Выпрямительные диоды и светодиоды

Выпрямительные и осветительные диодыПора вас познакомить со светодиодами, которые можно встретить буквально повсюду. В этой статье, мы проверим работу выпрямительных диодов и светодиодов на практике.

Мы обсуждим самую важную информацию, такую как: конструкция, классификация, использование светодиодов и выбор резисторов для светодиодов.

Разделение диодов на выпрямительные и осветительные

Как новичок в электротехнике, вы чаще всего будете встречать два типа диодов: выпрямительные и осветительные (LED). Вы уже должны почувствовать разницу между ними… Некоторые что-то распрямляют, а другие светятся. Последним вы будете пользоваться гораздо охотнее и чаще. Они появятся буквально в 99% ваших электронных проектов.

Тип диода (выпрямительный / осветительный) можно легко узнать по внешнему виду данного элемента. Выпрямительные диоды представляют собой цилиндры различных размеров, через которые в осевом направлении проходит провод. А, светящиеся элементы различают по линзе (прозрачной или цветной) и выводам, которые расположены только на одной стороне элемента. В наиболее распространенных светодиодах, цветной верхний элемент имеет диаметр 5 мм или 3 мм.

Примеры светодиодов показаны на фото ниже. Слева — выпрямительные (кремниевые) диоды, а справа — светодиоды (осветительные диоды).

Слева кремниевые диоды в разных корпусах, справа светодиоды

Что такое кремниевые (выпрямительные) диоды?

Кремниевые (выпрямительные) диоды получили свое название от полупроводникового материала, то есть кремния. В светодиодах, другие вещества выполняют функцию полупроводников (подробнее об этом позже). У диодов одно главное предназначение: пропускать ток только в одну сторону.

А пока давайте сосредоточимся на знакомстве с основными терминами и обозначением диода на схемах.

Способ подключения диода (направление) имеет большое значение — к счастью, неправильное подключение не повредит диод!
Обозначение диода и пример корпуса
Обозначение диода на схемах и пример корпуса диода

Из обозначения самого диода можно понять принцип его действия: ток течет от анода к катоду, то есть в направлении, указанном «стрелкой». Ток, протекающий через диод, теряет часть своей энергии, что приводит к снижению напряжения. Проще говоря, если диод является проводящим, на нем есть небольшое падение напряжения.

На практике это означает, что при последовательном подключении диода к источнику питания, напряжение «после диода» будет ниже. Это особенность диодов, о которой стоит помнить.

Диод может находиться в двух состояниях: проводящем (когда мы пытаемся заставить ток течь от анода к катоду, и диод «соглашается с ним», т.е. он проводит) и обратном (когда ток пытается течь от катода к аноду, но диод «не пропускает» и ток через него не течет).

Как запомнить, что такое катод, и что такое анод?

Постарайтесь запомнить, что катод — это вывод «ножка», к которой нужно подключить землю, то есть минус. Запомнить это можно просто: в слове «каТод есть буква Т как-будто с минусом вверху. Не всем такие ассоциации нравятся, но для запоминания — самый эффективный способ!

Выпрямительный диод (практическое занятие)

Теперь проведем два эксперимента, которые позволят нам проверить, действительно ли диод проводит ток только в одном направлении. Для эксперимента нам потребуются:

  • Макетная плата,
  • Аккумулятор 9 В с проводами,
  • Диоды 1N4148,
  • Резистор 1 кОм,
  • Мультиметр.

В магазинах можно найти множество выпрямительных диодов (они различаются по многим параметрам). Самый популярный диод 1N4148, с ним сталкивался практически каждый инженер-электронщик.

Проверим на практике два варианта подключения диодов:

Схема, где диод будет проводить токСхема, где диод не будет проводить ток
Диод будет проводить токДиод не будет проводить ток

На практике это будет выглядеть так:

Диод прямого направления на практикеДиод обратного направления на практике
Диод прямого направленияДиод обратного направления

С первой попытки нам удалось сделать диод токопроводящим. Напряжение на его аноде было выше, чем на катоде, поэтому он открывался и пропускал ток около 8,9 мА. На второй картинке диод был вставлен наоборот (напряжение на катоде было выше, чем на аноде), поэтому диод заблокировался и перестал проводить ток, результат, нулевое показание мультиметра.

Также стоит замерить, как изменяется напряжение в цепи, к которой подключен диод, в прямом направлении. Слева показано измерение напряжения от АКБ («перед диодом»), а справа — измерение «после диода». Как видите, в последнем случае напряжение ниже (согласно предыдущей информации):

Измерение напряжения 1Измерение напряжения 2
Измерение напряжения «перед диодом»Измерение напряжения «после диода»

Важные параметры диодов

Пришло время обсудить основные параметры диодов. На самом деле, диоды имеют гораздо большее количество параметров, чем можно себе представить. Мы же кратко обсудим лишь некоторые из наиболее важных.

Максимальное обратное напряжение диода. Это напряжение, которое может быть между выводами диода в обратном направлении без риска его повреждения. Более высокое напряжение может вывести диод из строя.

Диод, который подвергается «пробою», теряет свои полупроводниковые свойства.

Максимальный прямой ток. Наибольшее значение тока, которое может протекать через диод. Превышение этого значения может его сломать.

Максимальная потеря мощности. При включении диод нагревается. Этот нагрев может быть незаметен при малых токах, но при больших токах (200 мА и более), тепло должно ощущаться при прикосновении пальца к его корпусу. Это связано с тем, что на диод поступает определенное напряжение, протекающего через него, поэтому выделяется энергия. Нельзя допускать, чтобы ток, проходящий через диод, превышал технические параметры самого диода, иначе диод перегреется и сгорит. Для упомянутого диода 1N4148 напряжение составляет 0,5 Вт.

Прямое напряжение. Это напряжение, которое будет между выводами диода при протекании через него тока. Величина этого напряжения зависит от силы протекающего тока.

Предполагается, что проводящий кремниевый диод обеспечивает напряжение ~ 0,7 В.

Однако, как будет показано позже, это не совсем так. При прохождении больших токов это напряжение может составлять 1-1,2 В. Следующий фрагмент каталожной заметки для диода 1N4148 показывает диаграмму зависимости между прямым напряжением и прямым током.

Вольт-амперная характеристика диода
Вольт-амперная характеристика диода

Как видно из графика выше, после прохождения через диод тока 100 мА при температуре около 25 ° C напряжение на нем составляет около 0,9 V. Характеристики, приведенные в примечаниях к каталогу, следует рассматривать как ориентировочные, поскольку другие диоды могут отличаться друг от друга.

Измерение прямого напряжения на диоде

Мультиметры (тестеры) позволяют измерять прямое напряжение на диоде. Тестер следует переключить в положение, отмеченное символом диода. К сожалению, это измерение можно рассматривать только так: «проводит / не проводит», потому что оно выполняется при неизвестном прямом токе.

После установки мультиметра в соответствующее положение, проводим измерение так же, как при проверке сопротивления резисторов. Однако здесь важна полярность, черный щуп (подключенный к COM) должен быть приложен к клемме, отмеченной полосой на корпусе диода.

Пример измерения может выглядеть так:

Измерение прямого напряжения на диоде
Измерение прямого напряжения на диоде

Диод как защита

Последовательное подключение диода к источнику питания, позволяет решить проблему обратного питания, потому что при попытке изменить полярность аккумулятора, он перейдет в состояние блокировки и не пропустит ток. И помните, что во время проведения через диод тока, напряжение будет снижено. Это следует учитывать при выборе источника питания системы или цепи.

Об этом забывают многие новички, которые хотят запитать схемы перед диодом и использовать источник 5 В. Пройдя через диод, мы получаем около 4,3 В, что может быть слишком низким напряжением для схем.
Выпрямительный диод как защита от обратного питания
Схема защиты от обратного питания

Диоды Шоттки

Помимо выпрямительных (кремниевых) диодов существуют еще так называемые диоды Шоттки. Такие диоды изготавливаются для более низкого напряжением. Напряжение ниже, чем у кремниевых диодов (обычно от 20 В до 100 В), но с меньшим прямым падением напряжения. Однако, их мы не будем рассматривать подробно. На этом мы завершим обсуждение выпрямительных диодов.

Практическое применение светодиодов

LED (светоизлучающий диод) или по-другому светодиоды, являются одними из наиболее важных и интересных элементов.

Пример светодиода и символа
Пример светодиода и символа, обозначающего светодиод на схемах

Внутри светодиодов находится небольшой кристалл, который начинает светится при пропускании через него напряжения.

Осветительный элемент внутри диода
Осветительный элемент внутри диода

Светящаяся внутренняя часть диода является полупроводником, то есть она способна блокировать ток, который хотел бы протекать в неправильном направлении. Это видно даже по схематическому обозначению светодиодов.

Следовательно, правильно подключенный диод будет светиться, и при этом через него будет протекать ток. Неправильно подключенный диод погаснет и не пропустит ток.

Схема правильно подключенного диодаСхема правильно подключенного диода
Запомните, что для каждого светодиода, требуется правильно подобранный резистор! Без резистора, в цепи будет протекать слишком большой ток, который выведет светодиод из строя.

Как понять, где плюс, а где минус у светодиодов?

Светодиод не имеет никаких обозначений на своем корпусе. Однако, найти катод (минус) можно несколькими способами. Рассмотрим наиболее популярные варианты:

  1. если сравнить выводы, на диоде, катод — более короткий вывод (короткая ножка),
  2. если приглядеться, край диодной линзы рядом с катодом срезан.

Плюс и минус на светодиоде

Эти варианты подходят для 99,99% для всех светодиодов. Однако, можно встретить какие-то странные, «китайские» светодиоды, на которых вся маркировка будет указывать на на другое расположение плюса и минуса. Такие случаи бывают, по крайней мере, мы с ними сталкивались.

В таких ситуациях, единственный надежный метод — подключить светодиод через резистор к источнику питания, или произвести измерения с помощью мультиметра, установленного в режим измерения диодов.

Есть также светодиоды, которые в одном корпусе имеют несколько светящихся структур. Благодаря этому можно получить множество нестандартных цветов. Подробнее о таких светодиодах вы узнаете позже, в другой нашей статье.

Параметры светодиода

Светодиоды имеют параметры, аналогичные параметрам выпрямительных диодов, но больше внимания уделяется другим из этих характеристик (например, цвету, яркости, углу луча). Однако наиболее важным параметром является прямой ток. Для популярных светодиодов, таких как те, что входят в комплект с платой Arduino, максимальный прямой ток составляет около 20 мА. Однако современные светодиоды светят очень ярко даже при токе 1-2 мА.

Максимальное обратное напряжение обычно составляет 5–6 В, поэтому будьте осторожны при подключении светодиода к более мощному источнику питания, светодиод может выйти из строя.

Прямое напряжение сильно зависит от цвета (свечения) светодиода. Каждый цвет получается с помощью разных электрических свойств. Подробную информацию по этому поводу можно найти в Интернете. Однако, для использования их в домашних условиях, вы можете взять приблизительные значения из нашей таблицы:

Должны ли светодиоды иметь цветные линзы? Нет, материал, из которого изготовлен светодиод, отвечает за цвет свечения. Это подтверждают цветные светодиоды в прозрачных корпусах. Особенно это касается так называемых ярких светодиодов, то есть тех, которые дают очень яркий свет.

Выбор резистора для светодиода

Светоиоды нельзя подключать без резисторов. Самое простое решение — соединить резистор последовательно со светодиодом. По закону Кирхгофа, часть напряжения пойдет на светодиод, а остальное — на резистор. Более того, зная (более или менее) напряжение, которое будет «принимать» на себя резистор, вы можете — в соответствии с законом Ома — вычислить ток, протекающий через него. Т.к. эти элементы соединены последовательно, через светодиод будет протекать один и тот же ток, что нам и нужно.

Формула расчета сопротивления резистора, для питания светодиода, выглядит следующим образом:

Формула расчета сопротивления резистора

  • U вых — напряжение в сети,
  • U диод — прямое напряжение светодиода,
  • I диод — ток протекающий через светодиод.
Принципиальная схема подключения светодиод
Принципиальная схема подключения светодиода к источнику питания

Теперь, давайте рассчитаем номинал резистора в цепи 9 В. Предположим, что прямое напряжение диода равно 2 В и через него проходит ток 7 мА. Записываем значения:

  • U вых = 9 В,
  • U диод = 2 В,
  • I диод = 7 мА = 0,007 А.

Рассчитываем номинал необходимого нам резистора:

R = (9 В — 2 В) / 0,007 А = 7 В / 0,007 А = 1000 Ом = 1 кОм

Мы проверим эту схему на практике чуть позже!

Какой ток должен протекать через светодиод? Конечно меньше максимального, т.е., например, меньше заданных 20 мА. Современные светодиоды достаточно яркие, хотя через них протекает ток <10 мА. В системах с батарейным питанием, можно использовать светодиоды 1-5 мА.

Слишком низкий ток проводимости не повредит светодиод, а только ослабит его силу освещения.
Зажигание диода в зависимости от выбранного резистора
Работа (свечение) светодиода в зависимости от выбранного резистора

Практическое занятие со светодиодом

Обычно, для напряжения питания 5 В и напряжения светодиода 2 В, используются резисторы на 330 Ом. Через светодиод протекает ток около 9 мА. Возьмем аккумулятор с напряжением 9 В и красный светодиод 2 В, на резистор будет подаваться напряжение 7 В. При использовании резистора 1 кОм через него будет протекать ток около 7 мА.

Теперь проверим это на практике:

Схема сборкиПример реализацииИзмерение тока
Схема сборкиПример реализацииИзмерение тока

В качестве эксперимента, проверьте, как ведет себя светодиод, при уменьшении тока. Для теста вы можете использовать потенциометр, который, в конце концов, является регулируемым резистором. Подключите его последовательно с резистором 330 Ом, чтобы в момент малейшего поворота потенциометра, появилось небольшое сопротивление.

Потенциометр не сможет повредить светодиод, а дополнительный резистор защитит его от возгорания.
Схема сборки с потенциометромПримерная реализация сборки
Схема сборки с потенциометромПримерная реализация сборки

Яркость диода должна меняться в зависимости от настройки потенциометра. Для теста также стоит заменить светодиод на диод другого цвета.

Должен ли резистор быть всегда перед светодиодом?

Многие новички считают, что резистор должен находиться на плате или схеме перед диодом, иначе слишком большой ток выведет его из строя. Но, это неправда — помните, что порядок элементов в этой комбинации не имеет значения, т.к. один и тот же ток течет через последовательно соединенные элементы. Это является следствием обсуждаемых ранее законов Кирхгофа.

Резистор поставлен перед светодиодомРезистор поставлен после светодиода
Резистор поставлен перед светодиодомРезистор поставлен после светодиода

Эта тема является довольно «спорной» для многих новичков, которые часто просто не могут этого понять. Поэтому мы подготовим для вас отдельную статью, в которой разъясним только этот чрезвычайно важный вопрос.

Как запитать несколько светодиодов?

Если вы хотите запитать несколько светодиодов от одного источника, то вы можете использовать одно из двух решений:

  • Каждый диод может быть снабжен собственным резистором, рассчитанным в соответствии с ранее выбранными рекомендациями, а затем такая схема (диод + резистор) может быть подключена параллельно к источнику питания.
  • Также можно последовательно подключить несколько светодиодов и подобрать к ним резистор. Тогда напряжение на диоде U, по формуле, нужно дублировать столько раз, сколько у вас подключено диодов. Входящее напряжение должно быть по крайней мере на несколько вольт выше, чем предполагается у светодиода.
Диоды нельзя подключать параллельно, даже если они одного цвета! Прямое напряжение для каждого из них будет немного отличаться, некоторые будут тускло светиться, а некоторые могут вообще выйти из строя, т.к. большая часть тока будет проходить через них.

Теперь для проверки, подключите несколько диодов в соответствии с первым предложенным решением. Однако помните, что у каждого светодиода должен быть свой резистор — иначе вы можете повредить элементы!

Схема сборки нескольких диодовПример реализации сборки
Последовательная схема сборки нескольких светодиодовПример реализации сборки нескольких светодиодов

Достаточно нескольких элементов, чтобы получить действительно интересный эффект:

Подключение светодиодов на практике
Подключение светодиодов на практике

Вывод

После прочтения этой статьи, мы надеемся, что вы, наконец-то, поняли, как правильно выбрать резисторы для питания светодиодов. Поверьте, вы будете сталкиваться с этими элементами еще очень много раз. Светодиоды — самый популярный элемент, позволяющий сигнализировать о том, что происходит в собранной вами цепи.

С Уважением, МониторБанк

Добавить комментарий