電子部品

【種類と用途】電子工作で使う「ダイオード」

電子工作で使われる、いろいろな種類のダイオード

その特徴をまとめてみました

ここで書かれているのは

電子工作などでよく使われるダイオードと

その回路例の一部です

他にも「ダイオード」の種類はたくさんあります

また、用途もICの中身から、大きな電力分野(パワーエレクトロニクス)まで

多岐にわたっています

ダイオードの基本的なことを知りたい方は、コチラのページです

ダイオードをわかりやすく解説します 電子工作でよく使われる「ダイオード」について 初心者の方でも、わかり易くまとめました 電子工作でよく使われ...

ダイオードの種類

その特徴や用途により

いろいろなダイオードが製造されています

シリコンダイオード

シリコン半導体を「接合」して作られたダイオードです

シリコンダイオードの持つ、電流の「一方通行」の性質

「整流作用」が主な使い方です

用途はいろいろあります

  • 交流から直流を得る「整流回路」
  • 電子スイッチ
  • ダイオードロジック
  • レベルシフト
  • 保護ダイオード

などなど・・・

電子工作など少電流(100μA~10mA位)で使う場合

シリコンダイオードの順方向電圧(VF)は、

0.6V~0.7V位

と見積もる場合が多いです

電子回路を勉強したい方は、ぜひ覚えておきたい値です

シリコンダイオードの構造は、こちらで詳しく書いています

ダイオードをわかりやすく解説します 電子工作でよく使われる「ダイオード」について 初心者の方でも、わかり易くまとめました 電子工作でよく使われ...

ゲルマニウムダイオード

半導体の材料に「ゲルマニウム」を使ったダイオードです

ゲルマニウム半導体とタングステン等を「点接触」した構造が多い

(PN接合タイプもある)

「点接触ゲルマニウムダイオード」は構造上、熱に弱いです

(ハンダ付けの熱に弱い代名詞的な部品)

ゲルマニウムを使った半導体は、現在のシリコン半導体が主流になる以前、ダイオードやトランジスターとして使われました

ゲルマニウムダイオードは、少電流時のVFが「0.1V~0.2V前後」と小さいので

AM波の検波ダイオードとして、昭和の鉱石ラジオキットでは、必ずといって良いほど見かけました

この赤帯、懐かしい方もいらっしゃるのでは・・・

写真の1N60は2022年末現在、まだ入手可能です(秋月電子扱い)

一応、小信号用として、シリコンダイオードと同じような使い方もできますが

用途としては

  • 検波回路(AM変調からの復調)
  • 高周波回路
  • エフェクター(歪み系エフェクターに使われる)

※近年は代替品として「ショットキーバリア・ダイオード」があります

ショットキーバリア・ダイオード

半導体と金属の「ショットキー接合」を利用したダイオードです

最近では新素材SiC(シリコンカーバイド)を使った素子もあります

順方向電圧が低く(0.4V位)スイッチング速度が早いことが特徴です

略して「SBD」などと記されることもあります

回路記号はカソードの線に「ヒゲ」がついた

このような記号です

写真はショットキーダイオードの「1N60」です

なんと!ゲルマニウムダイオードと同じ型番です

何か面白そうだったので、購入してみました(普通のSBDでした)

用途としては

  • 高速スイッチング
  • クランプダイオード(トランジスタースイッチの速度改善)
  • 検波回路

などですが、近年では改良されて

  • 整流回路(シリコンダイオードより、電圧降下が少ない)

でも使われています(通常の整流回路や、スイッチング電源回路など)

LED(発光ダイオード)

おなじみ、LED・発光ダイオードです

電球のフィラメントと違い、エネルギーを直接「光」に変換できるので、効率が良い(早い話、省エネです)

可視光域はもとより、「赤外線」、「紫外線」などで発光する品種もあります

(LEDとは別品種ですが、半導体レーザーなんていうのもありますね)

最近のLEDは「高輝度型」が多く市販され、「数mA」程度でもかなり明るく発光します

昔の教本みたいに10~20mA流すと「メチャまぶしい(+_+)」という場合もありますね

【LED抵抗】発光ダイオード「電流制限抵抗」の選び方、付け方 スイッチONで「ランプ点灯!」 昔から、電子工作の入門としては、これ定番中の定番ですよね それに最近は、光るものの多くは「...

LEDはインジケータで使われるような小型タイプ以外にも

照明などに使われる大電力タイプもあります

家庭用照明や、自動車のライト類など、以前は電球や蛍光灯が主流だった分野も、今やLEDが普通になってきました

LED・・・今一番、開発が「アツい」分野かもしれませんね

定電圧ダイオード(ツェナーダイオード)

シリコンダイオードなどは「順バイアス」で使われますが、

定電圧ダイオード(ツェナーダイオード)は

「逆バイアス」で使います

ダイオードに「逆バイアス」を印加し、ある電圧を超えると「ツェナー降伏」や「雪崩降伏(アバランシェ降伏)」現象が発生し大電流が流れます

定電圧ダイオードは、これら現象が「低い電圧で発生」するよう、半導体の不純物量を加減して作られます

この降伏現象が起こっている間は、ダイオード両端電圧は「ほぼ一定」です

(クリックで拡大)

逆バイアスでの降伏現象(降伏電圧)の定電圧作用を積極的に使ったダイオードが

定電圧ダイオード(ツェナーダイオード)というわけなのです

大きな電流を取出したい場合は

トランジスターやICなどを併用します

可変容量ダイオード(バリキャップ)

このダイオードも逆バイアスで使います

印加する「逆電圧」でダイオード端子間の静電容量が変化するダイオードです

ダイオードとコンデンサーが合体したような回路記号ですね

用途としては

  • FMの変調や復調(FMラジオなど)
  • 発振回路
  • 周波数可変回路

などに使われます

参考:定電流ダイオード(CRD)

電圧をかけると一定の電流を流してくれる「定電流ダイオード(CRD)」

LEDの回路で使えば

  • 抵抗計算不要
  • 電圧が変化しても、電流が変わらない
  • 電圧が十分なら、LED直列でも使用可能

という便利な素子なので

近年はLED点灯用によく使われます

この定電流ダイオード、「ダイオード」と名はついていますが・・・

実はこれ、FET(電界効果トランジスタ)という半導体の仲間です

接合型FETのソース(S)・ゲート(G)を同接続して

ドレイン(D)ーソース(S)間に電圧をかけると

一定の電流が流れます

定電流ダイオードやFETで

「定電流作用」を安定して得るためには

ダイオード(FET)両端に3V以上の電圧が必要です

無論、接合型FETを同様に接続しても「定電流回路」になります

ただ、接合型FETは「電流のバラツキ」が大きいので

目的の電流値を得るのに選別が必要かもしれません

電流値の揃ったものが必要な場合など、定電流ダイオードが良いですね

定電流ダイオードでも、それなりのバラツキはあります

また、定電流ダイオードも半導体ですので、「定格」があります

高い電圧で使う場合など、定格オーバーにならないよう、注意が必要です

参考:フォトダイオード(フォトICダイオード)

光センサーとして使われます

(クリックで拡大)

現在は素子の中に「フォトダイオードと増幅用IC」が一体化されている製品があり

電子工作などで使うには、これらが圧倒的に便利です

いろいろなダイオードの順方向電圧(VF)を見る

手元にあったダイオードの順方向電圧(VF)を実測しました

(クリックで拡大)

ゲルマニウムダイオードは、50mA流すとかなり加熱したため、100mA測定は断念しました

こうして並べてみると、それぞれの特徴が良くわかりますね

回路図で「ダイオード」の使い方を見る

それでは百聞は一見にしかり・・・

簡単な回路図とシュミュレーション波形を見てみましょう

整流回路

電源などで、交流から直流を作るために使われます

(クリックで拡大)

これは、簡単な整流回路です(半波整流回路)

交流の片側だけをダイオードで取り出し、コンデンサーで平滑したものです

整流回路では「全波整流回路」もよく使われます

全波整流回路は、両側の波を取り出すので、より効率が良い方法です

(クリックで拡大)

整流回路で平滑コンデンサを付ける前の波形です

全波整流回路では交流両側の波が取り出されています

全波整流用に「ブリッジダイオード」もあります

パッケージ内で4本ダイオードが「ブリッジ接続」されています

スイッチング

機械スイッチの代わりに「電圧でON/OFF」する

「電子スイッチ」として使われます

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電気信号ですので、機械スイッチより、はるかに高速動作です

また、機械的トラブルもありません

この回路では入力5Vですが、出力は3.3Vになっています

このように回路によっては、入力レベルの変換も同時にできます

異なる電圧から、マイコンなどの入力変換に便利な回路です

ダイオードスイッチは

機械スイッチから見れば十分高速ですが

実は・・・デジタルICから見ると、かなり低速です

ダイオードマトリクス

(クリックで拡大)

スイッチやリレーなどで、複数の配線をON/OFFする場合

図のようなダイオードを含んだマトリクス回路を使う場合があります

(クリックで拡大)

この回路でダイオードが無いと、他のパターンを逆流して

意図しない出力が出てしまします

(クリックで拡大)

他の配線への廻り込みを防止する目的で、ダイオードが組込まれているわけです

ダイオードロジック

ダイオードのスイッチング回路を応用して、

簡単な論理回路を組むことも可能です

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これはAND回路です

A・B2つの入力が「同時にON」の場合だけ

出力が「ON」になります

レベルシフト

電圧をずらす目的でダイオードを使います

前述の「スイッチング回路」もレベルシフトの一種ですね

ダイオードの順方向電圧降下(VF)を積極的に使った回路もあります

オーディオアンプのバイアス回路などに使われたりします

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ダイオードを2本直列に使って、電圧をズラした波形を得ています

もっと大きくズラす場合、LEDなどを使う場合もあります

回路保護

静電気、サージなどから回路を守るために使われます

入力保護ダイオード

静電気に弱いMOS系の入力などに使われます

MOS-ICやMOS-FETなどの「パッケージ内部」に作り込まれる場合も多いです

還流ダイオード(フライホイール・ダイオード)

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コイルやモーターなどをトランジスター等で駆動する場合

誘導性負荷の逆起電力から、半導体を守るためダイオードが使われます

この逆向きのダイオードは

「還流ダイオード」または「フライホイールダイオード」

と呼ばれます

逆電圧印加を防止する

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電源の逆接続(電池の入れ間違い・接続間違い)から

回路を守るために使われるダイオードです

簡単な回路ですが、低い電圧の電源(乾電池など)では

ダイオードのVFを考慮しなければなりません

同様の考え方で、LEDを逆電圧から守ることもできます

検波(AMの復調)

AM放送は「振幅変調(AM変調)」という方法を使って音声を電波に乗せています

この電波から、音声信号を抽出することを

検波(復調)と呼び、ラジオなどの無線受信機で使用されます

(クリックで拡大)

これは、500Hzの音声信号で、1000KHzの搬送波にAM変調をかけ

それをダイオード(SBD)で検波(復調)

コンデンサーで高周波成分を除き

元の500Hz音声信号に戻しました

以上、簡単な一例を見てきましたが

実際ダイオードは、これら以外にも、

いろいろな回路で、その特徴を生かした使い方をされています

まとめ

ダイオードは材質や構造によっていろいろな種類があります

そして、種類が違うダイオードは、特性も異なります

単なる整流作用以外にも、いろいろな機能を持ったダイオードが製造されており

様々な回路で使用されています