K.W. "Dioda" - Kącik dla początkujących
Radioamator i Krótkofalowiec  6/1964

     Znajomość konstrukcji oraz zasady działania lampy elektronowej są pierwszym stopniem „wtajemniczenia” każdego radiotechnika i dlatego obowiązują również i początkujących radioamatorów.
     Naszą znajomość z lampą elektronową rozpoczniemy od poznania jej w najprostszej postaci – lampy dwuelektrodowej, zwanej popularnie diodą.
     Historia diody jest bardzo ciekawa. Została ona po raz pierwszy wynaleziona przez wielkiego T.A. Edisona, który przy opracowywaniu coraz lepszych modeli swej żarówki przeprowadzał różne doświadczenia. Jedno z nich okazało się szczególnie ciekawe: do wnętrza żarówki wmontowano dodatkową płytkę metalową. Płytka ta została nazwana później anodą. Po rozżarzeniu włókna żarówki i przyłączeniu pomiędzy włókno a płytkę, baterii o dość wysokim napięciu (rzędu 100V), w obwodzie włókno-płytka przez próżnię lampy popłynął prąd elektryczny. Edison stwierdził, że prąd w obwodzie płynie jedynie wówczas, gdy spełnione są jednocześnie dwa warunki:
  1. włókno lampy jest rozżarzone,
  2. do anody przyłączony jest dodatni biegun, a do włókna biegun ujemny baterii.

     Jeżeli chociaż jeden z tych warunków nie jest spełniony, prąd anodowy – bo tak go teraz będziemy nazywali – nie płynie; przedstawione to jest obrazowo na rysunku.


Rys.1. Doświadczenie Edisona ze zmodyfikowaną lampą żarową

     Edison nie mógł sobie wytłumaczyć tego zjawiska, jakie zachodziło w zmodyfikowanej lampie żarowej; nie było to zresztą wcale takie proste przy ówczesnym stanie wiedzy. Nie przypuszczał on nawet, że miał przed sobą jeden z największych w dziejach ludzkości wynalazek, który rozsławiłby jego imię znacznie bardziej, niż wszystkie żarówki i fonografy. Dopiero około dwadzieścia lat później nastąpiły ponowne, tym razem prawdziwe narodziny lampy elektronowej; zbadano i poznano jej znakomite własności i niezwłocznie zastosowano w szybko rozwijającej się radiotechnice.
     Działanie diody jest łatwe do zrozumienia. Rozżarzone włókno katody (rys.2) emituje (wysyła) z siebie swobodne elektrony – najdrobniejsze, elementarne ładunki elektryczności. Pod wpływem przyciągającego działania dodatniego potencjału anody, elektrony biegną ku niej, tworząc mniejszy lub większy – zależnie od okoliczności – prąd w obwodzie złożonym z lampy i baterii. Ponieważ, jak to już stwierdził Edison, przy odwrotnym połączeniu baterii anodowej prąd w obwodzie nie płynie (ujemny potencjał anody działa wówczas odpychająco na wybiegające z katody elektrony) – lampa taka znakomicie nadaje się np. do prostowania przebiegów zmiennych, a więc może być i jest stosowana w każdym odbiorniku jako detektor (demodulator*).


Rys. 2 Schemat obwodu diody

     Najprostszy układ detekcyjny i zachodzące w nim przebiegi napięciowe są pokazane na rys.3.


Rys. 3. Najprostszy układ detektora (prostownika) z diodą lampową

     Jak widzimy, obwód żarzenia lampy, jako taki, nie bierze bezpośredniego udziału w detekcji sygnału; jego zadaniem jest tylko podgrzanie katody do odpowiednio wysokiej temperatury. Dlatego też już stosunkowo dawno zostały opracowane diody (jak również inne typy lamp) z tzw. pośrednio żarzoną katodą. W lampie takiej katoda jest wykonana w postaci rurki ceramicznej, na której naniesiona jest odpowiednia substancja emitująca elektrony. Katoda ta jest podgrzewana do czerwoności przez umieszczony w jej wnętrzu mały grzejnik elektryczny – włókno żarzenia (spiralę z drutu oporowego – podobnie jak np. w popularnej kuchence elektrycznej). Ten tzw. „obwód żarzenia” nie ma galwanicznego połączenia z obwodem diody. Oba typy diod są przedstawione na rys.4.


Rys. 4. Schemat ideowy diody bezpośrednio żarzonej i z katodą podgrzewaną

     Po kilkudziesięcioletniej ewolucji, stosowane dzisiaj nowoczesne diody różnią się znacznie od prototypu Edisona i są produkowane w różnorodnych odmianach. Dzielą się one na dwie zasadnicze grupy: diody detekcyjne – służące do detekcji sygnału wielkiej częstotliwości w układach odbiorczych oraz diody mocy – odpowiedniki tzw. lamp prostowniczych. Oczywiście zasada działania każdej diody jest zawsze ta sama, zaś wspomniany ich rozdział wynika tylko z różnic konstrukcyjnych samej lampy (proces detekcji został omówiony wstępnie w RiK nr 5/1964).
     Diody detekcyjne są przystosowane do prostowania niewielkich prądów, przy stosunkowo niewielkich napięciach. Dlatego też wymiary takich lamp zwykle nie są duże. Diody tego typu wykonane jako samodzielne lampy nie są obecnie popularne, rzadkimi przedstawicielami tej grupy są np. spotykane jeszcze czasem tzw. podwójne diody 6H6 (typ amerykański) i EB4 (typ europejski). Znacznie częściej diody – jedna lub dwie, a czasem nawet trzy – są dodatkowo wmontowane do wnętrza bańki lampy innego typu, np. wzmacniającej. Katoda lampy jest wówczas przeważnie wspólna dla obu systemów. I tak obecnie najczęściej spotykane są:

  • wśród lamp tzw. bateryjnych (żarzenie bezpośrednie) – pentoda z diodą 1S5T (=DAF96),
  • wśród lamp tzw. sieciowych (żarzenie pośrednie) – pentoda z dwiema diodami: EBF89, EBL21, UBL21 itp.,
  • trioda z trzema diodami: EABC80, PABC80.

     Diody detekcyjne są do siebie w zasadzie elektrycznie podobne, dlatego też np. zastąpienie jednej z nich inną jest w warunkach amatorskich całkowicie dopuszczalne, bez jakichkolwiek zmian w schemacie układu (oczywiście może zajść konieczność zmian w obwodzie żarzenia lampy).
     Druga grupa diod, to diody mocy, przystosowane do pracy pod dość znacznymi napięciami, rzędu setek woltów. Lampy te są przystosowane jednocześnie do prostowania znacznych prądów (rzędu np. 50÷500mA). Są one dużych rozmiarów i z tych też względów są z zasady konstruowane jako samodzielne systemy. Popularnie nazywamy je „lampami prostowniczymi”, ponieważ znajdują one zastosowanie w układach tzw. prostowników sieciowych, przetwarzających energię prądu zmiennego pobraną z sieci oświetleniowej na energię prądu stałego, potrzebną do zasilania większości układów elektronicznych (np. układów z lampami elektronowymi). Tak jak poprzednio, również i w tej grupie lamp istnieją diody o żarzeniu bezpośrednim i pośrednim.
     Najczęściej obecnie spotykane typy to:

  • spośród lamp o żarzeniu bezpośrednim: AZ1, AZ4, AZ11, AZ12,
  • spośród lamp o żarzeniu pośrednim: UY1 (UY1N), EY81, PY82, EZ12, EZ80.

     Lampy te różnią się pomiędzy sobą (poza różnicami w wykonaniu mechanicznym) parametrami elektrycznymi, tzw. maksymalnym prądem i napięciem przy jakim mogą jeszcze pracować bez obawy ich uszkodzenia. Szczegółowe dane w tym zakresie podają katalogi lampowe.
     Czytelnicy, zainteresowani w praktycznym zastosowaniu lamp prostowniczych, na pewno z ciekawością przestudiują artykuły pt. „Zasilacz sieciowy” – Radioamator nr 10/62, „Transformator sieciowy” – Radioamator nr 11/62.
     Osobną grupę stanowią specjalne typy lamp prostowniczych wysokonapięciowych, stosowanych w układach zasilaczy wysokiego napięcia odbiorników telewizyjnych. Lampy te pracują przy bardzo wysokich napięciach, rzędu 10÷20kV, natomiast prąd przez nie przewodzony jest rzędu części mA, a więc mniej więcej tyle, co typowej diody detekcyjnej. Klasycznymi przedstawicielami tej grupy diod są: DY86, EY86.
     Stosując w praktyce diody lampowe, np. w układzie detekcyjnym czy prostowniku sieciowym należy pamiętać, że przy zasilaniu takiego układu napięciem zmiennym, z katody lampy zawsze uzyskujemy napięcie o potencjale dodatnim ("+"), a z anody o potencjale ujemnym ("-"). Kilka przykładów schematowych z zaznaczoną polaryzacją napięcia wyprostowanego pokazano na rys.5.


Rys. 5. Przykłady układów prostowniczych
a – prostownik jednopołówkowy z transformatorem sieciowym; b – prostownik jednopołówkowy tzw. uniwersalny; c – prostownik napięć w.cz. (np. detektor w odbiorniku z przemianą częstotliwości)

     Ostatnie kilkanaście lat rozwoju elektroniki to narodziny i błyskawiczna kariera półprzewodników. Jako pierwsze zostały opracowane diody (germanowe, i rzadziej spotykane – krzemowe), a następnie tranzystory. Analogicznie do lamp, diody półprzewodnikowe są wykonywane również w dwóch zasadniczych grupach – jako diody detekcyjne i prostownicze.
     Nie będziemy tutaj wnikali w mechanizm elementu półprzewodnikowego, gdyż nie jest to tak proste, jak w przypadku diody lampowej, zapamiętamy jedynie raz na zawsze:

  • dioda półprzewodnikowa nie posiada obwodu żarzenia,
  • dioda półprzewodnikowa posiada prawie identyczne własności co dioda lampowa, a mianowicie przewodzi z łatwością prąd w jednym kierunku, natomiast prawie wcale nie przewodzi go w przeciwnym kierunku,
  • diodę półprzewodnikową oznaczamy na schemacie znakiem, gdzie trójkąt symbolizuje ostrze, zaś gruba kreska – kryształ,
  • w układzie prostowniczym z diodą germanową potencjał dodatni pojawia się na krysztale, a więc możemy go przez analogię do diody lampowej traktować jako katodę. Konstrukcja wewnętrzna diody jest często widoczna poprzez szklaną osłonę diody (rys.6).


Rys. 6. Wygląd diody detekcyjnej

     Z pewnością część Czytelników domyśliła się już, że dioda półprzewodnikowa to coś w rodzaju – dzisiaj co prawda rzadko spotykanego, lecz kiedyś popularnego „kryształka”, stosowanego w odbiornikach detektorowych. Tak jest, kryształek galeny z lat dwudziestych i trzydziestych naszego stulecia to nic innego, jak prototyp obecnie tak popularnej diody. Jednakże, o ile kryształek był prymitywny i kłopotliwy w użyciu (częsta regulacja ustawienia ostrza, starzenie się), o tyle dioda półprzewodnikowa jest raz na zawsze „ustawiona” fabrycznie i nie wymagająca żadnych późniejszych regulacji, może pracować poprawnie wiele, wiele lat. Dlatego też obecnie nikt już nie stosuje dawnych kryształków, ponieważ jego miejsce zajęła bezkonkurencyjna dioda germanowa.
     W Polsce, już od kilku lat są produkowane masowo diody germanowe w dwóch zasadniczych grupach: diody detekcyjne i diody prostownicze.
     Diody detekcyjne są bardzo małych rozmiarów (rys. 6) i analogicznie jak detekcyjne diody lampowe, są przystosowane do pracy przy niewielkich napięciach do 30÷100V. Przewodzone przez nie prądy również nie mogą być zbyt wielkie, średnio 10÷15mA. Oczywiście wystarcza to jak najbardziej do pracy w typowym układzie detekcyjnym. Diody detekcyjne produkcji polskiej są oznaczone symbolem DOG i kolejnym numerem serii w granicach 11÷66. W prostych detekcyjnych układach radioamatorskich może pracować praktycznie każda dioda typu DOG, zastąpienie jednego typu innym jest często praktykowane. Jedynie w szczególnych przypadkach, np. dla detekcji wizji w odbiorniku telewizyjnym należy stosować ściśle ten sam typ diody, jaki podano w schemacie czy opisie aparatu.
     Proste konstrukcje z diodą germanową zostały szczegółowo opisane w naszym miesięczniku w numerach: 12/59 – „Nowoczesny odbiornik detektorowy”, 12/60 – „Montujemy najprostszy odbiornik detektorowy”, 1/61 – „Odbiornik detektorowy”.
     Drugą grupę stanowią diody prostownicze. Są one produkowane w kraju od dość dawna i noszą symbol DZG wraz z cyfrą oznaczającą typ diody (rys.7). Podstawowe dane diod typu DZG podane są poniżej.

Typ diody Maksymalne napięcie w V Maksymalny prąd w mA
DZG1 50 300
DZG2 100 300
DZG3 150 300
DZG4 200 300
DZG5 250 100
DZG6 350 100
DZG7 400 100

Każda taka dioda posiada na obudowie oznaczony typ oraz bieguny "+" i "-".


Rys. 7. Wygląd zewnętrzny diody prostowniczej typu DZG

     Do rzędu diod należą również tzw. prostowniki suche, produkowane z przeznaczeniem specjalnie do układów prostowniczych. dawniej były to z reguły prostowniki selenowe w postaci płytek o dość dużej powierzchni (okrągłych lub kwadratowych) zestawiane w stosy.
     Obecnie są produkowane (również w kraju) prostowniki suche o znacznie mniejszych rozmiarach w postaci małych bloczków, czy cienkich klocków w metalowym korpusie. Korpus ten służący specjalnie do odprowadzenia ciepła z umieszczonego wewnątrz elementu prostowniczego należy zawsze dokładnie i ściśle mocować do podstawy metalowej aparatury. Duża powierzchnia blachy podstawy stanowi w takim przypadku radiator intensywnie odprowadzający ciepło z elementu prostowniczego. Prostowniki suche są wykonywane na różne napięcia i prądy oraz są przystosowane do pracy w różnych układach.
     Na rys.8 jest przedstawionych przykładowo kilka najczęściej spotykanych elektrycznych układów elementów prostowniczych. Każdy prostownik suchy posiada na swojej obudowie, poza oznaczeniem typu (najczęściej złożonego, między innymi, z wartości napięcia w woltach i prądu w miliamperach), również dane poszczególnych wyprowadzeń, zgodnie z symbolami.


Rys. 8. Podstawowe układy prostowników suchych
a – prostownik jednopołówkowy; b – prostownik dwupołówkowy; c – prostownik w układzie mostkowym

     Ta garść podstawowych, encyklopedycznych danych o diodach będzie z pewnością bardzo przydatna dla każdego początkującego radioamatora. Informacje zawarte w tym odcinku „Kącika dla początkujących” powinny być dobrze przyswojone i zapamiętane, ponieważ będą one zawsze podstawą naszej dalszej praktyki.

K.W.

[artykuły]

© 2004 FonAr Sp. z o.o. e-mail: waw@fonar.com.pl