Диоды

Диод — это «электрический клапан»: пропускает ток в одну сторону и блокирует в другую. В робототехнике диоды нужны для защиты (моторы/реле, переполюсовка, выбросы), индикации (LED) и выпрямления питания.

🔗 Связь с предыдущими темами

Диод — это нелинейный элемент: закон Ома здесь работает иначе. Но принципы из цепей постоянного тока (Кирхгоф, падения напряжения) остаются в силе!

         Прямое включение              Обратное включение
         (ток течёт)                   (ток заблокирован)
         
    (+) ──►|──── (−)              (+) ────|◄── (−)
         анод  катод                    анод  катод
           ↓                              ✕
         I > 0                          I ≈ 0

В идеале диод:

• в прямом включении — проводит ток (как замкнутый ключ)
• в обратном — не проводит (как разомкнутый)

У реального диода есть падение напряжения \(U_F\) (forward voltage) — «плата за проводимость».

    I (ток)
    ↑
    │            ╱  ← прямая ветвь
    │           ╱     (диод открыт)
    │          ╱
    │         ╱
────┼────────╱────────────→ U (напряжение)
    │       ↑
    │      U_F ≈ 0.6-0.7 В (кремний)
    │           ≈ 0.2-0.4 В (Шоттки)
    │
    │←─── обратная ветвь (диод закрыт, I ≈ 0)

Ключевой момент: диод начинает проводить только когда \(U > U_F\). До этого — почти изолятор.

• Анод (A) — сторона, куда «заходит» ток (+)
• Катод (K) — сторона, откуда ток «выходит» (−)

    Обозначение на схеме:          На корпусе:
    
         A       K                  ┌───────────┐
    ──────►|──────                  │ █████     │ ← полоска = катод
                                    └───────────┘
    
    Мнемоника: стрелка указывает направление тока
               (от + к −)

Диод — не резистор, но в цепи с ним закон Ома работает для остальных элементов.

Пример: LED от 5 В через резистор (связь с dc_circuits)

    +5V ───[R]───►|─── GND
            │     │
           U_R   U_F

По Кирхгофу: \(U_{питания} = U_R + U_F\)

Ток через резистор (= ток через диод):

\[ I = \frac{U_{питания} - U_F}{R} \]

Расчёт резистора для LED (\(U_F \approx 2\) В, хотим \(I = 10\) мА):

\[ R = \frac{5 - 2}{0.01} = 300\,\Omega \quad \Rightarrow \quad \text{берём } 330\,\Omega \]

💡 Проверка мощности

Не забываем про мощность резистора (из dc_circuits): \(P = I^2 \cdot R = 0.01^2 \cdot 330 = 0.033\) Вт — подойдёт резистор 0.125 Вт

Классика для питания и защиты. \(U_F \approx 0.7\)–1.0 В.

    Однополупериодный выпрямитель:
    
    ~AC ────►|────┬──── +DC
                  │
                [C]  ← сглаживающий конденсатор
                  │     (см. раздел capacitors)
            ─────┴──── GND

🔗 Связь с конденсаторами

После выпрямителя всегда ставят конденсатор для сглаживания пульсаций. Типичные значения: 100–1000 мкФ.

Плюсы: меньшее \(U_F\) (0.2–0.4 В), быстрее переключаются.

Где полезны:

• Защита по питанию 3.3–5 В (меньше потерь)
• DC-DC преобразователи
• Логические схемы (серия 74LS использует Шоттки!)

Пример экономии:

В обратном включении при \(U > U_Z\) начинает проводить, удерживая напряжение ≈ \(U_Z\).

    Без нагрузки:              С нагрузкой:
    
    +12V ──[R]──┬── Uвых       +12V ──[R]──┬── 5.1V
                │                          │
               ─┼─ ← стабилитрон          ─┼─ BZX55-5V1
               ─┴─   5.1V                 ─┴─
                │                          │
    GND ────────┴──                GND ────┴──

Применение: защита от перенапряжения, простые опорные напряжения.

LED — диод, излучающий свет. Падение напряжения зависит от цвета:

Важно: LED всегда нужен токоограничивающий резистор!

Любая катушка (реле, мотор, соленоид) при выключении тока создаёт выброс напряжения (см. индукторы). Это может пробить транзистор и перезагрузить микроконтроллер.

    БЕЗ диода (опасно!):           С flyback-диодом (безопасно):
    
    +12V ───┬───────────           +12V ───┬───────────
            │                              │
           [Реле]                        [Реле]
            │    ← выброс                  │  ┌──►|──┐
    Ключ ───┴─── до 100В!         Ключ ───┴──┴─────┴──
            │                              │
    GND ────┴───                   GND ────┴───

Принцип работы:

1. Ключ включён → диод закрыт (обратное смещение)
2. Ключ выключен → катушка «выбрасывает» ток → диод открывается → ток замыкается по безопасному контуру

Выбор диода:

• \(I_{прямой} \geq I_{катушки}\)
• \(U_{обратное} \geq U_{питания}\)
• Для быстрого гашения — Шоттки или быстрый диод

💡 Практика

Для реле 12 В / 100 мА подойдёт 1N4007 (1 А, 1000 В) или 1N5819 Шоттки (1 А, 40 В).

Перепутали «+» и «−» — и можно сжечь электронику. Три способа защиты:

    +Vin ───►|───┬─── +Vout (защищённое)
           D1    │
                [C]
    GND ────────┴─── GND

Плюсы: просто, надёжно Минусы: теряем \(U_F\) (0.3–0.7 В)

Расчёт: При токе 500 мА и диоде 1N5819 (\(U_F = 0.4\) В): \[ P_{потери} = U_F \cdot I = 0.4 \cdot 0.5 = 0.2\,\text{Вт} \]

    +Vin ──[F]──┬─── к схеме
          fuse  │
               ─┼─ ← диод обратно
               ─┴─
    GND ────────┴───

При переполюсовке диод замыкает, предохранитель сгорает. Схема сложнее, но нет потерь в норме.

Минимальные потери, но требует понимания транзисторов — см. раздел транзисторы.

На входах микроконтроллеров есть внутренние защитные диоды, но полагаться на них напрямую не стоит.

    Внутренняя структура входа МК:
    
    Vcc ────┬────
            │
           ─┼─ D1 (к Vcc)
           ─┴─
    Вход ───┼─── внутрь МК
           ─┼─ D2 (к GND)
           ─┴─
            │
    GND ────┴────

Школьная безопасная комбинация:

• Серийный резистор 220–1000 Ω в линию сигнала
• Ограничивает ток через защитные диоды

Диоды можно использовать для простых логических функций — это исторически первая логика!

    Диодное ИЛИ (OR):           Диодное И (AND):
    
    A ───►|──┬── Y              +V ──[R]──┬── Y
             │                            │
    B ───►|──┘                  A ──|◄────┤
                                          │
    Y = A OR B                  B ──|◄────┘
    
                                Y = A AND B

В курсе NAND2CPU мы изучаем логику на транзисторах и микросхемах 74xx — это надёжнее и точнее.

1. Рассчитайте резистор для синего LED (\(U_F = 3.2\) В, \(I = 15\) мА) от питания 5 В.

2. Почему диод Шоттки лучше для защиты питания 3.3 В?

3. Реле потребляет 150 мА при 12 В. Какой минимальный ток должен выдерживать flyback-диод?

4. После диода 1N4007 (\(U_F = 0.9\) В) питание было 5 В. Сколько осталось?

5. Нарисуйте схему: LED от GPIO микроконтроллера (3.3 В), ток 5 мА, красный LED (\(U_F = 2\) В).

                    ┌─────────────────────────────────────┐
                    │           ДИОДЫ                     │
                    └──────────────┬──────────────────────┘
                                   │
       ┌───────────────────────────┼───────────────────────────┐
       ▼                           ▼                           ▼
   Защита                      Индикация                  Выпрямление
       │                           │                           │
       ├─ Flyback (катушки)        └─ LED + резистор          └─ + конденсатор
       │    ↓                          ↓                          ↓
       │  [inductors]              [dc_circuits]              [capacitors]
       │
       ├─ Переполюсовка
       │
       └─ ESD (входы)

• Индукторы — почему нужен flyback-диод: inductors
• Транзисторы — как включать реле ключом: transistors
• Конденсаторы — сглаживание после выпрямителя: capacitors
• Курс NAND2CPU — диодная логика и 74xx: nand2cpu