của điện áp: điện áp tăng thêm khoảng 0,06–0,1 V thì dòng tăng gấp 10 lần. Vì vậy điện áp thuận gần như không đổi trong một khoảng dòng rộng; khi tính toán thường lấy khoảng 0,7 V cho diode silic.
• Diode Schottky (tiếp giáp kim loại – bán dẫn) có điện áp thuận thấp hơn nhiều, khoảng 0,2–0,45 V, và đóng ngắt rất nhanh; đổi lại dòng rò ngược lớn hơn và chịu điện áp ngược thấp hơn (thường 20–100 V).
• Diode tỏa nhiệt bằng điện áp thuận nhân dòng: 1N4007 dẫn 1 A tỏa khoảng 1 W; 1N5819 cùng dòng chỉ tỏa khoảng 0,5 W.

3. Các thông số cần đọc

Chọn diode: dòng định mức lớn hơn dòng làm việc ít nhất 1,5–2 lần, điện áp ngược tối đa lớn hơn điện áp ngược thật trong mạch ít nhất 1,5 lần. Mạch tần số cao (nguồn xung) cần diode nhanh (Schottky, phục hồi nhanh); 1N4007 chỉ hợp với điện lưới 50 Hz. Số liệu trong bảng là giá trị thường gặp, xem datasheet của hãng sản xuất khi thiết kế.

4. Bốn ứng dụng thường gặp

1. Chỉnh lưu: diode chỉ cho nửa chu kỳ dương của điện xoay chiều đi qua tải, tạo ra điện một chiều dạng xung. Bài 17 nói về cầu chỉnh lưu dùng cả hai nửa chu kỳ và tụ lọc.
2. Chống cắm ngược nguồn: một diode nối tiếp ở dây dương. Cắm đúng, diode dẫn; cắm ngược, diode chặn, mạch không hỏng. Nhược điểm là mất 0,3–0,7 V và tỏa nhiệt; với dòng lớn, dùng MOSFET kênh P (bài 20).
3. Chọn nguồn (diode OR): hai nguồn nối vào mạch qua hai diode; nguồn nào cao hơn sẽ cấp điện, và không có dòng chạy ngược từ nguồn này sang nguồn kia (ví dụ USB không nạp ngược vào pin không qua mạch sạc).
4. Kẹp bảo vệ: hai diode nối từ chân tín hiệu lên nguồn và xuống đất, kèm điện trở hạn dòng. Tín hiệu vượt 3,3 V + 0,7 V hoặc thấp hơn −0,7 V bị diode dẫn đi. Bên trong chân GPIO của ESP32 cũng có diode bảo vệ kiểu này, nhưng chỉ chịu được dòng rất nhỏ.

Ứng dụng quan trọng thứ năm, diode dập điện áp cảm ứng song song với cuộn relay, động cơ, đã nói ở bài 13. LED cũng là một diode, đặt riêng ở bài 16; diode zener ổn áp ở bài 17.

5. Nhận biết cực và kiểm tra diode

1. Tìm vạch trên thân: đầu có vạch là cathode (K). Diode dán SMD cũng có vạch ở đầu cathode.
2. Đồng hồ vạn năng để thang diode (bài 7). Que đỏ vào anode, que đen vào cathode: diode silic tốt hiện khoảng 0,5–0,7 V, Schottky khoảng 0,15–0,4 V.
3. Đảo que: hiện "1." (không dẫn).
4. Cả hai chiều đều "1." là diode đứt; cả hai chiều gần 0 V là diode chập. Kiểm tra diode trong mạch có thể sai do các linh kiện song song; nghi ngờ thì nhấc một chân ra.

6. Tự kiểm tra

1. Nguồn 5 V qua diode 1N4007 chống ngược cấp cho mạch 200 mA. Mạch nhận khoảng bao nhiêu vôn và diode tỏa bao nhiêu nhiệt? (Đáp án: khoảng 5 − 0,8 = 4,2 V; 0,8 × 0,2 ≈ 0,16 W.)
2. Vì sao mạch nguồn xung không dùng 1N4007 ở đầu ra? (Đáp án: 1N4007 phục hồi ngược chậm, nóng và tổn hao lớn ở tần số cao; dùng Schottky hoặc diode phục hồi nhanh.)
3. Đo một diode thấy cả hai chiều đều 0,01 V. Diode thế nào? (Đáp án: bị chập.)

7. Xem thêm

• Cấp nguồn ESP32 bằng pin 18650 sạc qua jack Type-C: chọn nguồn giữa pin và USB.
• Mức logic 3,3 V và 5 V: vì sao không dựa vào diode bảo vệ bên trong chân GPIO.
• Cảm biến ánh sáng: photodiode: một tiếp giáp p-n nhạy sáng.
• Bài tiếp theo của loạt điện tử căn bản: LED, điện trở hạn dòng và LED RGB.