alexxlab Диод. Полупроводниковый диод. Подключение диода. Маркировка диодов. Работа диода
| Основы |
Полупроводниковый диод. Подключение диода. Маркировка диодов. Работа диода.
Диод — электронный прибор, пропускающий ток только в одну сторону.
|
Обозначение диода на схемах |
Диод имеет два контакта, которые называют анодом и катодом. При включении диода в электрическую цепь ток протекает от анода к катоду. Умение проводить ток только в одну сторону — основное свойство диода.
Диоды относятся к классу полупроводников и считаются активными электронным компонентам (резисторы и конденсаторы — пассивными).
|
Треугольник можно рассматривать как острие стрелки, показывающей направление тока |
При подключении диода в цепь должна быть соблюдена правильная полярность.
Если маркировка диода отсутствует, то выводы полупроводниковых диодов можно определить с помощью измерительного прибора — как уже говорилось выше, диод пропускает ток только в одну сторону. Если измерительного прибора под рукой нет, можно использовать батарейку и маломощную лампочку так, как описано в приводящемся ниже эксперименте.
Работа диода
|
Полупроводниковые диоды |
Работу диода можно наглядно представить при помощи простого эксперимента. Если к диоду через маломощную лампу накаливания подключить батарею так, чтобы положительный вывод батареи был соединен с анодом, а отрицательный — с катодом диода, то в получившейся электрической цепи потечет ток и лампочка загорится.
Если выводы диода поменять местами, то лампа не будет светиться, так как диод будет находиться в закрытом состоянии и оказывать току в цепи сильное сопротивление. Стоит отметить, что небольшой ток через полупроводниковый переход диода в обратном направлении все же потечет, но в сравнении с прямым током будет настолько маленьким, что лампочка даже не среагирует. Такой ток называют обратым током I
В нейронных цепях BEAM-роботов диоды часто применяются при создании нейронов, моделирующих логическое сложение (элементы ИЛИ).
Кроме того, в схемах BEAM-роботов иногда используются емкостные свойства диодов.
КАК ПОДКЛЮЧИТЬ СВЕТОДИОД
Светодиоды (LED – англ. Light-emitting diode, светящиеся диоды) используются во многих электронных проектах. Но не все могут правильно подключить или выбрать резистор для светодиода, и тогда его можно вывести из строя за доли секунды. Давайте разберёмся в этом и узнаем как всё делается.
Вначале стоит напомнить, что резистор обязательно должен сопровождать светодиод. Независимо от того, подключаете ли вы его к батарейке, Arduino или к чему-то еще, резистор необходим всегда, потому что светоизлучающий диод управляется током! Срок службы питаемого светодиода без резистора невелик, даже если поначалу он вроде бы светится.
Всё потому что LED элементы хотят потреблять как можно больше электроэнергии. Пока не начнет нагреваться, что приведет к перегреву и повреждению его структуры. Следовательно, необходим своеобразный предохранитель в виде резистора, который будет ограничивать количество тока, потребляемого светодиодом.
Какой ток светодиода
По принципу действия светодиоды очень похожи на обычные выпрямительные диоды. Только конструктивное исполнение другое. И первое существенное отличие – это полупроводниковый материал. В случае выпрямительных диодов это чаще кремний. Светодиоды же изготавливаются из разных полупроводников, в зависимости от цвета которым они светятся. Материал определяет прямое напряжение, то есть напряжение, которое прикладывается к светодиоду при прохождении прямого тока через него.
Прямое напряжение – напряжение, равное или превышающее то, при котором ток (прямой ток) начинает течь через диод, и он начинает светиться.
Прямое напряжение и прямой ток
Каждый диод имеет разное прямое напряжение, что важно при выборе ограничительного резистора.
Прямое напряжение зависит от таких факторов, как:
- температура окружающей среды,
- величина протекающего тока (чем она выше, тем большее напряжение прикладывается к диоду),
- используемого производителем полупроводникового материала.
Какой ток может течь через светодиод
Популярные в продаже светодиоды обычно работают с максимальным постоянным током 20-30 мА. Более подробную информацию по этому вопросу можно найти в документации (даташиту) к конкретному LED. Но чаще всего на этих элементах нет маркировки типа и производителя.
К счастью, производимые в настоящее время светодиоды ярко светят даже при гораздо меньшем токе (от 1–3 мА), поэтому нет необходимости подавать на них максимальный ток.
Запитывать типичные 3-5 мм светодиоды (с цветной линзой) током более 10 мА не имеет смысла. Интенсивность их свечения всё-равно существенно не увеличится! Чем больше ток протекает через светодиод (в пределах безопасного диапазона), тем ярче он будет светить. Но во многих случаях разница в яркости не будет иметь большого значения.
Какое напряжение идёт на диод
Производители указывают номинальное прямое напряжение. Это значение будет различным для каждого типа светодиода.
Но не нужно каждый раз проверять значения в документации. Достаточно использовать примерную таблицу, содержащую безопасные диапазоны напряжения:
Прямое напряжение LED в зависимости от цвета
Приведенная таблица содержит значения, которые были записаны из даташитов наиболее популярных производителей светодиодов. Конечно есть исключения, например сверх-яркие или мощные светодиоды. Но в случае с обычными, можно смело пользоваться этой таблицей.
А это ещё одна, аналогичная.
Так почему важно контролировать именно ток, протекающий через диод? Правильно задать работу светодиода, задав на нем определенное напряжение, практически невозможно. Придется следить за изменениями температуры и структурными изменениями, что непросто. Поэтому используется постоянный ток.
В общем когда пропускаем через LED ток желаемой интенсивности (например 20 мА), то прямое напряжение на нем устанавливается само.
Как выбрать резистор для LED
Всё что нужно для питания светодиода, – это источник питания и токоограничивающий элемент, то есть резистор.
Простейшее светодиодное соединение
Ток течет от «+» клеммы батареи, проходит через резистор, светодиод, а затем возвращается обратно к источнику питания. Подключение резистора последовательно со светодиодом необходимо, чтобы не повредить его протекающим слишком большим током. Можно сказать, что резистор действует как ограничитель тока.
По правилам электроники, напряжение от аккумулятора будет распределяться между резистором и светодиодом:
Нам известен ток протекающий в этой цепи (7 мА), поэтому будем использовать закон Ома:
Приведенная формула позволяет рассчитать номинал резистора, через который следует запитать светодиод.
Какое прямое напряжение на диоде? Известно допустим, что он светится красным цветом, маркировки на нем естественно нет.
Значит промежуточное значение из таблицы, которое составляет 1,9 В, будет подходящим.Расчетное значение резистора:
R = (9 В – 1,9 В) / 0,007 А = 1014 Ом
Сразу замечу, что такого резистора мы не найдем в продаже. Все исходит из определенного стандарта, по которому производятся элементы. Тогда будем использовать ближайший по номиналу доступный резистор в 1000 Ом, то есть 1 кОм.
| 0.1 Ом | 1 Ом | 10 Ом | 100 Ом | 1 кОм | 10 кОм | 100 кОм | 1 МОм | 10 МОм |
| 0.11 Ом | 1.1 Ом | 11 Ом | 110 Ом | 1.1 кОм | 11 кОм | 110 кОм | 1.1 МОм | 11 МОм |
| 0.12 Ом | 1.2 Ом | 12 Ом | 120 Ом | 1. 2 кОм | 12 кОм | 120 кОм | 1.2 МОм | 12 МОм |
| 0.13 Ом | 1.3 Ом | 13 Ом | 130 Ом | 1.3 кОм | 13 кОм | 130 кОм | 1.3 МОм | 13 МОм |
| 0.15 Ом | 1.5 Ом | 15 Ом | 150 Ом | 1.5 кОм | 15 кОм | 1.5 МОм | 15 МОм | |
| 0.16 Ом | 1.6 Ом | 16 Ом | 160 Ом | 1.6 кОм | 16 кОм | 160 кОм | 1.6 МОм | 16 МОм |
| 0.18 Ом | 1.8 Ом | 18 Ом | 180 Ом | 1.8 кОм | 18 кОм | 180 кОм | 1. 8 МОм | 18 МОм |
| 0.2 Ом | 2 Ом | 20 Ом | 200 Ом | 2 кОм | 20 кОм | 200 кОм | 2 МОм | 20 МОм |
| 0.22 Ом | 2.2 Ом | 22 Ом | 220 Ом | 2.2 кОм | 22 кОм | 220 кОм | 2.2 МОм | 22 МОм |
| 0.24 Ом | 2.4 Ом | 24 Ом | 240 Ом | 2.4 кОм | 24 кОм | 240 кОм | 2.4 МОм | 24 МОм |
| 0.27 Ом | 2.7 Ом | 27 Ом | 270 Ом | 2.7 кОм | 27 кОм | 270 кОм | 2.7 МОм | 27 МОм |
0. 3 Ом | 3 Ом | 30 Ом | 300 Ом | 3 кОм | 30 кОм | 300 кОм | 3 МОм | 30 МОм |
| 0.33 Ом | 3.3 Ом | 33 Ом | 330 Ом | 3.3 кОм | 33 кОм | 330 кОм | 3.3 МОм | 33 МОм |
| 0.36 Ом | 3.6 Ом | 36 Ом | 360 Ом | 3.6 кОм | 36 кОм | 360 кОм | 3.6 МОм | 36 МОм |
| 0.39 Ом | 3.9 Ом | 39 Ом | 390 Ом | 3.9 кОм | 39 кОм | 390 кОм | 3.9 МОм | 39 МОм |
| 0.43 Ом | 4.3 Ом | 43 Ом | 430 Ом | 4. 3 кОм | 43 кОм | 430 кОм | 4.3 МОм | 43 МОм |
| 0.47 Ом | 4.7 Ом | 47 Ом | 470 Ом | 4.7 кОм | 47 кОм | 470 кОм | 4.7 МОм | 47 МОм |
| 0.51 Ом | 5.1 Ом | 51 Ом | 510 Ом | 5.1 кОм | 51 кОм | 510 кОм | 5.1 МОм | 51 МОм |
| 0.56 Ом | 5.6 Ом | 56 Ом | 560 Ом | 5.6 кОм | 56 кОм | 560 кОм | 5.6 МОм | 56 МОм |
| 0.62 Ом | 6.2 Ом | 62 Ом | 620 Ом | 6.2 кОм | 62 кОм | 620 кОм | 6. 2 МОм | 62 МОм |
| 0.68 Ом | 6.8 Ом | 68 Ом | 680 Ом | 6.8 кОм | 68 кОм | 680 кОм | 6.8 МОм | 68 МОм |
| 0.75 Ом | 7.5 Ом | 75 Ом | 750 Ом | 7.5 кОм | 75 кОм | 750 кОм | 7.5 МОм | 75 МОм |
| 0.82 Ом | 8.2 Ом | 82 Ом | 820 Ом | 8.2 кОм | 82 кОм | 820 кОм | 8.2 МОм | 82 МОм |
| 0.91 Ом | 9.1 Ом | 91 Ом | 910 Ом | 9.1 кОм | 91 кОм | 910 кОм | 9.1 МОм | 91 МОм |
Таблица номиналов резисторов
Будет ли это иметь большое влияние на источник питания светодиодов? Давайте проверим, рассчитав ток, протекающий через светодиод, предполагая что знаем напряжение питания, напряжение приложенное к диоду, и точное значение резистора используя преобразованный закон Ома:
- I max1 = (9 В – 1,9 В) / 1014 Ом = 7,0019 мА
- I max2 = (9 В – 1,9 В) / 1000 Ом = 7,1 мА
Разница настолько мала (0,09 мА), что не о чем беспокоиться!
На самом деле мы даже не знаем точно, какое прямое напряжение на светодиоде.
Так давайте проверим, как этот параметр повлияет на ток, протекающий через LED. Предположим, что сопротивление резистора равно 1000 Ом, а напряжение батареи 9 В. Вместо прямого напряжения диода подставим в формулу крайние значения из таблицы.
- I макс = (9 В – 1,6 В) / 1000 Ом = 0,0074 А = 7,4 мА
- I мин = (9 В – 2,2 В) / 1000 Ом = 0,0068 А = 6,8 мА
Отклонение от запланированных 7 мА не может превышать 0,4 мА, т.е. всего 6%. Это подтверждает, что нет смысла использовать очень точные данные о прямом напряжении на диоде для расчетов – любое отклонение в любом случае будет минимальным.
Напряжение питания не должно быть слишком низким. Теперь проверим что будет, если запитать тот же красный диод от источника напряжением 2,5 В. Для начала нужно рассчитать резистор. Предположим светодиод U = 1,9 В.
R = (2,5 В – 1,9 В) / 0,007 А = 85 Ом
В этом случае понадобится резистор на 85 Ом, конечно такое значение нигде не найдём. Но оставим это для дальнейших расчетов.
Теперь оценим диапазон, в котором будет находиться прямой ток, если прямое напряжение диода достигнет экстремальных значений:
- I макс = (2,5 В – 1,6 В) / 85 Ом = 10,5 мА
- I мин = (2,5 В – 2,2 В) / 85 Ом = 3,5 мА
Здесь отклонение может составить 3,5 мА от принятого значения 7 мА, то есть до 50%! Ну и чем вызваны эти несоответствия? Изменилось только напряжение питания: оно уменьшилось с 9 В до 2,5 В. Это и привело к снижению напряжения на резисторе. Затем небольшие колебания прямого напряжения вызывали резкое изменение тока диода.
Поэтому по возможности на токоограничивающем резисторе должно падать максимально возможное напряжение. Это положительно скажется на стабилизации прямого тока диода.
Имейте ввиду, что чем больше напряжения подается на резистор, тем больше энергии потребляемой источником питания теряется. Особенно позаботимся об экономии энергии при работе от батарей. Так что всегда должен быть разумный компромисс.
Допуск точности резисторов
Каждый изготовленный радиоэлемент отличается определенной точностью исполнения, называемой допуском. Чем меньше допуск, выраженный в процентах, тем лучше. Фактическое сопротивление резистора может тогда отличаться меньше от номинального сопротивления, указанного на корпусе. Допуск можно прочитать на корпусе резистора, информация об этом закодирована в виде цвета последней полоски:
На практике, два резистора номиналом 1 кОм при измерении омметром вообще не будут равны 1000 Ом!
После расчета резистора нужно посмотреть в таблицу стандартов номиналов и найти значение, наиболее близкое к искомому. Безопаснее всего выбирать значение выше расчетного.
Вернемся к примеру, где нужно запитать красный светодиод от источника питания 2,5 В. Расчеты показали, что нужен резистор 85 Ом. Меньший резистор 82 Ом будет ближайшим в стандарте. Проверим, можно ли его безопасно использовать:
- I макс = (2,5 В – 1,6 В) / 82 Ом = 10,9 мА
- I мин = (2,5 В – 2,2 В) / 82 Ом = 3,6 мА
Даже в худшем случае максимальный ток будет далеко от предельного (20-30 мА), поэтому легко можете использовать этот радиоэлемент с меньшим сопротивлением.
Как питать несколько светодиодов
Предположим, есть 4 светодиода для подключения. Первый и самый простой вариант, – подключить каждый из них через отдельный резистор:
Независимое питание каждого светодиода
С точки зрения стабилизации рабочих параметров диодов это лучший подход: каждый из них запитан отдельно и не влияет на остальные. Проблемы с одним не повлияют на остальных. К сожалению, такой способ питания связан с большими потерями энергии. Вот пример питания 4-х красных светодиодов – каждый из них подключен через отдельный резистор 330 Ом. При таком подключении на каждый резистор подается напряжение, необходимое для правильного питания одного светодиода. С каждым последующим LED и его резистором потребление тока всей схемы соответственно увеличивается/
Параллельное соединение светодиодов
Светодиоды имеют две ножки, поэтому их можно успешно подключать параллельно или последовательно. Если бы все диоды были соединены параллельно, схема выглядела бы так:
Но это недопустимое решение!
Каждый светодиод имеет прямое напряжение, которое может незначительно отличаться от одного светодиода к другому – даже в пределах одной и той же серии.
Ток для всех 4 LED течет от резистора и распределяется между диодами. В этом случае на светодиодах будет выставлено одно напряжение, потому что они включены параллельно. Сколько это будет? Неизвестно.
Ведь может оказаться, что на одном светодиоде прямое напряжение будет намного ниже, чем на остальных. Тогда почти весь ток, пропускаемый резистором, будет проходить именно через него. Светодиоды станут светить неравномерно, и со временем могут быть повреждены.
Так что стоит помнить: подключение нескольких светодиодов параллельно с использованием одного резистора недопустимо, потому что нет контроля над током, протекающим через каждый из диодов!
Что еще хуже, когда один из светодиодов выходит из строя и перестает светить, его ток будет распространяться на другие диоды. Таким образом, вместо 4 светодиодов, через которые протекает, например 10 мА (всего 40 мА), в схеме будет уже 3 светодиода, через которые протекает ~ 13 мА (ведь всего 40 мА). А если сразу 3 LED повреждены, весь ток (40 мА) будет проходить через последний, что приведет к его гарантированному повреждению!
Если светодиоды не идентичны, одни светятся ярче, другие – темнее.
Этот эффект особенно заметен, когда берем светодиоды разного цвета.
Последовательное соединение светодиодов
Один и тот же по величине ток всегда течет через последовательно соединенные компоненты.
Питание светодиодов, соединенных последовательно
При таком подключении получим такой ток, как если бы питали только один светодиод. А вот количество энергии, затрачиваемой на резистор, будет уменьшено, потому что падение напряжения на светодиодах будет большим.
Но напряжение, подаваемое на резистор – уменьшилось. Из 9 В, обеспечиваемых батареей, около 8 В должны быть выделены на диоды, включенные последовательно. Как мы знаем, меньший ток, подаваемый на резистор, ухудшит стабильность тока светодиода. Посчитаем насколько. Сначала выберем соответствующий токоограничивающий резистор для этих LED элементов. Предположим, надо чтобы в цепи протекало только около 4 мА.
R = (9 В – 4,19 В) / 0,004 А = 350 Ом
Расчетный резистор лучше всего округлить до ближайшего стандартного из серии – 330 Ом.
Теперь оценим, какой ток будет протекать в наихудших возможных условиях, то есть когда прямое напряжение всех LED будет самым низким и самым высоким:
- I макс = (9 В – 4 · 1,6 В) / 330 Ом = ~ 8 мА
- I мин = (9 В – 4 · 2,2 В) / 330 Ом = ~ 1 мА
Всегда полезно проводить такой анализ наихудшего случая. Благодаря этому можно проверить, будет ли схема работать должным образом во всех возможных условиях.
Расчеты показали, что в зависимости от прямого напряжения на светодиоде ток, протекающий по цепи, может изменяться в широких пределах (1-8 мА). Конечно таких значений достаточно, чтобы светодиоды нормально светились. Но гораздо безопаснее будет их комбинировать следующим образом:
Питание светодиодов соединенных параллельно и последовательно
Давайте подсчитаем, насколько ток может колебаться в каждой ветви приведенной схемы. Предположим, что используем красные светодиоды и резисторы 330 Ом.
Что если подключим последовательно 4 белых светодиода с прямым напряжением 3 В? Это дает в сумме 4 х 3 В = 12 В, что выше чем напряжение источника питания (9 В).
Значит такое соединение невозможно. Потребовалось бы найти источник питания с более высоким напряжением или подключить светодиоды в другой конфигурации.Многие новички в электронике задаются вопросом, можно ли поменять местами компоненты в ряду – например разместить резистор позади светодиода, а не перед ним. Они опасаются что такая замена может повредить компоненты. Так что должно быть первым: светодиод или резистор? Важен ли порядок последовательного подключения?
На самом деле одинаковый ток протекает через последовательно соединенные компоненты. Так что никакой разницы в работе вышеперечисленных схем не будет. Элементы соединенные последовательно, можно перемещать между собой любым способом. Ток, протекающий через такую ??схему, будет одинаковым! Единственное условие – соблюдать полярность таких элементов как диоды, электролитические конденсаторы и так далее.
Простые примеры расчётов
1) Рассчитаем резистор, которым хотим запитать один зеленый светодиод от батареи 9 В.
Диод предполагается использовать как сигнализатор, поэтому достаточно, чтобы он светился несильно.
- U пит = 9 В
- U диода = 2,85 В
- I диода = 2 мА
Идеальное значение резистора: (9 – 2,85) / 0,002 = 3075 Ом. Соответствующий резистор по стандарту: 3 кОм.
2) Рассчитаем резисторы, которыми хотим запитать два желтых светодиода, соединенных последовательно. Источник – блок питания 6 В. Светодиоды должны светиться достаточно ярко.
- U пит = 6 В
- U диода = 2,15 В, итого 2 х 2,15 = 4,3 В
- I диода = 7 мА
Идеальное значение резистора: (6 – 4,3) / 0,007 = 242 Ом. Соответствующий резистор: 240 Ом.
Источник питания для схемы
В приведенных рассуждениях специально упущен тот факт, что источник питания является еще одним ограничением. Имейте в виду, что батарейки вообще не обеспечивают стабильного напряжения. Не всегда на выходе батареи Крона мы получим 9 В. Может быть больше у свежей, а может быть меньше у подсевшей.
Этот параметр также необходимо учитывать при подробных расчетах.
Выше для наглядности таблица с параметрами напряжения на свинцовой батарее при разной степени разряда.
Подведём итоги
Правильный выбор резистора – дело несложное, всего несколько простых формул и вольт-амперных зависимостей. Помните, что расчеты никогда не покажут идеальное значение, которое обычно недостижимо. Следовательно их результаты необходимо корректировать в зависимости от того, что есть в распоряжении по деталям. Главное, ни в коем случае не подключать светодиод без резистора!
И в дополнение несколько практических материалов о работе со светодиодами:
- Драйвер для светодиодов
- Как сделать мигающий светодиод
- Как узнать напряжение светодиода
- Питание светодиода от батарейки
- Питание для светодиодной ленты
- Стабилизаторы тока с малым падением напряжения
Форум по LED
Как подключить диоды | Наука
Вы можете задаться вопросом, что позволяет электронным устройствам в вашем доме использовать электричество по-своему.
Электрики, которые создают эти приборы, а также другие инструменты, используемые в промышленности, должны знать, как подключать диоды для этих целей.
Установка диода
При подключении диода в электрическую цепь убедитесь, что анод и катод соединены в цепи таким образом, чтобы заряд протекал от положительно заряженного анода к отрицательно заряженному катоду.
Вы можете запомнить это, вспомнив, что на схеме диода вертикальная линия рядом с треугольником выглядит как отрицательный знак, указывающий на то, что конец диода заряжен отрицательно. Вы можете себе представить, что это означает, что заряды текут от положительного конца к отрицательному. Это позволяет вам вспомнить, как электроны текут в переходе диода.
Помните о потенциале и токе цепи и о том, как это влияет на размещение диода. Вы можете представить диод как переключатель, который размыкается или замыкается, замыкая цепь. Если имеется достаточный потенциал для протекания заряда через диод, переключатель замыкается, и через него протекает ток.
Это означает, что диод смещен в прямом направлении.
Затем вы можете использовать Закон Ома
V=IR
для расчета напряжения В , тока I и сопротивления R для измерения разницы между напряжением и напряжением. источник и сам диод.
Если вы подключите диод в другом направлении, это приведет к обратному смещению диода, поскольку ток будет течь от катода к аноду. В этом сценарии вы бы увеличили обедненную область диода, область на одной стороне диодного перехода, на которой нет ни электронов, ни дырок (области без электронов).
Движение электронов в отрицательно заряженной области заполнило бы дыры в положительно заряженной области. При создании диодных соединений обратите внимание на то, как диод будет меняться в зависимости от направления, в котором он подключен.
Диодная цепь
При использовании в электрических цепях диоды обеспечивают протекание тока в одном направлении.
Они построены с использованием двух электродов, анода и катода, разделенных материалом.
Электроны перетекают от анода, где происходит окисление или потеря электронов, к катоду, где происходит восстановление или присоединение электронов. Обычно диоды изготавливаются из полупроводников, пропускающих заряд в присутствии электрического тока или путем управления их сопротивлением с помощью процесса, известного как легирование.
Легирование – это метод добавления примесей в полупроводник для создания дырок и получения полупроводника либо n-типа (как в «отрицательном заряде»), либо p-типа (как в «положительный заряд»).
Полупроводник n-типа содержит избыток электронов, расположенных таким образом, что заряд может свободно течь, оставаясь при этом контролируемым. Обычно их производят из мышьяка, фосфора, сурьмы, висмута и других элементов, имеющих пять валентных электронов. С другой стороны, полупроводник p-типа имеет положительный заряд из-за дырок и состоит из галлия, бора, индия и других элементов.
Распределение электронов и дырок обеспечивает протекание заряда между полупроводниками p-типа и n-типа, и, когда они соединяются вместе, они создают PN-переход . Электроны из полупроводника n-типа устремляются в полупроводник p-типа в диодах, пропускающих ток в одном направлении.
Диоды обычно изготавливаются из кремния, германия или селена. Инженеры, создающие диоды, могут использовать металлические электроды в камере без какого-либо другого газа или с газом низкого давления.
Особенности диодов
Эти особенности диодов, передающих электроны в одном направлении, делают их идеальными для выпрямителей, ограничителей сигналов, регуляторов напряжения, переключателей, модуляторов сигналов, смесителей сигналов и генераторов. Выпрямители преобразуют переменный ток в постоянный. Ограничения сигнала позволяют пропускать сигналы определенной мощности.
Регуляторы напряжения поддерживают постоянное напряжение в цепях.
Модуляторы сигналов изменить фазовый угол входного сигнала. Смесители сигналов изменяют частоту, которая проходит, и генераторы сами производят сигнал.
Диодная установка для защиты
Вы также можете использовать диоды для защиты чувствительных или важных компонентов электронных устройств. Вы можете использовать диод, который не проводит ток в нормальных условиях, когда происходит внезапный всплеск напряжения, известный как переходное напряжение, или какое-либо другое резкое изменение сигнала, которое может причинить вред, диод будет подавлять напряжение, чтобы не повредить остальная часть цепи. В противном случае эти удары электрическим током из-за всплесков могут повредить цепь из-за слишком большого напряжения, не позволяя цепи должным образом адаптироваться к нему.
Эти диоды представляют собой ограничители переходного напряжения (TVS), и вы можете использовать их либо для уменьшения переходного напряжения, либо для направления его в другое место от схемы.
PN-переход на основе кремния может выдерживать переходное напряжение и после этого возвращаться в нормальное состояние после прохождения скачка напряжения. В некоторых TVS используются радиаторы, способные выдерживать скачки напряжения в течение длительных периодов времени.
Типы диодных схем
Схемы, преобразующие мощность от переменного тока (AC) до постоянного тока (DC) можно использовать либо один диод, либо группу из четырех диодов. В то время как устройства постоянного тока используют заряд, который течет в одном направлении, мощность переменного тока переключается между прямым и обратным направлениями через равные промежутки времени.
Это необходимо для преобразования электроэнергии постоянного тока от электростанций в мощность переменного тока, которая принимает форму синусоиды, используемой в большинстве бытовых приборов. Выпрямители, которые делают это, либо используют один диод, который пропускает только одну половину волны, либо используют подход двухполупериодного выпрямителя, который использует обе половины формы волны переменного тока.
Диодная схема демонстрирует, как происходит такое поведение. Когда демодулятор удаляет половину сигнала переменного тока от источника питания, он использует два основных компонента. Первый — это сам диод или выпрямитель, увеличивающий сигнал на половину периода переменного тока.
Второй фильтр нижних частот, который избавляет от высокочастотных составляющих источника питания. Он использует резистор и конденсатор, устройство, которое накапливает электрический заряд с течением времени, и использует частотную характеристику самой схемы, чтобы определить, какие частоты пропускать.
Эти диодные схемы обычно удаляют отрицательную составляющую сигнала переменного тока. Он имеет приложения в радио, которые используют систему фильтров для обнаружения определенных радиосигналов от обычных несущих волн.
Другие типы применения диодов
Диоды также используются для зарядки электронных устройств, таких как сотовые телефоны или ноутбуки, путем переключения с питания от аккумулятора электронного устройства на питание от внешнего источника питания.
Эти методы отводят ток от источника, а также гарантируют, что, если батарея устройства разрядится, вы сможете принять другие меры для зарядки своих устройств.
Этот метод применим и к автомобилям. Если аккумулятор вашего автомобиля разрядился, вы можете использовать соединительные кабели, чтобы изменить распределение красных и черных кабелей, чтобы использовать диоды, чтобы предотвратить протекание тока в неправильном направлении.
Компьютеры, использующие двоичную информацию в виде нулей и единиц, также используют диоды для работы с двоичными деревьями решений. Они имеют форму логических вентилей , основных блоков цифровых схем, которые пропускают информацию на основе сравнения двух разных значений. Они построены с использованием любых типов диодных элементов, которые намного мельче, чем диоды в других приложениях.
Диоды — SparkFun Learn
Авторы: Джимблом
Избранное Любимый 71
Введение
После того, как вы закончите с простыми пассивными компонентами, такими как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности, 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 свойства диода
- Различные типы диодов
- Как выглядят диоды
- Типичные области применения диодов
Рекомендуемая литература
Некоторые понятия в этом руководстве основаны на предыдущих знаниях в области электроники. Прежде чем перейти к этому руководству, подумайте о том, чтобы сначала прочитать (хотя бы бегло просмотреть) эти:
.Что такое цепь?
Каждый электрический проект начинается со схемы. Не знаете, что такое цепь? Мы здесь, чтобы помочь.
Избранное Любимый 82
Что такое электричество?
Мы можем видеть электричество в действии на наших компьютерах, освещая наши дома, как удары молнии во время грозы, но что это такое? Это не простой вопрос, но этот урок прольет на него свет!
Избранное Любимый 84
Как пользоваться мультиметром
Изучите основы использования мультиметра для измерения непрерывности, напряжения, сопротивления и силы тока.
Избранное Любимый 69
Хотите изучить различные диоды?
Мы вас прикроем!
Комплект деталей для начинающих SparkFun
В наличии КОМПЛЕКТ-13973
18,50 $
12
Избранное Любимый 87
Список желаний
Комплект дискретных полупроводников SparkFun
В наличии КОМПЛЕКТ-13682
12,95 $
6
Избранное Любимый 62
Список желаний
Диодный выпрямитель — 1А, 50В (1N4001)
В наличии COM-08589
1
Избранное Любимый 14
Список желаний
Диодный выпрямитель — 1А, 400В (1N4004)
В наличии COM-14884
$0,25 0,06 $
Избранное Любимый 6
Список желаний
Посмотреть все диоды
Ideal Диоды
Ключевая функция Ideal 9Диод 0016 предназначен для управления направлением 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 выключен или смещен в обратном направлении .
Пока напряжение на диоде не отрицательное, он «включается» и проводит ток. В идеале* диод действовал бы как короткое замыкание (на нем 0 В), если бы он проводил ток. Когда диод проводит ток, это со смещением вперед (на жаргоне электроники означает «включено»).
Зависимость тока от напряжения идеального диода. Любое отрицательное напряжение создает нулевой ток — разомкнутая цепь. Пока напряжение неотрицательно, диод выглядит как короткое замыкание.
| Характеристики идеальных диодов | |||
| Режим работы | Вкл. (прямое смещение) | Выкл.0247 I>0 | I=0 |
|---|---|---|---|
| Voltage Across | V=0 | V | |
| Diode looks like | Short circuit | Open circuit | |
Circuit Symbol
Every diode has две клеммы — соединения на каждом конце компонента — и эти клеммы поляризованы , что означает, что эти две клеммы совершенно разные. Важно не перепутать соединения на диоде. Положительный конец диода называется 9.0015 анод , а отрицательный конец называется катодом . Ток может течь от конца анода к катоду, но не в другом направлении. Если вы забыли, каким образом ток течет через диод, попробуйте вспомнить мнемонику ACID : «анодный ток в диоде» (также анод-катод — это диод ).
Символ цепи стандартного диода представляет собой треугольник, упирающийся в линию.
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 собой анод. Ток течет в направлении, указанном треугольником/стрелкой, но не может двигаться в обратном направлении.
Выше приведена пара простых диодных схем. Слева диод D1 смещен в прямом направлении и позволяет току течь по цепи. По сути это похоже на короткое замыкание. Справа диод D2 смещен в обратном направлении. Ток не может течь по цепи, и она выглядит как разомкнутая цепь.
*Внимание! Звездочка! Не совсем так… К сожалению, идеального диода не существует. Но не волнуйтесь! Диоды действительно настоящие, просто у них есть несколько характеристик, которые заставляют их работать немного хуже, чем наша идеальная модель… направлении или просто действовать как короткое замыкание, если ток течет вперед. К сожалению, фактическое поведение диода не совсем идеально. Диоды 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.
Зависимость ток-напряжение
Наиболее важной характеристикой диода является его зависимость ток-напряжение ( i-v ). Это определяет, каков ток, протекающий через компонент, с учетом того, какое напряжение измеряется на нем. Резисторы, например, имеют простую линейную зависимость i-v … Закон Ома. Кривая i-v диода, однако, полностью не -линейна. Это выглядит примерно так:
Зависимость тока от напряжения диода. Чтобы преувеличить некоторые важные моменты сюжета, шкалы как в положительной, так и в отрицательной половинах не равны.
В зависимости от приложенного к нему напряжения диод будет работать в одной из трех областей:
- Прямое смещение : Когда напряжение на диоде положительное, диод «включен» и через него может протекать ток. Напряжение должно быть больше, чем прямое напряжение (V F ), чтобы ток был значительным.
- Обратное смещение : Это режим «выключения» диода, при котором напряжение меньше, чем V F , но больше, чем -V БР . В этом режиме протекание тока (в основном) блокировано, а диод выключен. Очень небольшой ток (порядка нА) — называемый обратным током насыщения — может протекать в обратном направлении через диод.
- Пробой : Когда напряжение, приложенное к диоду, очень большое и отрицательное, большой ток может течь в обратном направлении, от катода к аноду.
Прямое напряжение
Для того, чтобы «включиться» и провести ток в прямом направлении, к диоду необходимо приложить определенное положительное напряжение. Типичное напряжение, необходимое для включения диода, называется прямое напряжение (V F ). Его также можно назвать напряжением включения или напряжением включения .
Как мы знаем из кривой i-v , ток через диод и напряжение на диоде взаимозависимы.
Больше ток — больше напряжение, меньше напряжение — меньше ток. Однако, как только напряжение приближается к номинальному прямому напряжению, большое увеличение тока должно означать лишь очень небольшое увеличение напряжения. Если диод является полностью проводящим, обычно можно предположить, что напряжение на нем является номинальным прямым напряжением.
Мультиметр с настройкой диода можно использовать для измерения (минимального) прямого падения напряжения на диоде.
V F конкретного диода зависит от того, из какого полупроводникового материала он сделан. Обычно кремниевый диод имеет V F около 0,6-1V . Диод на основе германия может быть ниже, около 0,3 В. Диод типа также имеет определенное значение для определения прямого падения напряжения; светодиоды могут иметь гораздо большее V F , в то время как диоды Шоттки специально разработаны для того, чтобы иметь гораздо более низкое, чем обычно, прямое напряжение.
Напряжение пробоя
Если к диоду приложено достаточно большое отрицательное напряжение, он поддастся и позволит току течь в обратном направлении. Это большое отрицательное напряжение называется напряжением пробоя . Некоторые диоды на самом деле предназначены для работы в области пробоя, но для большинства обычных диодов не очень полезно подвергать их воздействию больших отрицательных напряжений.
Для обычных диодов это напряжение пробоя составляет от -50 до -100 В или даже более отрицательное.
Техническое описание диода
Все вышеперечисленные характеристики должны быть подробно описаны в техническом описании каждого диода. Например, в этом техническом описании диода 1N4148 указано максимальное прямое напряжение (1 В) и напряжение пробоя (100 В) (среди множества другой информации):
, чтобы уточнить, как ведет себя диод. Этот график из таблицы данных диода увеличивает извилистую часть прямой области i-v кривая.
Обратите внимание, что больший ток требует большего напряжения:
На этой диаграмме указана еще одна важная характеристика диода — максимальный прямой ток. Как и любой другой компонент, диоды могут рассеивать только определенную мощность, прежде чем они перегорят. Для всех диодов должны быть указаны максимальный ток, обратное напряжение и рассеиваемая мощность. Если на диод действует большее напряжение или ток, чем он может выдержать, ожидайте, что он нагреется (или, что еще хуже, расплавится, задымится и т. д.).
Некоторые диоды хорошо подходят для высоких токов — 1 А и более — другие, такие как слабосигнальный диод 1N4148, показанный выше, могут подходить только для тока около 200 мА.
Этот 1N4148 — всего лишь небольшая выборка из всех существующих диодов различных типов. Далее мы рассмотрим, какое удивительное разнообразие диодов существует и для чего служит каждый тип.
Типы диодов
Обычные диоды
Сигнальные диоды
Стандартные сигнальные диоды являются одними из самых простых, средних и простых членов семейства диодов.
Обычно они имеют средне-высокое прямое падение напряжения и низкий максимальный номинальный ток. Типичным примером сигнального диода является 1N4148.
Диод слабого сигнала — 1N4148
В наличии COM-08588
Избранное Любимый 10
Список желаний
Очень общего назначения, имеет типичное прямое падение напряжения 0,72 В и максимальный номинальный прямой ток 300 мА.
Диод слабого сигнала, 1N4148. Обратите внимание на черный кружок вокруг диода, который указывает, какой из выводов является катодом.
Силовые диоды
Выпрямитель или силовой диод — это стандартный диод с гораздо более высоким максимальным номинальным током. Этот более высокий номинальный ток обычно достигается за счет большего прямого напряжения.
1N4001 является примером силового диода.
Диодный выпрямитель — 1А, 50В (1N4001)
В наличии COM-08589
1
Избранное Любимый 14
Список желаний
1N4001 имеет номинальный ток 1 А и прямое напряжение 1,1 В.
Диод 1N4001 PTH. На этот раз серая полоса указывает, какой вывод является катодом.
И, конечно же, большинство типов диодов также доступны для поверхностного монтажа. Вы заметите, что каждый диод каким-то образом (независимо от того, насколько он крошечный или трудноразличимый) указывает, какой из двух контактов является катодом.
Светоизлучающие диоды (СИД!)
Самым ярким представителем семейства диодов должен быть светоизлучающий диод (СИД).
Эти диоды буквально загораются при подаче положительного напряжения.
Несколько сквозных светодиодов. Слева направо: желтый 3 мм, синий 5 мм, зеленый 10 мм, сверхяркий 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, то есть напряжение, необходимое для того, чтобы они загорелись. В F номинал светодиода обычно выше, чем у обычного диода (1,2~3 В), и зависит от цвета, излучаемого светодиодом. Например, номинальное прямое напряжение сверхяркого синего светодиода составляет около 3,3 В, а сверхярко-красного светодиода такого же размера — всего 2,2 В.
Очевидно, светодиоды чаще всего используются в осветительных приборах. Они шустрые и веселые! Но более того, их высокая эффективность привела к широкому использованию в уличных фонарях, дисплеях, задней подсветке и многом другом. Другие светодиоды излучают свет, невидимый человеческому глазу, например, инфракрасные светодиоды, составляющие основу большинства пультов дистанционного управления.
Еще одно распространенное использование светодиодов — оптическая изоляция опасной высоковольтной системы от низковольтной цепи. Оптоизоляторы соединяют инфракрасный светодиод с фотодатчиком, который пропускает ток при обнаружении света от светодиода. Ниже приведен пример схемы оптоизолятора. Обратите внимание, как схематическое обозначение диода отличается от обычного диода. Светодиодные символы добавляют пару стрелок, отходящих от символа.
Диоды Шоттки
Другим очень распространенным диодом является диод Шоттки.
Диод Шоттки
В наличии COM-10926
1
Избранное Любимый 13
Список желаний
Полупроводниковый состав диода Шоттки немного отличается от обычного диода, в результате чего значительно0015 меньшее прямое падение напряжения , которое обычно составляет от 0,15 В до 0,45 В.
Однако они все равно будут иметь очень большое напряжение пробоя.
Диоды Шоттки особенно полезны для ограничения потерь, когда каждый бит напряжения должен быть сохранен. Они достаточно уникальны, чтобы получить собственный символ цепи с парой изгибов на конце катодной линии.
Стабилитроны
Стабилитроны — странный изгой семейства диодов. Они обычно используются намеренно провести обратный ток .
Стабилитрон — 5,1 В 1 Вт
Пенсионер COM-10301
Пенсионер
Избранное Любимый 10
Список желаний
Стабилитроны рассчитаны на очень точное напряжение пробоя, называемое пробивным напряжением стабилитрона или напряжением стабилитрона .
Когда через стабилитрон протекает в обратном направлении достаточный ток, падение напряжения на нем будет оставаться постоянным при напряжении пробоя.
Используя свойство пробоя, стабилитроны часто используются для создания известного эталонного напряжения, точно равного их напряжению Зенера. Их можно использовать в качестве стабилизатора напряжения для небольших нагрузок, но на самом деле они не предназначены для регулирования напряжения в цепях, потребляющих значительный ток.
Зенеры достаточно особенные, чтобы иметь свой собственный символ цепи с волнистыми концами на катодной линии. Символ может даже определять, каково именно напряжение стабилитрона диода. Вот 3,3-вольтовый стабилитрон, создающий надежное опорное напряжение 3,3 В:
Фотодиоды
Фотодиоды — это специально сконструированные диоды, которые улавливают энергию фотонов света (см. Физика, квант) для генерации электрического тока. Вид работы как анти-светодиод.
Миниатюрная солнечная батарея — BPW34
В наличии ПРТ-09541
1
Избранное Любимый 37
Список желаний
Фотодиод BPW34 (не четверть, мелочь сверху).
Поместите его под солнце, и он может генерировать около нескольких мкВт энергии!
Солнечные батареи являются главным спонсором фотодиодной технологии. Но эти диоды также можно использовать для обнаружения света или даже оптической связи.
Применение диодов
Для такого простого компонента диоды имеют огромное количество применений. Практически в каждой схеме вы найдете диод того или иного типа. Они могут использоваться во всем, от слабосигнальной цифровой логики до высоковольтной схемы преобразования энергии. Давайте рассмотрим некоторые из этих приложений.
Выпрямители
Выпрямитель представляет собой цепь, 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 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 течет только в одном направлении.
Поэтому для преобразования переменного тока в постоянный вам просто нужно убедиться, что ток не может течь в отрицательном направлении. Звучит как работа для ДИОДОВ!
Однополупериодный выпрямитель может состоять всего из одного диода. Если сигнал переменного тока, такой как, например, синусоида, посылается через диод, любая отрицательная составляющая сигнала отсекается.
Входной (красный/левый) и выходной (синий/правый) кривые напряжения после прохождения через схему однополупериодного выпрямителя (в центре).
Двухполупериодный мостовой выпрямитель использует четыре диода для преобразования отрицательных скачков в сигнале переменного тока в положительные.
Схема мостового выпрямителя (в центре) и форма выходного сигнала, которую она создает (синий/справа).
Эти схемы являются важным компонентом преобразователей переменного тока в постоянный, который преобразует сигнал 120/240 В переменного тока в настенную розетку в 3,3 В, 5 В, 12 В и т.
д. сигналы постоянного тока. Если вы разорвете настенную бородавку, вы, скорее всего, увидите там несколько диодов, исправляющих ее.
Можете ли вы найти четыре диода, образующих мостовой выпрямитель в этой настенной бородавке?
Защита от обратного тока
Вы когда-нибудь вставляли батарейку неправильно? Или поменять местами красный и черный провода питания? Если это так, диод может быть благодарен за то, что ваша схема все еще жива. Диод, включенный последовательно с положительной стороной источника питания, называется диодом обратной защиты. Это гарантирует, что ток может течь только в положительном направлении, а источник питания подает на вашу цепь только положительное напряжение.
Этот диод полезен, когда разъем источника питания неполяризован, что позволяет легко перепутать и случайно соединить отрицательный источник питания с положительным входной цепи.
Недостатком диода обратной защиты является то, что он вызывает некоторую потерю напряжения из-за прямого падения напряжения.
Это делает диоды Шоттки отличным выбором для диодов обратной защиты.
Логические элементы
Забудьте о транзисторах! Простые цифровые логические элементы, такие как И или ИЛИ, могут быть построены из диодов.
Например, диодный вентиль ИЛИ с двумя входами может быть построен из двух диодов с общими катодными узлами. Выход логической схемы также расположен в этом узле. Всякий раз, когда один из входов (или оба) имеет логическую 1 (высокий уровень/5 В), выход также становится логической 1. Когда на оба входа подается логический 0 (низкий уровень/0 В), на выходе устанавливается низкий уровень через резистор.
Логический элемент И устроен аналогичным образом. Аноды обоих диодов соединены вместе, где находится выход схемы. Оба входа должны иметь логическую 1, заставляющую ток течь к выходному контакту и также подтягивать его к высокому уровню. Если на любом из входов низкий уровень, ток от источника питания 5 В проходит через диод.
Для обоих логических элементов можно добавить больше входов, добавив всего один диод.
Обратноходовые диоды и подавление скачков напряжения
Диоды очень часто используются для ограничения потенциального ущерба от неожиданных больших скачков напряжения. Диоды подавления переходного напряжения (TVS) — это специальные диоды, похожие на 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.
Обратноходовые диоды выполняют аналогичную работу по подавлению скачков напряжения, особенно тех, которые вызваны индуктивным компонентом, таким как двигатель. Когда ток через индуктор внезапно изменяется, создается всплеск напряжения, возможно, очень большой отрицательный всплеск. Обратный диод, размещенный на индуктивной нагрузке, даст этому сигналу отрицательного напряжения безопасный путь к разряду, фактически повторяясь снова и снова через индуктор и диод, пока он в конечном итоге не погаснет.
Это всего лишь несколько применений этого удивительного маленького полупроводникового компонента.
Приобретение диодов
Теперь, когда ваши текущие текут в правильном направлении, пришло время применить ваши новые знания с пользой. Если вы ищете отправную точку или просто запасаетесь, у нас есть набор изобретателя, а также отдельные диоды на выбор.
Наши рекомендации:
Диод слабого сигнала — 1N4148
В наличии COM-08588
Избранное Любимый 10
Список желаний
Диодный выпрямитель — 1А, 50В (1N4001)
В наличии COM-08589
1
Избранное Любимый 14
Список желаний
Диод Шоттки
В наличии COM-10926
1
Избранное Любимый 13
Список желаний
Набор изобретателя SparkFun — версия 3.
