Как правильно подключить диод: Правильные схемы подключения светодиода

Содержание

Как подключить мощный светодиод ⋆ diodov.net

Мощный светодиод часто применяют для изготовления фонарика. В отличие от индикаторных светодиодов для ограничения тока, протекающего через мощный сверхяркий светодиод, обойтись одним резистором крайне затруднительно, поскольку мощность рассеивания такой резистора буде составлять десятки и больше ватт. Поэтому габариты такого резистора будут значительными. Кроме того с помощью лишь одного резистора невозможно стабилизировать ток в зависимости от изменения величины входного напряжения.

Для ограничения тока, протекающего через мощный светодиод, мы будем использовать очень распространенную микросхему LM317. Многое наверняка уже сталкивались с данной микросхемой, поскольку она получила широкое применение при изготовлении блоков питания с регулированием напряжения или лабораторных блоков питания. Интегральная микросхема LM317 изначально разрабатывалась для стабилизации и регулировки напряжения в диапазоне от 1,2 В до 37 В.

Как подключить мощный светодиод

Однако сейчас мы будем применять LM317 для стабилизации тока. Для примера возьмем два сверхярких светодиода VD мощностью 1 Вт и 0,5 Вт.

Параметры первого VD1 (зеленый свет):

— мощность P = 1 Вт;

— напряжение U = 3,5 В;

— ток I = 350 мА = 0,35 А.

Параметры второго VD2 (холодно-белый свет):

— мощность P = 0,5 Вт;

— напряжение U = 3,5 В;

— ток I = 175 мА = 0,175 А.

В режим работы стабилизации тока LM317 включается согласно ниже приведенной схемы. В таком режим на резисторе R вне зависимости от величины протекающего тока и входного напряжения происходит постоянно падение напряжения величиной 1,25 В. Поэтому наша первая задача заключается в расчете сопротивления данного резистора. Оно равно отношению напряжения (1,25 В) к току. Поскольку мы выполняем расчет для двух светодиодов, то и сопротивлений мы также получим два.

Ввиду отсутствия в наличии расчетных номиналов резисторов, я буду применять для первого случая R1 = 4,1 Ом, а для второго R1 = 8,2 Ом. Согласно указанным новым значениям сопротивлений пересчитаем реальные токи, протекающие через светодиоды.

Мощность рассеивания резисторов

Для светодиода мощность 1 Вт нужно применять резистор с мощностью рассеивания не менее 0,5 Вт, а для полуваттного VD – 0,25 Вт.

При протекании тока через микросхему LM317 она достаточно хорошо нагревается. Согласно техническим данным (даташиту) максимальная мощность рассеивания ее составляет 20 Вт, максимальный ток 1,5 А (в некоторых случаях можно превышать до 2,2 А). Поэтому необходимо рассчитывать также ее P.

Сначала нужно определить величину падения напряжения на самой микросхеме. Она равна разности входного напряжения (12 В) и сумме падения напряжения на резисторе (1,25 В) и светодиоде (3,5 В).

Мощность, выделяемая на LM317 равна произведению падения напряжения на ток.

Как видно из расчетов и в первом и во втором случаях мощность рассеивания не превышает 20 Вт. При больших мощностях необходимо микросхему располагать на радиаторе.

Таким незамысловатым способом можно подключить мощный светодиод (и не один) к источнику питания. При этом ток будет сохранять свое значение независимо от изменения величины входного напряжения. Следует помнить, что напряжение на входе должно быть на 2..3 В выше суммарного выходного напряжения.

Еще статьи по данной теме

Как правильно подключать светодиод — DiMoon Electronics

В этой статье мы разберемся с тем, что собой представляет светодиод, почему он не является просто «лампочкой» и научимся его правильно подключать к источнику питания.

Содержание

Лампа накаливания

Начнем с простого — кусок провода. Его вольт-амперная характеристика (ВАХ) описывается формулой I=U/R. Фактически, это закон Ома для участка цепи. Увеличили напряжение в 2 раза — сила тока увеличилась так же в 2 раза, и график функции будет выглядеть как прямая линия, наклоненная под некоторым углом к оси X. Рассеиваемая мощность на таком проводнике будет равна W=I*U=U^2/R. Увеличили напругу в 2 раза — рассеиваемая мощность увеличилась в 4-ре. Все предельно ясно.

Теперь посмотрим на ВАХ обычной ламы накаливания:

Рис. 1. ВАХ лампы накаливания.

Можно заметить, что прямую она напоминает только в самом-самом своем начале. Далее сила тока выходит на некоторое значение, которое слабо зависит от изменения силы тока. Почету так? Тут не работает закон Ома? Все просто. Как известно, сопротивление металла увеличивается при увеличении его температуры, а спираль лампы накаливания как-никак нагревательный прибор. И при увеличении напряжения, сила тока так же увеличивается, увеличивается рассеиваемая на спирали мощность и она сильнее разогревается, ее сопротивление начинает увеличиваться, ток начинает падать устаканивается на каком-то определенном значении. Можно сказать, что сопротивление лампы накаливания зависит от напряжения, приложенного к ней, поэтому ВАХ лампы накаливания будет иметь вид, не похожий на ВАХ простого проводника (при условии, что мы не будем пропускать через проводник такой ток, что он превратится в печку).

Из графика видно, что при увеличении напряжения в 2 раза, а именно с 2-х вольт до 4-х, ток возрастет с 0,2А до ~0,225А, а рассеиваемая мощность увеличится в W2/W1=(4*0.225)/(2*0.2)=2.25 раз, а не в 4, как с простым куском провода. Поэтому лампа накаливания может с легкостью пережить серьезные перегрузки без повреждений (по крайней мере качественные экземпляры, а не тот шлак, который сейчас продается повсеместно).

Но это справедливо только для плавного изменения напряжения на лампочке, то есть когда все переходные процессы, связанные с изменением температуры спирали намного быстрее скорости изменения напряжения на ней. Если же это условие не соблюдается, например, в момент включения, когда спираль еще холодная, сила тока через лампу накаливания при данном напряжении может превышать значение из графика в несколько раз. Поэтому лампы накаливания чаще дохнут в момент включения. Раз уже взялись за лампочки, то давайте разберемся, почему это так.

В идеальном случае нить накаливания однородна на всей своей длине. Но ни чего идеального в мире нет, в том числе и спиралей у лампочек. Всегда найдутся участки, которые чуть-чуть тоньше, чем средняя толщина спирали по всей длине. А если участок тоньше, то его сопротивление больше (следует из формулы сопротивления проводника, R=[ρ∗l]/S).

Разобьем спираль лампы накаливания на небольшие и равные участки, и обозначим их как резисторы. При этом, у нас есть участок, сопротивление которого в 10 раз больше остальных. Вычислим рассеиваемую мощность на каждом резисторе. При этом не забываем, что при последовательном соединении сила тока во всех резисторах одинакова.

Рис. 2. Эквивалентная схема участка нити накала лампочки

Получаем, что на участках с сопротивлением 1R, рассеивается мощность W=1RI², а для участка с сопротивлением 10R W=10RI². Вот и получаем, что мааааленький участок спирали будет иметь локальный перегрев. А если учесть то, что пусковой ток лампочки довольно большой, этот участок будет деградировать быстрее, рассеиваемая мощность будет расти еще больше, и в один прекрасный момент, спираль перегорит. Вот так.

Для того, чтобы продлить срок службы ламп накаливания одни советуют вообще их не выключать, другие снижать действующее напряжение питания лампы путем последовательного включения полупроводникового диода. Так же есть специальные схемы плавного пуска, которые ограничивают пусковой ток и плавно разогревают спираль.

Светодиоды

Так, с лампочками разобрались. Перейдем к светодиодам. ВАХ диода, в том числе который и свето, имеет следующий вид:

Рис. 3. ВАХ светодиода

Во-первых, характеристика имеет два ярко выраженных участка, прямого и обратного тока. В обратном направлении светодиод плохо пропускает ток, поэтому, если подключить светодиод «не той стороной», то он светиться не будет. Но нас интересует участок прямого тока, который является экспоненциально возрастающим. В этом и кроется причина того, почему светодиод нельзя напрямую подключать к батарейке. Например, при напряжении 2 вольта ток через диод составляет 20 мА, а при 2,1 вольт уже 40 мА!!! То есть, при небольшом увеличении напряжения, ток увеличивается в 2 раза. А если подключить такой диод к 3-х вольтной батарейке, то ток будет уже за 150 мА, и светодиод «спасибо» не скажет за такое обращение (про подключение светодиода к компьютерным «таблеткам» см. а конце статьи). Поэтому необходимо ограничивать ток через светодиод с помощью резистора.

Расчет резистора очень простой. Для начала обозначим Ucc — напряжение батарейки (или от чего вы там его питать будете), Ur — напряжение на резисторе, Ud — требуемое напряжение на светодиоде, I — требуемый ток через светодиод, R — искомое сопротивление.

Вывод формулы занимает всего 4 строчки:

И вот небольшая памятка:

Рис. 4. Включение одного светодиода

А как подключить два светодиода? Многие начинающие радиолюбители соединяют два светодиода параллельно, и используют один токоограничительный резистор:

Рис. 5. Неправильное включение 2-х светодиодов

Но такое включение неверное. И вот почему. Рассмотрим, как течет ток в этой цепи. От источника питания, ток I протекает через резистор R1. Затем, в точке разветвления он распределяется на два разных тока I1 и I2. Пройдя через светодиоды D1, D2, ток снова попадает на точку разветвления и превращается в I. При параллельном соединении проводников для токов справедливо правило: I=I1+I2, при этом напряжения на светодиодах D1 и D2 будут одинаковыми: U1=U2=U. Чем это чревато? У светодиодов есть некий разброс параметров, поэтому, если взять два светодиода и измерить их вольт-амперные характеристики, то они будут отличаться, особенно, если светодиоды разного цвета свечения:

Рис. 6. ВАХ 2-х разных светодиодов в одних координатах

На рис. 6 представлены две ВАХ. Пусть напряжение U на светодиодах будет 1,5 вольта. При данном напряжении ток через один светодиод составляет 4,33 мА, а через другой 13,2!! То есть, один из светодиодов будет потреблять довольно большой ток, при этом другому будет доставаться очень мало. Эта ситуация приведет к тому, что светодиоды будут иметь разную яркость свечения. Такая ситуация особенно заметна при параллельном соединении двух светодиодов разных цветов.

А вот правильное подключение:

Рис. 7. Правильное включение 2-х светодиодов

В этом случае ток через оба светодиода будет одинаковым, и оба светодиода будут гореть одинаково. А как рассчитать значение сопротивления R1? Все почти так же, как и для одного светодиода, только напряжение Ud будет равно

и сопротивление токоограничительного резистора будет равно

Значения U1 и U2 можно определить следующим способом. Выбираем значение силы тока I равное, например, 10 мА. По графику ВАХ смотрим, какому напряжению соответствует заданное значение силы тока для первого и второго светодиода. Это и будут напряжения U1 и U2.

Но это все для случая, когда характеристики диодов отличаются сильно (при заданном I напряжения U1 и U2 отличаются сильно). Если же светодиоды одинаковые, то можно работать с такой формулой:

Udср. — значение напряжения на одном любом светодиоде в цепи для данного значения силы тока. Если у нас последовательно соединено не 2 светодиода а больше, то цифру «2» в формуле заменяем на их количество.

Есть один немаловажный момент: во всех формулах Ucc должно быть больше напряжения на светодиоде, или их группе. В противном случае у нас получится отрицательное значение токоограничительного резистора. Пойдите на радиорынок и в ларьке с радиодеталями попросите вам продать резистор, с сопротивлением минус 100 Ом. Запомните выражение фейса у продавца))

Вот, хорошо я тут все расписал, с формулками и объяснениями, что откуда берется. А где брать эти вольт-амперные характеристики на конкретный светодиод и какой ток будет оптимальным? Вот, нате табличку:

Табл. 1. Оптимальные значения токов и напряжений для разных типов светодиодов

В первой колонке обозначен тип светодиода, во второй оптимальный ток свечения, в третьей — напряжение на светодиоде при данном токе через него (фактически, в таблице указана одна точка ВАХ для каждого типа светодиода, имеющая оптимальное значение яркости свечения). Надо только эти значения подставить в нужную формулу и все! Ладно-ладно, посчитаю это в экселе, чтоб потом не заморачиваться с формулами.

Табл. 2. Значения токоограничительных резисторов

Разберемся, что тут у нас. В первой колонке тип светодиода, во второй напряжение, от которого вы хотите питать конструкцию, привел значения от 3-х до 24-х вольт. В третьей колонке «R(1)» значение токоограничительного резистора для одного светодиода, как на рис. 4. Колонка «

R(2)» — сопротивление токоограничительного резистора для 2-х последовательно соединенных диодов (рис. 7), ну а колонка «R(3)» — для 3-х последовательно включенных диодов. В некоторых ячейках таблицы вместо значения сопротивления стоит слово «[нет]». Это значит, что данного напряжения питания недостаточно, чтобы зажечь конструкцию из одного или n светодиодов на полную яркость. Например, сверхяркий 5 мм. светодиод требует ток 75 мА, при этом напряжения на нем будет 3,6 вольт. Если его напрямую подключить к 3-х вольтовой батарейке, то ни чего страшного не произойдет, просто на полную яркость он гореть не будет.

Как пользоваться таблицей? Есть у нас желтый светодиод 3 мм. Хотим питать его от кроны 9 вольт. Ищем в таблице кусок, относящийся к «

3 и 5 мм желтый«, выбираем в колонке «Ucc» значение «9» и смотрим, что у нас написано в колонке «R(1)«. Там у нас 345 Ом. Из стандартных номиналов ближе всего 330 Ом, вот его и ищем у себя в ящике с хламом. А если хотим собрать гирлянду из 3-х таких светодиодов (по аналогии, как на рис. 7), и питать хотим от аккума 12 вольт, то сопротивление резюка следует взять близким к 285 Ом, из стандартных это 270 Ом. Стандартные значения резисторов можно посмотреть в этой таблице:

Табл. 3. Стандартные значения резисторов

Ну, вроде все. Теперь мы гуру в схемах со светодиодами))

«Питал я светодиод от 3-х вольтовой таблетки без всяких резисторов, и ни чего не сгорело».

На это отвечу так: есть такое понятие, как внутреннее сопротивления источника питания. Для разных источников оно разное. Для автомобильного аккумулятора 12 В оно должно составлять миллиОмы, или даже микроОмы, а вот у компьютерной «таблетки» внутреннее сопротивление может быть как раз несколько десятков Ом. То есть эквивалентная схема любого источника питания следующая:

Рис.8. Эквивалентная схема батарейки

EMF — электро-движущая сила, ее как раз и указывают на корпусе, как напряжение батарейки, R_INT — то самое внутреннее сопротивление. Вот и получается, что подключая светодиод к компьютерной «таблетке» мы сами того не подозревая, последовательно включаем и токоограничительный резистор, который и спасает диод от перегорания.

Вот теперь точно все! Не забывайте про резистор и внутреннее сопротивление источника питания;)

Как подключить светодиод к 220 В ⋆ diodov.net

У многих начинающих радиолюбителей возникает мысль, как подключить светодиод к 220 В без применения трансформатора. Ведь габариты даже самого маломощного трансформатора сравнительно велики. Это в первую очередь вызвано высоким сетевым напряжением, в результате чего первичная обмотка трансформатора имеет большое число витков.

Основной проблемой подключения светодиода к 220 вольтам на прямую, без трансформатора является ограничение ток, протекающего через него вследствие проложенного напряжения. Оценим его величину для понимания сети происходящего.

Светодиод – это светоизлучающий полупроводниковый прибор, как и «обычный» диод пропускает ток лишь в одном направлении. Поскольку переменное напряжение изменяет свое направление дважды за период, то в один полупериод ток протекает, а во второй – нет. Поэтому, чтобы определить средний ток, протекающий через светодиод, следует действующее напряжения 220 В разделить на два. Получим 110 В. Эту величину возьмем за основу при дальнейших расчетах.

Сопротивление любого полупроводника нелинейное, т.е. нелинейно зависит от величины приложенного напряжения. Не вникая в подробности, с приемлемой точностью примем 1,7 Ом. Тогда ток, протекающий через полупроводниковый кристалл равен 110/1,7 = 65 А! Естественно, такой огромный ток сожжёт полупроводниковый прибор. Поэтому обязательно нужно последовательно со светодиодом включать какое-либо сопротивление.

Если в цепи постоянного напряжения в качестве сопротивления можно использовать только резистор, то на переменном напряжении есть возможность применять еще и конденсатор или катушку индуктивности. Их еще называют реактивными элементами. В один полупериод времени они накапливают энергию (в виде электрического или магнитного поля), а в следующий полупериод возвращают ее в направлении источника питания. При этом электрическая энергия практически не потребляется.

Применение катушки индуктивности не рассматривается, по ряду причин, связанных с ее нагревом.

Как подключить светодиод к 220 В с помощью резистора

Для большей наглядности изобразим расчетную схему.

Такая схема очень распространена в цепях индикации работы электротехнических устройств, например, подсветки выключателя или кнопки электрического чайника. Главным достоинством данной схемы является ее простота, а отсюда и надежность.

С целью сравнения полученных результатов возьмем два светодиода. Один индикаторного типа, а второй более мощный.

Определим сопротивление R₁, необходимое для первого светодиода:

Сетевое напряжение делим на два по уже указанной выше причине.

Мощность рассеивания резистор равна:

Принимаем 2 ватта, поскольку такой номинал является ближайшим в сторону увеличения из стандартного ряда мощностей.

Теперь определим сопротивление резистора, соединенного последовательно со вторым светодиодом:

Мощность рассеивания равна:

Резисторы с такой мощностью рассеивания имеют значительные размеры и немалую стоимость, поэтому не рационально их применение в цепи с мощными светодиодами. Более эффективным будет замена его конденсатором.

Для защиты полупроводникового прибора встречно-параллельно подсоединяют диод.

Его назначение состоит в следующем. В проводящий полупериод на светодиоде падает напряжения порядка 2…3 В. В не проводящий полупериод он заперт и к его выводам прикладывается обратное полное действующее напряжение 220 В, амплитуда которого достигает 310 В. Поэтому существует вероятность пробоя полупроводникового прибора. Однако если создать путь для протекания тока в этот непроводящий полупериод времени, то снизится амплитуда опасного обратного напряжения. Именно это достигается за счет применения шунтирующего диода.

Кстати, вместо него можно применять еще один светодиод, желательно со схожими параметрами.

Визуально нам будет казаться, что оба они светят все время, но на самом деле они мерцают с частотой 50 Гц. Причем, когда первый светит, второй гаснет и наоборот, т.е. работают в противофазе.

В этом случае необходимо учесть, что через резистор ток протекает в оба полупериода времени, поэтому его сопротивление нужно снизить вдвое. Далее в последующих расчетах мы будем пользоваться схемой без шунтирующего диода.

Как подключить светодиод к 220 В с помощью конденсатора

Выше уже было сказано, что конденсатор обладает реактивным сопротивлением переменному току, т.е. он не потребляет активную мощность, как резистор, поэтому практически не нагревается. Постоянный ток он не пропускает и является для него огромным сопротивлением, которое можно приравнять к разрыву цепи.

Если же на конденсатор подать переменное напряжение, то через него будет, упрощенно говоря протекать ток. Причем сопротивление этого реактивного элемента обратно пропорционально зависит от частоты f, т.е. с ростом f оно снижается. Таким же образом сопротивление зависит и от емкости:

Из приведенной формулы нам необходимо найти значение емкости:

Сопротивления X_с мы принимаем аналогично ранее найденным для резисторов: X_С1 = R₁ = 11000 Ом; X_С2 = R₂ = 306 Ом.

Подставляем данные значения и находим емкости:

Внимание! Все конденсаторы, подключаемые в сеть 220 В, должны быть рассчитаны на напряжение не менее 400 В!!!

Главным и очень существенным недостатком такой схемы является протекание значительного тока в момент подключения к сети. При этом величина его может превышать в несколько раз номинальный ток светодиода, в результате последний может выйти из строя.

Следует учитывать, что чем больше емкость конденсатора, тем выше значение тока в момент включения. Поэтому для защиты полупроводникового прибора рекомендуется последовательно с конденсатором включать резистор.

Исходя из тех соображений, что резистор с мощностью рассеивания P = 5 Вт имеет небольшие габариты, то рассчитаем величину его сопротивления при данных ограничениях для схемы с более мощным светодиодом:

Из номинального ряда сопротивлений выбираем ближайшее значение 39 Ом.

Конечно, коэффициент полезного действия данной схемы очень снизится, поскольку для питания светодиода мощностью 1 Вт необходимо затратить 6 Вт с источника питания. 5 ватт будут попросту греть резистор.

Еще статьи по данной теме

Как правильно подключать светодиоды (упрощённая версия)

(версия для торопящихся)

Новиков М.Г.
02.04.2007

Содержание

Введение

Ранее я уже писал о том, как правильно подключать светодиоды. Статья получилось подробной, большой, но трудной для восприятия. Люди в основной своей массе не хотят вникать в суть вещей, и хватают информацию лишь сверху. А потом тратят уйму времени на задавание вопросов, уже пояснённых в статье. Сейчас я постараюсь изложить основное, не углубляясь в разъяснение причин тех или иных правил, а если что будет непонятно, отсылаю вас к своей предыдущей статье.

Изложенные в статье утверждения и расчёты справедливы только для обычных светодиодов, не имеющих в своём составе электронных драйверов и прочих элементов.

[Вернуться в начало]

Напряжение питания

Напряжение, указанное на упаковке светодиодов — это не напряжение питания. Это величина падения напряжения на светодиоде. Эта величина необходима, чтобы вычислить оставшееся напряжение, «не упавшее» на светодиоде, которое принимает участие в формуле вычисления сопротивления резистора, ограничивающего ток, поскольку регулировать нужно именно его (ток).

[Вернуться в начало]

Ток

Величина тока для светодиода является основным параметром, и в большинстве случаев составляет 10 или 20 миллиампер. Неважно, какое будет напряжение. Главное, чтобы ток, текущей в цепи светодиода, соответствовал номинальному для светодиода. А ток регулируется включённым последовательно резистором, номинал которого вычисляется по формуле:

R = (U_пит. − U_пад.) / (I * 0,75)
R — сопротивление резистора в омах.
U_пит. — напряжение источника питания в вольтах.
U_пад.— прямое падение напряжения на светодиоде в вольтах (указывается в характеристиках и обычно находится в районе 2-х вольт). При последовательном включении нескольких светодиодов величины падений напряжений складываются.
I — максимальный прямой ток светодиода в амперах (указывается в характернистиках и составляет обычно либо 10, либо 20 миллиамперам, т.е. 0,01 или 0,02 ампера). При последовательном соединении нескольких светодиодов прямой ток не увеличивается.
0,75 — коэффициент надёжности для светодиода.

Не следует также забывать и о мощности резистора. Вычислить мощность можно по формуле:

P = (U_пит. − U_пад.)² / R
P — мощность резистора в ваттах.
U_пит. — действующее (эффективное, среднеквадратичное) напряжение источника питания в вольтах.
U_пад.— прямое падение напряжения на светодиоде в вольтах (указывается в характеристиках и обычно находится в районе 2-х вольт). При последовательном включении нескольких светодиодов величины падений напряжений складываются. .
R — сопротивление резистора в омах.

[Вернуться в начало]

Параллельное и последовательное включение светодиодов

Параллельное включение светодиодов с общим резистором — плохое решение. Светодиоды имеют разброс характеристик, в результате чего по ним потекут разные токи, и светиться они будут с разной яркостью. Более того, при выходе из строя одного из светодиодов по другим потечет больший ток. Всё это нехорошо.

При последовательном подключении светодиодов сопротивление ограничивающего резистора рассчитывается также, как и с одним светодиодом, просто падения напряжений всех светодиодов складываются между собой. Так, к автомобильному аккумулятору 12 вольт можно подключить 12 / 2 = 6 светодиодов с падением напряжения 2 вольта. В этом случае теоретически можно обойтись вообще без резистора, однако из-за расброса характеристик светодиодов проверить ток в цепи будет не лишним. Он не должен превышать номинального тока светодиода. Если ток выше, следует включить в цепь резистор сопротивлением несколько ом.

[Вернуться в начало]

Часто задаваемые вопросы

1. Я знаю электротехнику и уверяю вас, что ток прекрасно регулируется напряжением! Мне не нужен резистор, я отрегулирую ток напряжением источника питания, и запитаю от него сразу несколько светодиодов!

Было бы хорошо, если помимо электротехники Вы бы знали и электронику. Регулировка тока напряжением — мероприятие довольно грубое. Изменение напряжение питания всего на одну десятую вольта у условного светодиода (с 1,9 до 2 вольт) вызовет пятидесятипроцентное увеличение тока, протекающего через светодиод (с 20 до 30 миллиампер). Поэтому вам будет необходим очень точный источник питания. Кроме того, включив в него параллельно несколько диодов и померив их токи, Вы сможете убедиться, что они будут иметь существенный разброс. Это результат расброса характеристик полупроводниковых приборов.

2. Я втыкал один и тот же светодиод и в 2 и в 3 вольта, и он нормально светился и не перегорал! Нафига мне мерить ток, если всё и так работает?

Весь вопрос в том, как долго светодиод должен быть исправным. Если Вам достаточно нескольких дней (недель, при качественных светодиодах — месяцев), то втыкайте их как хотите. Если вам нужно надёжное изделие, стабильно работающее годами, потрудитесь посчитать резисторы.

3. Я правильно подсчитал резистор для питания светодиода от сети 220 вольт переменного тока. Однако светодиоды постоянно перегорают.

Ваши светодиоды не выдерживают постоянный электрический пробой обратным полупериодом. В результате происходит необратимый тепловой пробой. Чтобы этого избежать, параллельно светодиоду, но с обратной полярностью, включите любой кремниевый диод, например КД522Б. Он пропустит через себя обратный полупериод, не давая ему пробить светодиод в обратном направлении. Также обратите внимание на то, что в расчёте номинала резистора следует использовать не среднеквадратичное напряжение 220 вольт, а амплитудную его величину 311 вольт. При расчёте же мощности резистора используем привычное нам среднеквадратичное значение напряжения в 220 вольт.

4. У меня светодиоды подключены вместо контрольных ламп в системе автоматики. Из-за большой длины кабельной линии они постоянно подсвечиваются от наводок. Как этого избежать?

Самый удачный способ избежать свечения отключенных светодиодов — занулить питающий провод при снятии напряжения питания со светодиода. Обычно это делается на противоположной светодиоду стороне переключающим реле. Общий контакт реле подключается к жиле, питающей светодиод, нормально замкнутый контакт зануляется, а на нормально разомкнутый подаётся напряжение. Теперь срабатывание реле зажжёт светодиод, а при его отключении питающая жила будет занулена и все наводки стекут в ноль.

Часто такое подключение требует переделки схемы автоматики. Если на это пойти нельзя, можно придумать альтернативные варианты. Например, использовать рядом со светодиодами промежуточные реле, или извратиться и включить две связки «светодиод-диод-резистор» последовательно — один на стороне автоматики, другой на удалённой панели индикации, поставить их под напряжение, а отключение производить замыканием средней точки на ноль. Тогда светодиод на стороне панели индикации погаснет, а на стороне автоматики загорится ярче. Минусы такого подключения — дополнительные детали (светодиод, диод и резистор), а также более тусклое горение основного индикатора. Можно также попробовать погасить паразитное подсвечивание светодиода резистором, включённым параллельно связке «светодиод-диод-резистор».

5. У меня есть светодиод, но я не знаю его марку, а значит, мне неизвестен ни его ток, ни величина прямого падения напряжения на нём.

Для простейшего способа определения характеристик светодиода вам понадобится источник питания постоянного тока с плавно регулируемым выходным напряжением (например, от 0 до 12 вольт, хотя в большинстве случаев подойдет диапазон 1,5—2,5 вольта), вольтметр и амперметр. Ставим регулятор напряжения на минимум и, соблюдая полярность, подключаем светодиод к блоку питания. В цепь последовательно со светодиодом включаем амперметр, а параллельно источнику питания — вольтметр.

Напряжение: регулятором медленно поднимаем напряжение до тех пор, пока светодиод не начнет приемлемо светиться. При этом следим, чтобы ток случайно не превысил 20 миллиампер (максимум для большинства светодиодов). Смотрим напряжение (например, 1,82 В). Округляем его до десятых вольта (1,8). Это и будет величина прямого падения напряжения.

Ток: теперь проверяем разницу свечения светодиода при токах 5, 10 и 20 миллиампер (наиболее распространенные величины), аккуратно выставляя их регулятором напряжения. Интуитивно по характеру изменения свечения определяем, какой ток для светодиода будет оптимальным. При этом если разница в свечении не существенна, выбираем меньшее значение тока (чаще всего используется 10 миллиампер).

Сегодня также существуют светодиоды повышенной яркости, которые рассчитаны на токи в сотни миллиампер. Поэтому, если светодиод горит явно тускло при 20 миллиамперах, пробуем увеличивать ток далее. При этом, если при увеличении тока светодиод перестаёт увеличивать яркость, значит, вы уже слишком сильно превысили его токовый предел, и он близок к тепловому пробою. Срочно снижаем ток.

6. Я подключил светодиоды к аккумулятору в автомобиле, но когда двигатель работает — они горят ярче. Это не опасно?

Опасно. Генератор автомобиля при работе двигателя даёт напряжение в бортовую сеть 13,6—14,7 вольта, и светодиоды могут быстро выйти из строя. Кроме того, это напряжение постоянно изменяется и сильно падает при пуске двигателя. Поэтому необходимо стабилизировать это напряжение, например, на 9 вольтах специальной микросхемой КРЕН8А (КР142ЕН8А, 7809) с максимальным током 1,5 ампера или КРЕН8Г (КР142ЕН8Г) с максимальным током 1 ампер, и расчёт резисторов производить уже относительно этого напряжения. Не забывайте, что при большом токе микросхема будет греться, поэтому её следует устанавливать на радиатор.

Более подробно о подключении светодиодов можно узнать из моей предыдущей стататьи.

[Вернуться в начало]

Как подключить ИК-фотодиодный датчик к цепи

В этом посте мы узнаем, как правильно подключить ИК-фотодиод в цепи, такие как цепь датчика приближения. Объяснение представлено в форме обсуждения между одним из преданных читателей этого блога NVD и мной.

Вот обсуждение, которое объясняет, как подключить фотодиод в электронную схему.

Проверка подключения ИК-фотодиода в цепи

Вопрос : Скажите, пожалуйста, работает ли следующая схема или нет.Я думаю, что выход ic 5v. Я хочу, чтобы выход был подключен к 12-вольтовому реле, а не к зуммеру. Можете ли вы сказать, какие изменения я должен сделать в цепи ..

Анализ цепи

Ответ:

(+) — это анод, и (-) является катодом фотодиода. Другими словами, контакт, связанный с более широкой пластиной внутри фотодиода, будет катодом, а контакт, связанный с более тонкой пластиной внутри фотодиода, будет анодом

, если он установлен правильно, то он должен работать.. Однако диаграмма выше имеет много ошибок и никогда не будет работать. Конфигурация ИК фотодиода с операционным усилителем потребует некоторых модификаций.
Для настройки реле можно использовать каскад BC547 / relay на выходе операционного усилителя, холодный базовый резистор должен быть 10K
Для получения подробной информации о каскаде реле вы можете обратиться к следующей статье: https: / /homemade-circuits.com/2012/01/how-to-make-relay-driver-stage-in.html

Вопрос:

нормально, есть ли положительный и отрицательный вывод для ИК-приемника и передатчика, как светодиод ,Я новичок в этом, поэтому спрашиваю полярность

для ИК фотодиодов в передатчиках

, как и у любого другого диода, ИК фотодиоды также имеют полярность и должны быть подключены соответствующим образом.

Вопрос:

В цепи фотодиода подключено прямое смещение. это неправильно? Пожалуйста, проверьте сэр.

Принципиальная электрическая схема

Полярность ИК-фотоприемника для приемника

Полярность ИК-фотодиода передатчика правильная … Полярность приемника неправильная , необходимо инвертировать ее для приемника, как показано ниже.

Вопрос:

сэр, сначала я забыл подключить вывод 3 микросхемы к резистору приемника, затем я дал питание 12 В, поэтому светится только светодиод. После этого я подключил контакт 3 к резистору и дал 9V. Теперь светодиодные фонари, когда я поворачиваю переменный резистор в одну сторону. Светодиод не загорается, когда препятствие выдвигается вперед.

Может ли ИК-фотодиод сгореть

Я подключил все правильно, но он не работает, есть ли вероятность того, что IC или фотодиод сгорят при подключении к источнику питания 12 В.Есть ли у вас принципиальная схема для ИК датчика приближения.

Пожалуйста, помогите мне, сэр.

Ответ

Фотодиод никогда не сгорит, если он подключен последовательно с резистором.

Так почему приемный фотодиод не отвечает

Ответ:

На приведенной выше схеме фотодиод, связанный с операционным усилителем, никогда не сможет запустить операционный усилитель в ответ на принятый инфракрасный сигнал. Почему ??

Правильный способ подключения фотодиода с операционным усилителем

Напряжение, генерируемое фотодиодом приемника в ответ на сигналы от фотодиода передатчика, вряд ли будет в милливольт , а может составлять всего пару милливольт.

Несмотря на то, что операционные усилители могут быть чувствительны к обнаружению даже до пары милливольт, резистор 10K на контакте № 3 и на земле мгновенно аннулирует крошечный сигнал милливольтного напряжения, делая невозможным его обнаружение операционным усилителем.

Поэтому мы можем предположить, что именно резистор 10K отвечает за то, что операционный усилитель не может обнаружить выходной сигнал фотодиодов.

Следующая диаграмма показывает, как правильно подключить фотодиод с операционным усилителем, чтобы он эффективно реагировал на сигналы от любого источника передатчика ИК-фотодиода:

На приведенной выше диаграмме мы можем видеть, что более ранний резистор 10 кОм на неинвертирующем выводе из операционного усилителя заменяется конденсатором низкого значения, и теперь это позволяет операционному усилителю реагировать на сигналы, генерируемые фотодиодами Rx, Tx.

Фактически, операционный усилитель будет по-прежнему реагировать без конденсатора, однако никогда не рекомендуется держать входы операционного усилителя плавающими, пока он питается, поэтому заземленный конденсатор гарантирует, что соответствующий вход операционного усилителя никогда не будет оставаться плавающим и подверженным воздействию. блуждающие сигналы.

Вы можете подумать, что конденсатор можно заменить резистором высокого значения, порядка нескольких мегом, извините, что это тоже может не помочь, что опять-таки не позволит операционному усилителю воспринимать сигналы от фотодиода и, в конечном счете, низкий уровень. Значение конденсатора приводит к тому, что это правильный выбор.

Подключение фотодиода для активации реле

Показанный выше фотодиодный детектор на основе операционного усилителя может быть дополнительно модернизирован для запуска ступени реле путем интеграции ступени драйвера реле, как показано на следующей диаграмме:

Обратная связь от г-на Нормана Келли (один из заядлых читателей этого блога):

Привет, Swagatam,

Я искал схему, чтобы предупредить меня, когда кто-нибудь войдет в мой двор и переднюю палубу.

Работники службы доставки оставляют вещи на передней палубе и не звонят в дверной звонок, поэтому я не знаю, что мои посылки находятся на палубе.Кроме того, ночью я хотел бы знать, входит ли кто-нибудь в мой двор.

Я разработал схему с PIR и беспроводным TX / RX для воспроизведения сообщения в моем доме. Все работает, но есть много ложных триггеров, и это сводит мою жену с ума.

Я предполагаю, что РЧ сигналы запускают PIR. Я попытался разделить их на несколько дюймов, и это помогло, но не достаточно. Итак, я решил взглянуть на ИК, чтобы обнаружить человека, открывающего ворота во двор и затем передающего этот триггер по беспроводной сети.Я хотел сделать инфракрасный луч, но он требует больше компонентов, которых у меня нет на данный момент.

Итак, я решил, что бесконтактный ИК будет работать, если я поместу датчик в ворота и поместу отражатель в ворота, который будет отражать ИК при открытии ворот.

Я видел вашу схему «Как подключить ИК фотодиодный датчик».

Я сел на схему, и она работает нормально. Единственная проблема заключается в том, что он использует 50 мА в режиме ожидания и 70 мА в активном режиме.

Дистанционный монтаж с аккумуляторным питанием, кажется, не может быть и речи, если только нет способа снизить требования к питанию, или мне придется подавать низкое напряжение на устройство.

Есть предложения или комментарии? Спасибо за вашу помощь!
Norman Kelley

Мой ответ:

Hi Norman,

Высокое потребление может быть просто из-за неправильных значений резистора светодиода, попробуйте использовать 1K для светодиода передатчика, а также для светодиода индикатора, общее потребление должно снизиться примерно до 6 мА

О Swagatam

Я инженер-электронщик (dipIETE), любитель, изобретатель, разработчик схем / печатных плат, производитель. Я также являюсь основателем сайта: https: // www.homemade-circuits.com/, где я люблю делиться своими инновационными идеями и учебными пособиями.
Если у вас есть запрос, связанный со схемой, вы можете взаимодействовать через комментарии, я буду очень рад помочь!

диодов — learn.sparkfun.com

Избранные любимец 56

Введение

После того как вы закончили с простыми пассивными компонентами, такими как резисторы, конденсаторы и индукторы, пришло время вступить в удивительный мир полупроводников. Одним из наиболее широко используемых полупроводниковых компонентов является диод.

В этом уроке мы рассмотрим:

Что такое диод !?
Теория работы диода
Важные диодные свойства
Различные типы диодов
Как выглядят диоды
Типичные диодные аппликации

Что такое цепь?

Каждый электрический проект начинается с цепи. Не знаете, что такое схема? Мы здесь, чтобы помочь.

Что такое электричество?

Мы можем видеть электричество в действии на наших компьютерах, освещая наши дома, как молнии в грозах, но что это? Это не простой вопрос, но этот урок проливает свет на него!

Как использовать мультиметр

Изучите основы использования мультиметра для измерения непрерывности, напряжения, сопротивления и тока.

Хотите исследовать различные диоды?

идеальных диодов

Ключевой функцией идеального диода является управление направлением потока тока . Ток, проходящий через диод, может идти только в одном направлении, называемом прямым направлением. Ток, пытающийся течь в обратном направлении, блокируется. Они как односторонний клапан электроники.

Если напряжение на диоде отрицательное, ток не может течь *, и идеальный диод выглядит как разомкнутая цепь.В такой ситуации говорят, что диод имеет от или с обратным смещением .

Пока напряжение на диоде не отрицательное, оно будет «включаться» и проводить ток. В идеале * диод должен действовать как короткое замыкание (0 В на нем), если он проводит ток. Когда диод проводит ток, он смещен в прямом направлении (жаргон электроники для «вкл»).

Соотношение тока и напряжения идеального диода. Любое отрицательное напряжение производит нулевой ток — разомкнутая цепь.Пока напряжение не отрицательное, диод выглядит как короткое замыкание.

Идеальный диод Характеристики
Режим работы	Вкл. (Прямое смещение)	Выкл. (Обратное смещение)
Ток через	I> 0	I = 0
Напряжение через	В = 0	В
Диод выглядит как	Короткое замыкание	Разомкнутая цепь

Схема

Каждый диод имеет две клеммы — соединения на каждом конце компонента — и эти клеммы поляризованы , что означает, что две клеммы совершенно разные.Важно не перепутать соединения на диоде. Положительный конец диода называется анодом , а отрицательный конец — катодом . Ток может течь от конца анода к катоду, но не в другом направлении. Если вы забыли, как протекает ток через диод, попробуйте запомнить мнемонику ACID : «анодный ток в диоде» (также анодный катод — это диодный ).

Символ схемы стандартного диода представляет собой треугольник, примыкающий к линии.Как мы рассмотрим позже в этом уроке, существует множество типов диодов, но обычно их символ цепи выглядит примерно так:

Терминал, входящий в плоский край треугольника, представляет анод. Ток течет в направлении, указанном треугольником / стрелкой, но не может идти другим путем.

Выше пара простых примеров диодной схемы. Слева, диод D1 смещен в прямом направлении и пропускает ток через цепь. По сути это выглядит как короткое замыкание.Справа диод D2 имеет обратное смещение. Ток не может течь через цепь, и он по сути выглядит как разомкнутая цепь.

* Предостережение! Звездочка! Не совсем верно … К сожалению, нет идеала с идеальным диодом . Но не волнуйся! Диоды действительно реальны, у них просто есть несколько характеристик, которые заставляют их работать немного меньше, чем наша идеальная модель …

Характеристики реальных диодов

В идеале , диоды блокируют любой ток, протекающий в обратном направлении, или просто действуют как короткое замыкание, если ток протекает вперед.К сожалению, фактическое поведение диода не совсем идеально. Диоды действительно потребляют некоторое количество энергии при проведении прямого тока, и они не блокируют весь обратный ток. Реальные диоды немного сложнее, и все они имеют уникальные характеристики, которые определяют, как они на самом деле работают.

Отношение тока и напряжения

Наиболее важной характеристикой диода является его соотношение напряжение-ток ( i-v ). Это определяет, какой ток проходит через компонент, учитывая, какое напряжение измеряется на нем.Резисторы, например, имеют простую линейную зависимость I-V … Закон Ома. Кривая i-v диода, тем не менее, полностью , а не -линейная. Это выглядит примерно так:

Вольт-амперная зависимость диода. Чтобы преувеличить несколько важных моментов на графике, шкалы как в положительной, так и в отрицательной половинах не равны.

В зависимости от напряжения, приложенного к нему, диод будет работать в одной из трех областей:

Прямое смещение : Когда напряжение на диоде положительное, диод «включен» и ток может протекать.Напряжение должно быть больше, чем прямое напряжение (V _F), чтобы ток был значительным.
Обратное смещение : это режим выключения диода, когда напряжение меньше, чем V _F, но больше, чем -V _BR. В этом режиме протекание тока (в основном) заблокировано, а диод выключен. Небольшой ток с частотой (порядка нА), называемый током обратного насыщения, может течь в обратном направлении через диод.
Пробой : Когда напряжение, приложенное к диоду, очень велико и отрицательно, большое количество тока сможет течь в обратном направлении, от катода к аноду.

прямое напряжение

Чтобы «включить» и провести ток в прямом направлении, диод требует, чтобы на него было приложено определенное количество положительного напряжения. Типичное напряжение, необходимое для включения диода, называется прямым напряжением (V _F).Его также можно назвать напряжением включения или напряжением .

Как мы знаем из кривой i-v , ток и напряжение на диоде взаимозависимы. Больший ток означает большее напряжение, меньшее напряжение означает меньший ток. Однако, как только напряжение достигает примерно номинального прямого напряжения, значительное увеличение тока все равно должно означать лишь очень небольшое увеличение напряжения. Если диод является полностью проводящим, обычно можно предположить, что напряжение на нем является номинальным напряжением прямого напряжения.

Мультиметр с настройкой диода может использоваться для измерения (минимум) прямого падения напряжения на диоде.

V _F конкретного диода зависит от того, из какого полупроводникового материала он сделан. Как правило, кремниевый диод будет иметь V _F около 0,6-1 В . Диод на основе германия может быть ниже, около 0,3 В. Диод типа также имеет некоторое значение для определения прямого падения напряжения; Светоизлучающие диоды могут иметь гораздо больший V _F, в то время как диоды Шоттки специально разработаны для того, чтобы иметь намного более низкое, чем обычно, прямое напряжение.

Напряжение пробоя

Если на диод подается достаточно большое отрицательное напряжение, оно будет сдаваться и позволять току течь в обратном направлении. Это большое отрицательное напряжение называется напряжением пробоя . Некоторые диоды фактически предназначены для работы в области пробоя, но для большинства обычных диодов не очень полезно подвергать их воздействию больших отрицательных напряжений.

Для нормальных диодов это напряжение пробоя составляет от -50 В до -100 В или даже больше отрицательного значения.

Diode Datasheets

Все вышеперечисленные характеристики должны быть подробно описаны в спецификации для каждого диода. Например, эта таблица данных для диода 1N4148 перечисляет максимальное прямое напряжение (1 В) и напряжение пробоя (100 В) (среди множества другой информации):

Таблица данных может даже представить вам очень знакомый график вольт-ампер, чтобы более подробно описать поведение диода. Этот график из таблицы данных диода увеличивает изогнутую часть передней области кривой i-v .Обратите внимание, что для увеличения тока требуется большее напряжение:

Эта диаграмма указывает на другую важную диодную характеристику — максимальный прямой ток. Как и любой другой компонент, диоды могут рассеивать столько энергии, сколько могут взорваться. Все диоды должны указывать максимальный ток, обратное напряжение и рассеиваемую мощность. Если на диод подается большее напряжение или ток, чем он может выдержать, ожидайте, что он нагреется (или хуже; тает, курит, …).

Некоторые диоды хорошо подходят для высоких токов — 1 А или более, другие, как диод со слабым сигналом 1N4148, показанный выше, могут подходить только для напряжения около 200 мА.

То, что 1N4148 — это всего лишь крошечная выборка из всех видов диодов. Далее мы рассмотрим, какое удивительное разнообразие диодов существует и для чего служит каждый тип.

Типы диодов

нормальных диода

Сигнальные диоды

Стандартные сигнальные диоды являются одними из самых простых, средних, без излишеств членов семейства диодов. Они обычно имеют среднее высокое падение прямого напряжения и низкий максимальный номинальный ток.Типичным примером сигнального диода является 1N4148.

Очень общего назначения, он имеет типичное прямое падение напряжения 0,72 В и максимальный номинальный прямой ток 300 мА.

Диод со слабым сигналом, 1N4148. Обратите внимание на черный кружок вокруг диода, который обозначает, какой из выводов является катодом.

Силовые диоды

Выпрямитель или силовой диод — это стандартный диод с намного более высоким максимальным номинальным током. Этот более высокий номинальный ток обычно достигается за счет большего прямого напряжения.1N4001 является примером силового диода.

1N4001 имеет номинальный ток 1А и прямое напряжение 1,1В.

1N4001 PTH диод. На этот раз серая полоса указывает, какой вывод является катодом.

И, конечно, большинство типов диодов выпускаются также в вариантах для поверхностного монтажа. Вы заметите, что у каждого диода есть какой-то способ (независимо от того, насколько он мал или плохо виден), чтобы указать, какой из двух выводов является катодом.

Светодиоды (светодиоды!)

Самым ярким представителем семейства диодов должен быть светодиод (LED).Эти диоды буквально загораются при подаче положительного напряжения.

Горстка сквозных светодиодов. Слева направо: желтый 3 мм, синий 5 мм, зеленый 10 мм, суперяркий красный 5 мм, RGB 5 мм и синий 7-сегментный светодиод.

Как и обычные диоды, светодиоды пропускают ток только в одном направлении. Они также имеют номинальное прямое напряжение, которое является напряжением, требуемым для того, чтобы они загорелись. Номинальная мощность светодиода V _F обычно больше, чем у обычного диода (1.2 ~ 3 В), и это зависит от цвета, который излучает светодиод. Например, номинальное прямое напряжение суперяркого синего светодиода составляет около 3,3 В, тогда как номинальное прямое напряжение суперяркого красного светодиода составляет всего 2,2 В.

Очевидно, вы чаще всего найдете светодиоды в приложениях освещения. Они веселые и веселые! Но более того, их высокая эффективность привела к широкому использованию уличного освещения, дисплеев, подсветки и многого другого. Другие светодиоды излучают свет, который не виден человеческому глазу, как инфракрасные светодиоды, которые являются основой большинства пультов дистанционного управления.Другое распространенное использование светодиодов заключается в оптической изоляции опасной высоковольтной системы от цепи низкого напряжения. Оптоизоляторы соединяют инфракрасный светодиод с фотодатчиком, который пропускает ток при обнаружении света от светодиода. Ниже приведен пример схемы оптоизолятора. Обратите внимание, как условное обозначение диода отличается от нормального диода. Светодиодные символы добавляют пару стрелок, выходящих из символа.

диоды Шоттки

Другой очень распространенный диод — это диод Шоттки.

Диод Шоттки

В наличии COM-10926

Диоды Шоттки известны своим низким падением прямого напряжения и очень быстрым переключением. Этот диод Шоттки 1A 40V…

Полупроводниковый состав диода Шоттки немного отличается от нормального диода, и это приводит к намного меньшему падению прямого напряжения на , которое обычно составляет 0.15 В и 0,45 В. У них все равно будет очень большое напряжение пробоя.

Диоды Шоттки особенно полезны при ограничении потерь, когда каждый последний бит напряжения должен быть обойден в . Они достаточно уникальны, чтобы получить собственный символ цепи с парой изгибов на конце катодной линии.

стабилитроны

Стабилитроны
являются странным изгоем семейства диодов. Они обычно используются для преднамеренного проведения обратного тока .
Стабилитрон — 5.1 В 1 Вт
Распродано COM-10301
Стабилитроны полезны для создания опорного напряжения или в качестве стабилизатора напряжения для слаботочных applications.These диодов …
стабилитроны имеют очень точное напряжение пробоя, называемое пробивом стабилитрона или стабилитроном . Когда через стабилитрон проходит достаточный ток в обратном направлении, падение напряжения на нем будет оставаться стабильным при напряжении пробоя.
Используя свои свойства пробоя, стабилитроны часто используются для создания известного эталонного напряжения точно при их напряжении стабилитрона. Их можно использовать в качестве регулятора напряжения для небольших нагрузок, но на самом деле они не предназначены для регулирования напряжения в цепях, которые будут тянуть значительные количества тока.
стабилитроны достаточно особенные, чтобы получить свой собственный символ цепи с волнистыми концами на катодной линии. Символ может даже определить, какое именно напряжение стабилитрона на диоде.Вот стабилитрон 3,3 В, который создает твердое эталонное напряжение 3,3 В:
Фотодиоды
Фотодиоды — это специально сконструированные диоды, которые улавливают энергию фотонов света (см. Физика, квант) для генерации электрического тока. Вид работы в качестве анти-LED.
Фотодиод BPW34 (не четверть, мелочь на вершине). Получить его под солнцем, и он может генерировать около нескольких мкВт мощности!
Солнечные батареи являются основным благотворителем технологии фотодиодов.Но эти диоды также можно использовать для обнаружения света или даже для оптической связи.
Диодные Приложения
Для такого простого компонента диоды имеют огромный спектр применения. Вы найдете диод какого-то типа почти в каждой цепи. Они могут быть представлены во всем, от цифровой логики с малым сигналом до схемы преобразования мощности высокого напряжения. Давайте рассмотрим некоторые из этих приложений.
Выпрямители
Выпрямитель — это схема, которая преобразует переменный ток (AC) в постоянный ток (DC).Это преобразование имеет решающее значение для всех видов бытовой электроники. Сигналы переменного тока выходят из настенных розеток вашего дома, но постоянный ток — это то, что питает большинство компьютеров и другой микроэлектроники.
Ток в цепях переменного тока буквально чередуется с — быстро переключается между работой в положительном и отрицательном направлениях — но ток в сигнале постоянного тока идет только в одном направлении. Таким образом, чтобы преобразовать переменный ток в постоянный, вам просто нужно убедиться, что ток не может идти в отрицательном направлении. Звучит как работа для ДИОДОВ!
Полуволновый выпрямитель может быть изготовлен из одного диода.Если сигнал переменного тока, такой как, например, синусоидальная волна, посылается через диод, то любой отрицательный компонент сигнала отключается.
Форма волны входного (красного / левого) и выходного (синего / правого) напряжения после прохождения через полуволновую схему выпрямителя (посередине).
Двухполупериодный мостовой выпрямитель использует четыре диода для преобразования этих отрицательных пиков в сигнале переменного тока в положительные пики.
Схема мостового выпрямителя (в центре) и форма выходной волны, которую он создает (синий / правый).
Эти цепи являются критически важным компонентом источников питания переменного тока в постоянный ток, которые преобразуют сигнал 120/240 В переменного тока в настенную розетку в сигналы 3,3 В, 5 В, 12 В и т. Д. Если вы разорвете стенную бородавку, вы, скорее всего, увидите там несколько диодов, исправляющих ее.
Можете ли вы найти четыре диода, которые делают мостовой выпрямитель в этой настенной бородавке?
Защита от обратного тока
Вы когда-нибудь неправильно вставляли аккумулятор? Или включите красный и черный провода питания? Если так, диод мог бы быть благодарен за вашу цепь, все еще живую.Диод, установленный последовательно с положительной стороной источника питания, называется диодом обратной защиты. Это гарантирует, что ток может течь только в положительном направлении, а источник питания подает только положительное напряжение на вашу цепь.
Это диодное приложение полезно, когда разъем источника питания не поляризован, что позволяет легко испортить и случайно подключить отрицательный источник питания к положительному входу цепи.
Недостаток обратного защитного диода заключается в том, что он вызывает некоторую потерю напряжения из-за прямого падения напряжения.Это делает диоды Шоттки отличным выбором для диодов с обратной защитой.
Логические ворота
Забудьте о транзисторах! Простые цифровые логические элементы, такие как И или ИЛИ, могут быть построены из диодов.
Например, диодный логический элемент ИЛИ с двумя входами может быть построен из двух диодов с общими катодными узлами. Выход логической схемы также находится в этом узле. Всякий раз, когда любой из входов (или оба) представляет собой логическую 1 (высокая / 5 В), выход также становится логической 1.Когда оба входа имеют логический 0 (низкий / 0 В), выходной сигнал низко через резистор.
Ворота И построены аналогичным образом. Аноды обоих диодов соединены вместе, и именно там находится выход схемы. На обоих входах должна быть логическая 1, заставляющая ток течь к выходному контакту и также тянуть его высоко. Если на любом из входов низкий уровень, ток от источника 5 В проходит через диод.
Для обоих логических элементов можно добавить больше входов, добавив только один диод.
диодов обратного хода и подавления скачков напряжения
Диоды очень часто используются, чтобы ограничить потенциальный ущерб от неожиданных больших скачков напряжения. Диоды для подавления переходных напряжений (TVS) — это специальные диоды, такие как стабилитроны, с низким напряжением пробоя (часто около 20 В), но с очень большой номинальной мощностью (часто в диапазоне киловатт). Они предназначены для шунтирования токов и поглощения энергии, когда напряжение превышает их напряжение пробоя.
Диоды с обратной связью
выполняют аналогичную работу по подавлению всплесков напряжения, особенно вызванных индуктивным компонентом, таким как двигатель.Когда ток через индуктор внезапно изменяется, возникает скачок напряжения, возможно, очень большой, отрицательный скачок. Обратный диод, помещенный поперек индуктивной нагрузки, обеспечит этот отрицательный сигнал напряжения безопасным путем к разрядке, фактически повторяя петлю через индуктор и диод, пока он в конечном итоге не погаснет.
Это всего лишь несколько приложений для этого удивительного маленького полупроводникового компонента.
Закупочные диоды
Теперь, когда ваш текущий движется в правильном направлении, пришло время эффективно использовать ваши новые знания.Если вы ищете отправную точку или просто запасаетесь, у нас есть набор Inventor, а также отдельные диоды на выбор.
Наши рекомендации:
Диод Шоттки
В наличии COM-10926
Диоды Шоттки известны своим низким падением прямого напряжения и очень быстрым переключением.Этот диод Шоттки 1A 40V…
1
SparkFun Inventor’s Kit — V3.2
На пенсии KIT-12060
** Как вы могли видеть из [нашего блога] (https://www.sparkfun.com/news/2241), мы недавно перенесли нашу форму для литья под давлением для SIK…
76 пенсионер
Ресурсы и дальнейшее развитие
Теперь, когда вы получили контроль над диодами, возможно, вы хотите продолжить исследовать больше полупроводников:
Или откройте для себя некоторые другие распространенные электронные компоненты:
,
Что такое диод? Знать PN-Теорию Соединений, Конструирование и Работу Диодов Разных Типов
Что такое диод?
Как правило, все электронные устройства нуждаются в источнике постоянного тока, но невозможно вырабатывать энергию постоянного тока, поэтому нам нужна альтернатива для получения некоторой мощности постоянного тока, поэтому использование диодов отражено на рисунке для преобразования мощности переменного тока в мощность постоянного тока . Диод представляет собой крошечный электронный компонент, используемый почти во всех электронных схемах для обеспечения протекания тока только в одном направлении (однонаправленное устройство , , , ).Можно сказать, что использование полупроводниковых материалов для создания электронных компонентов было начато с диодов. До изобретения диода существовали вакуумные трубки, где применение обоих этих устройств аналогично, но размер, занимаемый вакуумной трубкой, будет намного больше, чем у диодов. Конструкция вакуумных трубок немного сложна, и их трудно поддерживать по сравнению с полупроводниковыми диодами. Несколько применений диодов — выпрямление, усиление, электронный переключатель, преобразование электрической энергии в световую энергию и световую энергию в электрическую энергию.
История Диода:
В 1940 году в Bell Labs Рассел Ол работал с кристаллом кремния, чтобы выяснить его свойства. Однажды случайно, когда кристалл кремния, в котором есть трещина, оказался под воздействием солнечного света, он обнаружил протекание тока через кристалл, который позже назвали диодом , что стало началом эпохи полупроводников.
Конструкция диода:
Твердые материалы обычно подразделяются на три типа, а именно проводники, изоляторы и полупроводники .У проводников есть максимальное количество свободных электронов, у Изоляторов есть минимальное количество свободных электронов (пренебрежимо мало, так что поток тока вообще невозможен), тогда как полупроводников могут быть или проводниками или изоляторами в зависимости от приложенного к нему потенциала. Полупроводники, которые обычно используются, — это Silicon и Germanium . Кремний предпочтителен, потому что он в изобилии доступен на земле и дает лучший тепловой диапазон.
Полупроводники
подразделяются на два типа: Внутренние и Внешние полупроводники .
Собственные полупроводники:
Их также называют чистыми полупроводниками, в которых носители заряда (электроны и дырки) находятся в одинаковом количестве при комнатной температуре. Таким образом, проводимость тока происходит одинаково как по дыркам, так и по электронам.
Внешние полупроводники:
Чтобы увеличить число дырок или электронов в материале, мы выбираем внешние полупроводники, в которых к кремнию добавляются примеси (кроме кремния и германия или просто трехвалентные или пятивалентные материалы).Этот процесс добавления примесей к чистым полупроводникам называется легированием .
Формирование полупроводников P и N-типа:
N-Type Semiconductor:
Если к Si или Ge добавляются пятивалентные элементы (число валентных электронов пять), то имеются свободные электроны. Поскольку электронов (отрицательно заряженных носителей) больше, их называют N-типа полупроводником .В N-типе полупроводниковые электроны являются основными носителями заряда, а дырки — неосновными носителями заряда.
Несколько пятивалентных элементов: Фосфор, Мышьяк, Сурьма и Висмут . Поскольку они имеют избыточный валентный электрон и готовы к сопряжению с внешней положительно заряженной частицей, эти элементы называются Донорами .

P-Type Semiconductor
Точно так же, если к Si или Ge добавляются трехвалентные элементы, такие как бор, алюминий, индий и галлий, создается дырка, потому что число валентных электронов в ней равно трем.Поскольку дыра готова принять электрон и соединиться, она называется Acceptors . Поскольку число отверстий в недавно сформированном материале является избыточным, их называют P-type semiconductors . В полупроводниковых дырках P-типа основные носители заряда, а электроны — второстепенные носители заряда.

P-N Соединительный диод:
Теперь, если мы соединяем вместе два типа полупроводников P-типа и N-типа вместе , то формируется новое устройство, называемое P-N-соединительный диод .Поскольку соединение образуется между P-типом и материалом N-типа, оно называется P-N-переходом.
Слово диод можно объяснить как «Di» означает два, а «ode» получается из электрода. Поскольку вновь сформированный компонент может иметь две клеммы или электроды (один соединен с P-типом, а другой с N-типом), он называется диодом или P-N-переходом или полупроводниковым диодом .
Клемма, подключенная к материалу P-типа, называется Анодом , а клемма, подключенная к материалу N-типа, называется Катодом .

Символическое представление диода выглядит следующим образом.

Стрелка указывает на протекание тока через него, когда диод находится в режиме прямого смещения, черточка или блок на конце стрелки указывает на блокировку тока в противоположном направлении.
P-N Junction Теория:
Мы видели, как изготавливается диод из полупроводников P и N, но нам нужно знать, что происходит внутри него, чтобы сформировать уникальное свойство пропускания тока только в одном направлении, а также то, что происходит в точной точке контакта, первоначально на его соединении ,
Формирование соединения :
Первоначально, когда оба материала соединяются вместе (без приложения внешнего напряжения), избыточные электроны в N-типе и избыточные дыры в P-типе будут притягиваться друг к другу и рекомбинировать там, где образуются неподвижные ионы (донор). ион и акцепторный ион) происходит, как показано на рисунке ниже. Эти неподвижные ионы противостоят потоку электронов или дыр через него, который теперь действует как барьер между двумя материалами (образование барьера означает, что неподвижные ионы диффундируют в области P и N).Барьер, который сейчас формируется, называется Области истощения . Ширина области обеднения в этом случае зависит от концентрации легирования в материалах.

Если концентрация легирования в обоих материалах одинакова, то неподвижные ионы диффундируют в материалы P и N в равной степени.
Что, если концентрация допинга отличается друг от друга?
Хорошо, если легирование отличается, ширина области истощения также отличается. Его диффузия больше в легированной области и меньше в сильно легированной области .
Теперь давайте посмотрим, как работает диод при подаче правильного напряжения.
Диод в прямом смещении :
Чтобы диод проводил первым, нам нужно преодолеть барьер, образовавшийся на пути. Чтобы преодолеть барьер в пределах нормального диода, к клеммам должно быть приложено минимум +0,7 Вольт (для кремния) и + 0,3 В (для германия).Эти напряжения называются Напряжение включения или Напряжение смещения или Напряжение точки останова или Напряжение зажигания или Пороговое напряжение. До тех пор, пока эти напряжения не станут очень низкими, ток протекает через диод (в идеале ноль).
Если положительный вывод батареи или источника напряжения приложен к аноду или P-области диода, а отрицательный вывод — к катоду или N-области диода, он называется с прямым смещением .
Из-за прямого смещения основные носители заряда в обеих областях отталкиваются (поскольку положительное напряжение подается на P-область, а отрицательное на N-область) и входят в область истощения.Следовательно, неподвижные ионы возвращаются к потерянным носителям, становятся нейтральными и перемещаются в неиспользованную область, поэтому ширина барьера постепенно уменьшается, когда приложенное напряжение больше или равно напряжению включения, весь барьер разрушается, и теперь электроны и дырки свободны для пересечь переход, который затем образует замкнутый контур и обеспечивает протекание тока. Здесь мы объяснили прямой смещенный диод , используя анимацию ниже:

Диод в прямом смещении действует как замкнутый переключатель и имеет сопротивление в несколько омов (около 20 Ом).
Диод с обратным смещением :
Если отрицательный вывод источника напряжения приложен к аноду или P-области диода, а положительный вывод — к катоду или N-области диода, он называется с обратным смещением .
Когда такое напряжение приложено, большинство носителей заряда в обеих областях притягиваются к источнику так, что создается большое количество неподвижных ионов и поступает в области P и N.Следовательно, ширина области истощения также постепенно увеличивается, что в настоящее время электронам и дыркам трудно пересечь переход, поэтому образуется разомкнутая цепь и протекает ток. Но если мы продолжаем увеличивать напряжение, то в точечном барьере или области истощения не может удерживаться внешняя сила, и соединение разрушается, что иногда может привести к необратимому повреждению диода. Чтобы преодолеть это, мы можем сильно допилить регионы и поставить диод безопасным, это приложение можно увидеть в стабилитронах .
Обратное напряжение, при котором диод проводит, называется Напряжение пробоя .
Поскольку диод с обратным смещением действует как размыкающий переключатель , его сопротивление составляет порядка мегом. Здесь мы объяснили обратный смещенный диод , используя анимацию ниже:

Когда обратное напряжение приложено к диоду, небольшое количество тока протекает в цепи из-за неосновных носителей заряда, которые обычно называются Обратный ток насыщения . Эти токи также называются токами утечки , потому что даже когда диод разомкнут, ток существует в цепи, поэтому он называется утечкой.

Различные типы диодов:
Существует несколько диодов, конструкция которых аналогична, но тип используемого материала отличается. Например, если мы рассмотрим светоизлучающий диод, он сделан из алюминия, галлия и арсенидных материалов, которые при возбуждении выделяют энергию в виде света.Точно так же рассматриваются изменения в свойствах диода, такие как внутренняя емкость, пороговое напряжение и т. Д., И на их основе конструируется конкретный диод.
Здесь мы объяснили различных типов диодов с их работой, символами и приложениями:
стабилитрон
LED
ЛАЗЕРНЫЙ диод
Фотодиод
Варакторный диод
диод Шоттки
Туннельный диод
PIN-диод и т. Д.
Давайте кратко рассмотрим принцип работы и конструкцию этих устройств.
Стабилитрон:
P и N области в этом диоде сильно легированы, так что область обеднения очень узкая. В отличие от обычного диода его пробивное напряжение очень низкое , когда обратное напряжение больше или равно напряжению пробоя, область истощения исчезает, и постоянное напряжение проходит через диод, даже если обратное напряжение увеличивается. Поэтому диод используется для регулирования напряжения и поддержания постоянного выходного напряжения при правильном смещении.Вот один пример ограничения напряжения с использованием стабилитрона.
Пробой в стабилитроне называется Пробой стабилитрона . Это означает, что когда обратное напряжение прикладывается к стабилитрону, на переходе возникает сильное электрическое поле, которого достаточно, чтобы разорвать ковалентные связи в переходе и вызвать большой ток через него. Пробой стабилитрона вызывается при очень низких напряжениях по сравнению с лавинным пробоем.

Существует еще один тип пробоя, названный , пробой , лавинный пробой, , , обычно наблюдаемый в обычном диоде, который требует большого количества обратного напряжения для разрыва соединения.Принцип его работы заключается в том, что, когда диод смещен в обратном направлении, через диод проходят небольшие токи утечки, когда обратное напряжение дополнительно увеличивается, также увеличивается ток утечки, который достаточно быстр, чтобы разорвать несколько ковалентных связей в соединении, эти новые носители заряда еще больше разрушаются оставшиеся ковалентные связи вызывают огромные токи утечки, которые могут навсегда повредить диод.
Светодиод (LED):
Его конструкция аналогична простому диоду, но различные комбинации полупроводников используются для создания разных цветов.Это работает в прямом смещенном режиме . Когда происходит рекомбинация электронных дырок, в результате высвобождается результирующий фотон, который испускает свет, если прямое напряжение еще больше увеличивается, высвобождается больше фотонов, и интенсивность света также увеличивается, но напряжение не должно превышать своего порогового значения, в противном случае светодиод повреждается.
Для создания различных цветов используются комбинации AlGaAs (арсенид алюминия-галлия) — красный и инфракрасный, GaP (фосфид галлия) — желтый и зеленый, InGaN (нитрид индия-галлия) — синий и ультрафиолетовый светодиоды и т. Д.Проверьте простую светодиодную схему здесь.

Для инфракрасного светодиода мы можем видеть его свет через камеру.
ЛАЗЕРНЫЙ Диод:
LASER означает усиление света путем вынужденного излучения. Соединение P-N образовано двумя слоями легированного арсенида галлия, где на один конец соединения наносится высокоотражающее покрытие, а на другом — частично отражающее покрытие. Когда диод смещен в прямом направлении, как и светодиод, он испускает фотоны, они ударяют другие атомы, так что фотоны высвобождаются чрезмерно, когда фотон ударяет по отражающему покрытию и наносит ответный удар на соединение снова, высвобождается больше фотонов, этот процесс повторяется и луч высокой интенсивности света выделяется только в одном направлении.Лазерный диод нуждается в цепи драйвера для правильной работы.

Символическое представление ЛАЗЕРНОГО диода аналогично светодиодному.
Фотодиод:
В фотодиоде ток, проходящий через него, зависит от энергии света, приложенной к переходу P-N. Он работает в обратном порядке. Как обсуждалось ранее, небольшой ток утечки протекает через диод при обратном смещении, который здесь называется темнового тока . Поскольку ток вызван отсутствием света (тьмы), он называется так. Этот диод сконструирован таким образом, что при попадании света на соединение достаточно разрушить пары электронных дырок и генерировать электроны, что увеличивает ток обратной утечки. Здесь вы можете проверить фотодиод, работающий с ИК-светодиодом.

Varactor Diode:
Он также называется диодом Varicap (переменный конденсатор). Это работает в режиме обратного смещения .Общее определение разделения конденсатора проводящей пластины с изолятором или диэлектриком, когда нормальный диод смещен в обратном направлении, ширина области обеднения увеличивается, так как область обеднения представляет собой изолятор или диэлектрик, который теперь может действовать как конденсатор. При изменении обратного напряжения происходит разделение областей P и N, что приводит к тому, что диод работает как переменный конденсатор .
Поскольку емкость увеличивается с уменьшением расстояния между пластинами, большое обратное напряжение означает низкую емкость, и наоборот.

Диод Шоттки:
Полупроводник N-типа соединен с металлом (золото, серебро) так, что в диоде существуют электроны с высоким уровнем энергии, которые называются горячими носителями , поэтому этот диод также называется диодами горячих носителей . У него нет неосновных носителей и не существует области обеднения, скорее существует металлическое полупроводниковое соединение, когда этот диод смещен в прямом направлении, он действует как проводник, но заряды имеют высокие уровни энергии, которые полезны для быстрого переключения , особенно в цифровых цепях они также используются в микроволновых приложениях.Проверьте Диод Шоттки в действии здесь.

Туннельный диод :
P и N области в этом диоде сильно легированы, так что наличие истощения очень узкое . Он имеет область отрицательного сопротивления, которую можно использовать в качестве генератора и усилителей СВЧ. Когда этот диод сначала смещен в прямом направлении, поскольку область обеднения узкая, туннелируют через него электроны, ток быстро увеличивается с небольшим изменением напряжения.Когда напряжение дополнительно увеличивается из-за избытка электронов на стыке, ширина области обеднения начинает увеличиваться, вызывая блокировку прямого тока (где формируется область отрицательного сопротивления), когда прямое напряжение еще больше увеличивается, оно действует как нормальный диод.

PIN-код диода:
В этом диоде P и N области разделены собственным полупроводником. Когда диод смещен в обратном направлении, он действует как постоянный конденсатор.В состоянии прямого смещения он действует как переменное сопротивление, которое контролируется током. Он используется в микроволновых устройствах, которые должны контролироваться постоянным напряжением.

Его символическое представление аналогично обычному P-N диоду.
Применение диодов:
Стабилизированный источник питания : Практически невозможно генерировать постоянное напряжение, единственным доступным источником является переменное напряжение.Поскольку диоды являются однонаправленными устройствами, их можно использовать для преобразования переменного напряжения в пульсирующий постоянный ток, и с помощью дополнительных фильтрующих секций (с использованием конденсаторов и индукторов) можно получить приблизительное постоянное напряжение.
Схемы тюнера : В системах связи на стороне приемника, поскольку антенна принимает все радиочастоты, имеющиеся в космосе, необходимо выбрать нужную частоту. Таким образом, используются схемы тюнера, которые являются ничем иным, как схемой с переменными конденсаторами и индукторами.В этом случае можно использовать варакторный диод.
Телевизоры, светофоры, табло : Для отображения изображений на телевизорах или табло используются светодиоды. Поскольку светодиод потребляет очень мало энергии, он широко используется в системах освещения, таких как светодиодные лампы.
Регуляторы напряжения : Поскольку стабилитрон имеет очень низкое напряжение пробоя, его можно использовать в качестве регулятора напряжения при обратном смещении.
Детекторы в системах связи : Хорошо известным детектором, в котором используется диод, является детектор огибающей, который используется для обнаружения пиков модулированного сигнала.
Твердотельные диоды и характеристики диодов [Analog Devices Wiki]
В электронике диод представляет собой двухполюсный компонент с асимметричной характеристикой тока и напряжения, с низким (в идеале нулевым) сопротивлением току в одном направлении и высоким (в идеале бесконечным) сопротивлением в другом. Кремниевый полупроводниковый диод, наиболее распространенный тип, представляет собой монокристаллический кусок полупроводникового материала с PN-переходом, соединенным с двумя электрическими клеммами.
5.1 PN-переход
PN-переход образуется путем объединения полупроводников p-типа и n-типа в одну кристаллическую решетку. Термин «соединение» относится к границе раздела, где встречаются две области полупроводника. Если бы переход был построен из двух отдельных частей, это привело бы к разрыву в кристаллической решетке, поэтому PN-переходы создаются в монокристалле полупроводника путем введения определенных примесей, называемых легирующими примесями, например, путем ионной имплантации, диффузии или эпитаксии (выращивания). слой кристаллов, легированных примесями n-типа, поверх слоя кристаллов, легированных примесями р-типа, например).
PN-переходы — это элементарные строительные блоки почти всех полупроводниковых электронных устройств, таких как диоды, транзисторы, солнечные элементы, светодиоды и интегральные схемы; это активные сайты, где происходит электронное действие устройства. Например, обычный тип транзистора, биполярный переходный транзистор, состоит из двух последовательных контактов PN в форме NPN или PNP.
5.1.1 Свойства PN-соединения
PN-переход проявляет некоторые интересные свойства, которые имеют полезные применения в твердотельной электронике.Полупроводник с примесью р-типа является относительно проводящим. То же самое верно для n-легированного полупроводника, но переход между областями p и n-типа является непроводящим. Этот непроводящий слой, называемый слоем обеднения, возникает потому, что электрически заряженные носители, электроны n-типа и дырки кремния p-типа диффундируют в материал другого типа (, т. Е. электронов p-типа и дырок в n -тип) и устранить друг друга в процессе, называемом рекомбинацией. Эта диффузия заряда вызывает встроенную разность потенциалов в области обеднения.Управляя этим непроводящим слоем, PN-переходы обычно используются в качестве диодов: элементов схемы, которые обеспечивают поток электроэнергии в одном направлении, но не в другом (противоположном) направлении. Это свойство объясняется в терминах прямого смещения и обратного смещения, где термин смещение относится к приложению электрического напряжения к PN-переходу. PN-переход будет проводить ток, когда приложенное внешнее напряжение превышает встроенный потенциал перехода.
5.1.2 Равновесие (нулевое смещение)
В PN-переходе без внешнего приложенного напряжения достигается состояние равновесия, при котором разность потенциалов формируется через переход.Эта разность потенциалов называется встроенным потенциалом В _BI.
На стыке полупроводников p-типа и n-типа более высокая концентрация электронов в области n-типа вблизи границы раздела PN имеет тенденцию диффундировать в область p-типа. Когда электроны диффундируют, они оставляют положительно заряженные ионы (доноры) в n-области. Аналогично, более высокая концентрация дырок на стороне p-типа вблизи границы раздела PN начинает диффундировать в область n-типа, оставляя фиксированные ионы (акцепторы) с отрицательным зарядом.Области, непосредственно прилегающие по обе стороны от интерфейса PN, теряют свою нейтральность и становятся заряженными, образуя область пространственного заряда или слой обеднения (см. Рисунок 5.1).
Рисунок 5.1 PN-переход в равновесии
Электрическое поле, создаваемое областью пространственного заряда, противодействует процессу диффузии как электронов, так и дырок. Есть два одновременных явления: процесс диффузии, который имеет тенденцию генерировать больше пространственного заряда, и электрическое поле, генерируемое пространственным зарядом, который имеет тенденцию противодействовать диффузии.В равновесии эти две силы уравновешивают друг друга. Профиль концентрации носителей в равновесии показан на рисунке 5.1 с синими и красными линиями. Также показаны два явления уравновешивания, которые устанавливают равновесие.
Область пространственного заряда представляет собой зону с суммарным зарядом, обеспечиваемым фиксированными ионами (донорами или акцепторами), которые были оставлены открытыми из-за диффузии основных носителей. Когда равновесие достигнуто, плотность заряда аппроксимируется отображаемой ступенчатой функцией на рисунке 5.2 Q (x) график. Фактически область полностью обеднена основными носителями (оставляя плотность заряда равной чистому уровню легирования), и граница между областью пространственного заряда и нейтральной областью довольно резкая. Область пространственного заряда имеет одинаковый заряд на обеих сторонах ПШ-интерфейса, поэтому она распространяется дальше в сторону с меньшей степенью легирования (сторона n на рисунках 5.1 и 5.2).
5.1.3 Прямое смещение
При прямом смещении положительное напряжение прикладывается к стороне p-типа относительно стороны n-типа соединения.При таком напряжении дырки в области p-типа и электроны в области n-типа выталкиваются в направлении перехода. Это уменьшает ширину обедненного слоя. Положительный заряд, приложенный к материалу p-типа, отталкивает отверстия, в то время как отрицательный заряд, приложенный к материалу n-типа, отталкивает электроны. Расстояние между электронами и дырками уменьшается, поскольку они вынуждены к соединению. Это снижает встроенный потенциальный барьер. С увеличением напряжения прямого смещения обеднительный слой в конечном итоге становится достаточно тонким, чтобы встроенное электрическое поле больше не могло противодействовать движению носителей заряда через PN-переход, что приводит к снижению электрического сопротивления.Электроны, которые пересекают PN-переход в материал p-типа (или отверстия, которые переходят в материал n-типа), будут диффундировать в почти нейтральную область. Следовательно, величина незначительной диффузии в околонейтральных зонах определяет величину тока, который может протекать через диод.
Только основные носители (электроны в материале n-типа или дырки в p-типе) могут протекать через полупроводник на макроскопическую длину. Имея это в виду, рассмотрим поток электронов через соединение.Прямое смещение вызывает силу на электронах, толкающих их со стороны N к стороне P. При прямом смещении область обеднения достаточно узка, чтобы электроны могли пересекать соединение и впрыскиваться в материал р-типа. Однако они не продолжают течь через материал р-типа бесконечно, потому что для них энергетически выгодно рекомбинировать с отверстиями. Средняя длина, по которой электрон проходит через материал р-типа до рекомбинации, называется диффузионной длиной, и обычно она составляет порядка микрон.
Хотя электроны проникают в материал р-типа только на короткое расстояние до рекомбинации, электрический ток продолжает непрерывный, потому что дырки (основные носители) начинают течь в противоположном направлении, заменяя те, с которыми рекомбинируют электроны неосновных носителей. Общий ток (сумма токов электронов и дырок) постоянен в пространстве, потому что любое изменение приведет к накоплению заряда с течением времени (это текущий закон Кирхгофа). Поток дырок из области p-типа в область n-типа в точности аналогичен потоку электронов из N в P (электроны и дырки меняются ролями, а знаки всех токов и напряжений меняются местами).
Следовательно, макроскопическая картина протекания тока через диод включает в себя электроны, протекающие через область n-типа к переходу, дырки, протекающие через область p-типа в противоположном направлении к переходу, и два вида носителей, постоянно рекомбинирующих в окрестность (определяемая диффузионной длиной) соединения. Электроны и дырки движутся в противоположных направлениях, но они также имеют противоположные заряды, поэтому общий ток с обеих сторон диода в одном направлении, как требуется.
5.1.4 Обратное смещение
Обратное смещение обычно относится к тому, как диод используется в цепи. Если диод смещен в обратном направлении, напряжение на катоде выше, чем на аноде. Следовательно, ток не будет течь, пока электрическое поле не станет настолько сильным, что диод сломается.
Поскольку материал р-типа теперь соединен с отрицательной стороной приложенного напряжения, отверстия в материале р-типа отводятся от места соединения, вызывая увеличение толщины обедненного слоя.Точно так же, поскольку область n-типа связана с положительной стороной, электроны также будут отведены от соединения. Следовательно, обедненный слой расширяется и делает это все больше с увеличением напряжения обратного смещения. Это увеличивает барьер напряжения, вызывая высокое сопротивление потоку носителей заряда, таким образом позволяя только очень маленькому электрическому току протекать через PN переход.
Напряженность электрического поля обедненного слоя увеличивается с увеличением напряжения обратного смещения.Как только напряженность электрического поля возрастает выше критического уровня, слой истощения PN-перехода разрушается, и начинает течь ток, обычно в результате процессов пробоя Зенера или лавины. Оба эти процесса пробоя являются неразрушающими и обратимыми, пока количество протекающего тока не достигает уровней, которые вызывают перегрев полупроводникового материала и термическое повреждение.
Этот эффект используется в своих интересах в схемах стабилизатора стабилитрона.Стабилитроны имеют четко определенное низкое напряжение обратного пробоя по конструкции. Типичным значением напряжения пробоя является, например, 6,2 В. Это означает, что напряжение на катоде никогда не может быть более чем на 6,2 В выше, чем напряжение на аноде, потому что диод сломается и, следовательно, проведет, если напряжение станет выше. Это эффективно ограничивает напряжение на диоде.
Другое применение, где используются диоды с обратным смещением, — это варакторные (переменные конденсаторы) диоды.Обедненный слой действует как изолятор между двумя проводящими пластинами или выводами диода. Емкость является функцией ширины изолирующего слоя и его площади. Ширина зоны обеднения любого диода изменяется в зависимости от приложенного напряжения. Это меняет емкость диода. Варакторы специально спроектированы так, чтобы одна сторона PN-перехода была слегка легированной, поэтому на этой стороне диода будет большая область истощения. Эта более толстая область также будет в большей степени зависеть от приложенного напряжения смещения, и, таким образом, изменение емкости диода (ΔC / ΔV) будет сильно зависеть от приложенного смещения.
Краткое содержание раздела
Свойства прямого и обратного смещения PN-перехода подразумевают, что он может использоваться в качестве диода. Соединительный диод PN позволяет электрическим зарядам течь в одном направлении, но не в противоположном направлении; отрицательные заряды (электроны) могут легко проходить через переход от N к P, но не от P к N, и обратное верно для дырок. Когда PN-переход смещен вперед, электрический заряд течет свободно из-за пониженного сопротивления PN-перехода.Однако когда PN-переход смещен в обратном направлении, барьер перехода (и, следовательно, сопротивление) становится больше, а поток заряда очень мал.
5,2 фактических диодов
На рисунке 5.3 ниже приведено схематическое обозначение диода (а) и изображение типичного диода из лаборатории (б). Диоды довольно распространенные и полезные устройства. Можно рассматривать диод как устройство, которое позволяет току течь только в одном направлении. Это слишком упрощенное, но хорошее приближение.
Рисунок 5.3: (а) Схематическое обозначение диода (б) малосигнальный диод.
Как обсуждалось ранее, полупроводниковые диоды изготавливаются в виде двухслойной структуры, образующей PN-переход. Полупроводники, такие как кремний или германий, могут быть легированы небольшими концентрациями специфических примесей для получения материала, который проводит электричество посредством транспорта электронов (n-тип) или через отверстия (р-тип). Когда слои этих двух типов легированного полупроводника сконструированы для образования PN-перехода, электроны мигрируют от стороны n-типа, а дырки уходят от стороны p-типа, как показано на рисунке.5.1. Это перераспределение заряда приводит к возникновению потенциального разрыва В _BI через переход, как показано на рисунке. Этот разрыв составляет VBI ~ 0 . 7 В для кремния и ~ 0 . 3 V для германия.
Рисунок 5.4. PN-переход, образующий разрыв напряжения на контакте.
Когда этот диод PN-соединения теперь подключен к внешнему напряжению, это может эффективно увеличить или уменьшить встроенный потенциальный зазор.Это приводит к совершенно другому поведению, в зависимости от полярности этого внешнего напряжения, как показано на типичном графике В — I . 5.5. Когда диод смещен в обратном направлении, как показано на рисунке 5.6, зазор увеличивается, и через переход происходит очень малый ток (до тех пор, пока в конечном итоге в этом примере при напряжении ~ 6,2 В не произойдет пробой поля). И наоборот, смещенная в прямом направлении конфигурация уменьшает зазор, приближаясь к нулю для внешнего напряжения, равного напряжению зазора, и ток может течь легко.
Выражение для (прямого смещения) напряжения диода В _D выглядит следующим образом:
(5,1)
Где:
В _D = приложенное напряжение на диоде
к = постоянная Больцмана (1,38E-23 Дж / Кельвин)
T = абсолютная температура в Кельвинах
q = заряд электрона (1.6E-19 Кулоны)
I _D = фактический ток через диод
I _S = ток диффузии (постоянная, зависящая от устройства)
(так называемое тепловое напряжение, В _T, составляет кТ / кв = 26 мВ при комнатной температуре.)
Приведенное выше уравнение можно переставить так, чтобы обеспечить I _D:
(5.2)
Таким образом, при обратном смещении диод ведет себя очень похоже на разомкнутый переключатель; и при прямом смещении для токов около 10 мА или больше, диод дает почти постоянное падение напряжения ~ 0,7 В . Ток диффузии I _S, зависит от уровня легирования примесей n-типа и p-типа, площади диода и (очень) от температуры.Разумной отправной точкой для диода интегральной схемы с малой геометрией является I _S = 1E ^-16.
Рисунок 5.5: Напряжение, В, , _{, D} и ток, I _{, D}, поведение диода.
Противоположные заряды в полупроводниковом переходе ничем не отличаются от зарядов на пластинах конденсатора. Таким образом, у каждого соединения есть емкость; но, поскольку расстояние между электронами и дырками, обедненный слой, изменяется с приложенным напряжением, емкость зависит от приложенного напряжения.Чем ниже напряжение, тем выше емкость, и она будет увеличиваться прямо в область прямого смещения.
Рисунок 5.6. Отношение напряжения к току для стабилитрона 6,2 В
Еще одна вещь, которую следует отметить о реальных диодах, это последовательное сопротивление в полупроводниковом материале, не поглощаемое областью обеднения. Для общей концентрации 5E ¹⁵ (атомов легирующей примеси на кубический сантиметр, что дает практическое напряжение пробоя в микросхеме около 25 Вольт), объемное удельное сопротивление составляет около 1 Ом-см для кремния, легированного фосфором (n-тип), и 3 Ом-см для бора (р-типа).Для сравнения, металл как алюминий имеет удельное сопротивление 2,8 мкОм-см, меди 1,7 мкОм-см. Объемное сопротивление (ρ или rho) измеряется между противоположными поверхностями куба материала с длиной стороны (w, h, l) 1 см (10 мм).
5.3 Температурное поведение диодов
Из уравнения напряжения диода 5.1 видно, что оно содержит абсолютный температурный член Т. Кроме того, диффузионный ток I _S фактически не является постоянным, а сильно зависит от температуры.В нижнем наборе графиков на рисунке 5.7 изображено смоделированное напряжение диода в зависимости от температуры для четырех различных токов диода (зеленый = 1 мА, , синий = 2 мА, , красный = 5 мА и голубой = 10 мА). Из кривых видно, что напряжение диода имеет довольно сильную отрицательную температурную зависимость.
На верхнем графике показана разница между кривыми 2 мА и 1 мА, а также разница между кривыми 5 мА и 10 мА. Эти два результата лежат точно друг на друге.Причина этого очевидна, если мы рассмотрим уравнение напряжения на диоде более внимательно.
Рисунок 5.7 Напряжение на диоде в зависимости от температуры при 1 мА, 2 мА, 5 мА и 10 мА
(5.3)
Переставляя и предполагая, что I _S1 = I _S2 мы получаем:
(5.4)
Теперь сильный температурный эффект I _S выпадает из уравнения, и у нас остается только абсолютный температурный член T, что делает ΔV _D пропорциональным абсолютной температуре (PTAT).Оба В _D2 — В _D1 и В _D4 — В _D3 имеют одинаковое соотношение 2: 1 для своих токов, поэтому кривые ΔV _D будут точно лежать на друг на друга При комнатной температуре тепловое напряжение В _Т составляет около 26 мВ , что при умножении на ln (2) составляет приблизительно 18 мВ, показанное на графике при 25 градусах.
5.4 Линейная модель
Линейная модель диода аппроксимирует экспоненциальные характеристики I — В прямой линией, которая касается фактической кривой в точке смещения постоянного тока.На рисунке 5.8 показана кривая с касательной в точке ( В, , _{, D}, I, _{, D}). Кривая пересекает горизонтальную ось при напряжении В _D0. Для небольших изменений в В _D и I _D относительно точки касания, касательная дает хорошее приближение к фактической кривой.
Рис. 5.8 I — характеристики В с касательной к ( В _D, I _D)
Наклон касательной линии определяется как:
(5.5)
I _D часто намного больше, чем I _S, поэтому уравнение часто упрощается до:
(5.6)
Уравнение касательной линии имеет вид:
(5.7)
5.5 Модель малого сигнала
Поскольку уравнение диода для I _D как функция В _D является нелинейным, инструменты линейного анализа цепей нельзя применять к цепям, содержащим диоды, так же, как к цепям, содержащим только резисторы.Однако, если ток диода известен для конкретного напряжения, линейный анализ цепи может использоваться для прогнозирования изменения тока для данного изменения напряжения, при условии, что изменение будет постепенно увеличиваться. Такой подход называется анализом слабых сигналов. Несколько слов о нотации:
Где:
В _D и I _D являются значениями смещения постоянного тока, а v _d и i _d являются изменениями слабого сигнала относительно значений смещения.
Сопротивление слабого сигнала определяется как отношение v _d к i _d и определяется как:
(5.8)
Это приводит к тому же r _d, что и в линейной касательной модели диода на рисунке 5.8. Таким образом, слабосигнальная модель диода при прямом смещении является резистором со значением r _d. Значение r _d обратно пропорционально току, проходящему через него. Каждый раз, когда ток удваивается, сопротивление уменьшается вдвое.Из линейной модели диодов следует, что r _d можно графически интерпретировать как обратную величину наклона кривой i _D по сравнению с v _D в точке ( V _D, I _D) ,
Краткое содержание раздела
Полупроводники содержат два типа мобильных носителей заряда: положительно заряженные дырки и отрицательно заряженные электроны.
Полупроводник может быть легирован донорными примесями (легирование n-типа), так что он содержит подвижные заряды, которые являются электронами.
Полупроводник может быть легирован примесями акцептора (легирование р-типа), так что он содержит подвижные заряды, которые являются дырками.
Существует два важных механизма протекания тока в полупроводнике:
диффузия носителей в результате градиента концентрации; и
дрейф носителей в электрическом поле.
В состоянии равновесия встроенный потенциал или потенциальный барьер В _BI Вольт развивается через PN-переход.
При применении прямого напряжения смещения В _DF встроенный потенциал уменьшается до В _BI — В _D, и ток протекает через диод при В _DF больше В _BI.
При применении напряжения обратного смещения В _DR высота потенциального барьера увеличивается до В _BI + В _DR и может протекать небольшой ток.
Когда В _BI + В _DR больше некоторого критического напряжения, где электрическое поле выше, чем диэлектрическая прочность полупроводника, происходит обратное размыкание перехода и течет ток.
Общий ток диода I _D связан с приложенным напряжением В _D
ADALM1000 Лабораторное задание 2. Диод I противКривые V
ADALM1000 Лабораторная работа, Емкость, зависящая от напряжения PN-соединения
Лабораторное задание ADALM2000 2. Кривые диодов I и V
Лабораторное занятие ADALM2000, зависящая от напряжения емкость PN-соединения
Лабораторное задание ADALM2000: Дифференциальный датчик температуры
Вернуться к предыдущей главе
Перейти к следующей главе
Вернуться к содержанию
университет / курсы / электроника / текст / глава-5.txt · Последнее изменение: 06 июня 2017 г. 16:58 по dmercer
.
By alexxlab