Где плюс и минус у диода: Как определить полярность светодиода?

4½ Практическое применение диода

Диод — это фундаментальный компонент, который вы должны понимать, если хотите развивать свои навыки в области электроники. Итак, сегодня мы кратко рассмотрим, что такое диод, а затем рассмотрим 4½ варианта использования диода в ваших проектах.

Примечание автора: насколько мне известно, половина диода бесполезна, так что не надейтесь.

Курс повышения квалификации по диодам

Если вы читаете это, значит, вы уже знакомы с диодами, поэтому я постараюсь, чтобы вам было интересно. Диод обычно является первым нелинейным компонентом, о котором узнают. Резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности все линейных устройств , что означает, что их можно охарактеризовать с помощью дифференциального уравнения первого порядка. Как бы мне сейчас ни хотелось заниматься математикой, я пощажу тебя; для этого существует Википедия. Итак, что такое диоды?

Диоды нелинейные устройства . Они не следуют закону Ома, и для анализа цепей вы не можете заменить их эквивалентом Thevenin.

Диоды являются пассивными устройствами, что означает, что для их работы не требуется питание.

Диоды двухпортовые. Есть только один вход, анод, и один выход, катод (рис. 1) .

1. Схема диода с анодом слева и катодом справа.

Концептуально диоды довольно просты. Но они чрезвычайно полезны из-за своей кривой V-I, показанной на рис. 2 . Ось X — это напряжение, а ось Y показывает, какой ток может протекать через устройство при воздействии на него соответствующего уровня напряжения.

2. ВАХ диода.

Диоды с положительным смещением

Вы должны заметить несколько интересных вещей на рис. 2. Начнем с правой стороны оси Y. При умеренных положительных напряжениях диод по существу действует как короткозамыкатель, но с небольшим падением напряжения. Обычно это называют «прямым падением напряжения», но я уверен, что у мамы есть для этого милое прозвище. Может быть, «напряжение включения» или просто «напряжение при включении».

Вы можете видеть прямое падение напряжения на кривой V-I на рис. 2, около 0,6-0,7 В, где ток начинает увеличиваться. Падение 0,6/0,7 В является стандартным для кремниевых диодов, но для других типов диодов и материалов прямое падение напряжения может отличаться.

Вы можете измерить это прямое напряжение для конкретного диода с помощью мультиметра с функцией проверки диодов. Вы можете видеть, что этот диод имеет прямое напряжение примерно 0,62 В (рис. 3) .

3. Измерение прямого напряжения диода с помощью мультиметра Keysight U1282A.

Но вам нужно помнить, что при воздействии умеренного напряжения, скажем, 5 В, диод будет проходить через 5 В минус прямое напряжение. Итак, 4,3 В для стандартного кремниевого диода. Есть несколько способов компенсировать это падение, но это выходит за рамки данной статьи.

Диоды с отрицательным смещением

Теперь перейдем к левой стороне оси Y на рис. 2. При воздействии отрицательного напряжения возникает обратный ток в наноамперах. В большинстве случаев вы можете аппроксимировать его как 0 А. То есть до тех пор, пока вы не дойдете до другого большого колебания на кривой VI, известного как напряжение пробоя.

Если ваш диод подвергается сильному обратному смещению, вы его взорвали. Часто буквально. Диоды по существу не могут выдержать такой уровень отрицательного напряжения, и устройство физически выходит из строя, позволяя течь отрицательному току.

Короче говоря, вы можете думать о диоде как об одностороннем проводнике с падением напряжения. Достаточно предисловия, давайте рассмотрим несколько различных способов использования диодов в ваших схемах.

Использование №1: Выпрямители

Выпрямители были описаны до тошноты в других источниках, поэтому я буду краток. Суть в том, что вы можете пропускать положительные напряжения от источника переменного тока, блокируя или инвертируя отрицательные напряжения.

Вы можете собрать однополупериодный выпрямитель с одним диодом (рис. 4) .

4. Цепь однополупериодного выпрямителя, подключенная к источнику переменного тока. Обратите внимание на характерный полуволновой сигнал на экране осциллографа.

Или можно создать мостовой выпрямитель с четырьмя диодами (рис. 5) . Стоит отметить, что при измерении мостового выпрямителя с помощью осциллографа следует использовать дифференциальный пробник. В противном случае вы заземлите половину своего выпрямителя.

5. Мостовой выпрямитель проверяется с помощью осциллографа и дифференциального пробника.

Добавьте в микс конденсатор, и вы сможете сделать пару вещей.

Сначала можно зачистить выпрямитель (рис. 6) . Однако, как правило, лучше использовать микросхему активного выпрямителя напряжения.

6. Здесь конденсатор включается и выключается по схеме полумостового выпрямителя.

Во-вторых, можно построить умножитель напряжения (рис. 7) . По сути, это серия однополупериодных выпрямителей. Они используются для вещей, которым требуется высокое напряжение, но минимальный ток, например, ловушки для жуков и ускорители частиц — или ускорители жуков.

7. Грубый множитель напряжения.

Использование #2: Диодные логические элементы

Вы можете построить простые логические элементы, используя диоды.

Вы можете создать вентиль ИЛИ или вентиль И с n входами, используя 1 диод на вход (рис. 8) .

8. Трехвходовой вентиль ИЛИ на диодах.

Для более практичных сценариев вы можете использовать менее стандартную «логику». Возьмем, к примеру, аккумуляторную резервную систему (рис. 9) . Используя два диода, вы можете передать либо предполагаемый вход напряжения (если он есть), либо источник батареи.

9. Грубая система резервного питания с использованием двух диодов.

В этой ситуации диод при нормальных условиях смещен в обратном направлении, поэтому аккумулятор бездействует. Когда напряжение источника снимается, диод смещается в прямом направлении и обеспечивает питание устройства.

Использование №3: Диодные зажимы

Вы можете использовать диоды для ограничения диапазона сигнала. По сути, вы можете предварительно ограничить сигнал, подключив диод к опорному напряжению или делителю напряжения, как показано на рис. 9.0005 Рисунок 10 .

10. Простые клещи напряжения. Регулируя напряжение смещения, вы можете изменять уровни ограничения.

В Рисунок 11 мы начинаем со стандартной треугольной волны, и на осциллографе сигнал выглядит нормально. Но когда мы увеличиваем амплитуду сигнала до уровня выше нашего порога, верхняя часть сигнала начинает зажиматься. Вы можете установить порог ограничения, используя напряжение смещения, и отрегулировать силу ограничения, изменяя значение резистора.

11. Зажатая треугольная волна на осциллографе DSOX1102G.

Для лучшего зажима можно добавить шунтирующий конденсатор. Или вы можете обратиться к схеме активного ограничителя, используя операционный усилитель или транзисторную схему, но простой диод обеспечивает простой и дешевый ограничитель. Они часто используются с чувствительными входами, такими как логические схемы CMOS, для предотвращения повреждения от статического разряда.

Использование №3.5: Диодные ограничители

Я считаю это только половиной использования, потому что технически оно подпадает под ограничение. Но это достаточно отличается, чтобы гарантировать дополнительные 0,5.

Ограничители, иногда называемые ограничителями, представляют собой специальный тип клещей, которые ограничивают выходной сигнал плюс или минус прямого напряжения с настройкой, подобной Рисунок 12 . Это можно использовать для защиты усилителей с высоким коэффициентом усиления или других чувствительных схем от насыщения.

12. Диодный ограничитель, также известный как диодный ограничитель.

В Рисунок 13 , амплитуда синусоидального сигнала будет меняться от 0 до 5 В.

13. Синусоидальный сигнал со свипируемой амплитудой, подаваемый через диодный ограничитель.

Использование #4: Обратноходовые диоды

Обратноходовые диоды — это клапаны сброса давления в мире электроники. Потому что катушки индуктивности сопротивляются изменению тока. вы не можете просто мгновенно отключить их — они будут сопротивляться схеме управления, что повредит ее. Это известно как «индуктивный удар».

Итак, можно добавить обратноходовой диод параллельно дросселю (рис. 14) . Как я упоминал в видео о постоянной времени на канале Keysight Labs на YouTube, это может вызвать более медленное затухание тока, чем хотелось бы. Таким образом, вы также можете использовать RC демпфер.

14. Катушка индуктивности, катушка индуктивности с обратным диодом и катушка индуктивности с RC-демпфером.

Стоит отметить, что этот метод не будет работать, если катушка индуктивности питается от источника переменного тока (например, от трансформатора), потому что диод будет работать в полупериодах. В этой ситуации вы должны использовать демпфер RC или что-то вроде металлооксидного варистора.

Diodes Rock

Это только верхушка айсберга, когда речь идет о диодах. Используете ли вы эти или какие-либо другие диодные трюки в своих проектах? Дайте мне знать в комментариях, на канале Keysight Labs в YouTube или в Twitter!

Диоды и схемы диодов. Учебные пособия

Работа с диодами

Что такое диод?

• Диод представляет собой полупроводниковый прибор с двумя выводами, образованный двумя легированными областями кремния, разделенными переходом pn .

• Область p называется анодом и подключается к токопроводящей клемме. Область n называется катодом и соединена со второй проводящей клеммой.

Рис. 1. Базовая структура диода и условное обозначение

Работа диода

Прямое смещение

• Прямое смещение — это условие, при котором ток проходит через переход pn .

• На рис. 2 показан источник постоянного напряжения, подключенный проводящим материалом (контактами и проводом) через диод в направлении, обеспечивающем прямое смещение. Внешнее напряжение смещения обозначается как V _BIAS . Резистор ограничивает прямой ток до значения, которое не повредит диод.

Рисунок 2: Диод, подключенный для прямого смещения

• Требования для прямого смещения:
  • Отрицательная сторона V _BIAS подключена к области n диода, а положительная сторона подключена к области p .
  • В _BIAS должен быть больше барьерного потенциала.

• Область обеднения сужается из-за уменьшения количества отрицательных и положительных ионов по мере движения основных носителей к пн развязка.

• Падение напряжения, равное потенциалу барьера ( 0,7 В для кремниевого диода; 0,3 В для германиевого диода) возникает на переходе pn , поскольку электроны отдают количество энергии, эквивалентное потенциалу барьера когда они пересекают область истощения.

Работа диода

Обратное смещение

Рис. 3: Диод, подключенный для обратного смещения

• Положительная сторона V _{Смещение} подключается к области n диода, а отрицательная сторона подключается к области p . Обратите внимание, что область истощения показана намного шире, чем при прямом смещении или равновесии.

Вольт-амперная характеристика диода

Вольт-амперная характеристика для прямого смещения

Рис. 4. Измерения прямого смещения показывают общие изменения прямого напряжения и прямого тока при увеличении напряжения смещения

1. _Ф =0.

2. По мере увеличения V _BIAS увеличивается I _F и напряжение на диоде (V _F ). Часть V _BIAS сбрасывается на ограничительный резистор.

3. Когда V _BIAS увеличивается до значения, при котором V _F достигает примерно 0,7 В (барьерный потенциал), I _F начинает быстро увеличиваться.

4. Поскольку V _BIAS продолжает увеличиваться, I _F также увеличивается очень быстро, но V _F увеличивается только постепенно выше 0,7 В. Это небольшое увеличение V _F происходит из-за падения напряжения на внутреннем сопротивлении полупроводникового материала.

График ВАХ

Рис. 5: Зависимость напряжения и тока в диоде с прямым смещением.

• I _F увеличивается очень незначительно, пока прямое напряжение на pn-переходе не достигнет примерно 0,7 В в изломе кривой.

• После этой точки прямое напряжение остается почти постоянным и составляет примерно 0,7 В, но быстро увеличивается. Как упоминалось ранее, наблюдается небольшое увеличение V _F выше 0,7 В.

• Точка A соответствует состоянию нулевого смещения. Точка B наступает, когда V _F меньше потенциала барьера на 0,7 В. Точка C наступает, когда V _F примерно равен потенциалу барьера.

• Поскольку V _BIAS и I _F продолжают увеличиваться выше колена, V _F увеличится немного выше 0,7 В. В действительности V _F может достигать примерно 1 В, в зависимости от прямого Текущий.

Вольт-амперная характеристика диода

ВАХ для обратного смещения

1. При 0 В на диоде I _R =0.

2. По мере постепенного увеличения напряжения обратного смещения I _R и напряжение на диоде увеличивается.

3. Когда приложенное напряжение смещения увеличивается до значения, при котором обратное напряжение на диоде (V _R ) достигает значения пробоя (V _BR ), I _R начинает быстро увеличиваться.

4. Поскольку напряжение смещения продолжает увеличиваться, I _R также увеличивается очень быстро, но напряжение на диоде увеличивается очень незначительно выше V _BR .

График ВАХ

Рисунок 6: Характеристика ВАХ для диода с обратным смещением кривой.

Вольт-амперная характеристика диода

полная вольт-амперная характеристика диода.

Влияние температуры

• Для диода с прямым смещением при повышении температуры I _F увеличивается для заданного значения V _F . Наоборот, при данном значении I _F , V _F уменьшается.

• Для диода с обратным смещением при повышении температуры I _R увеличивается.

Модели диодов

Модель идеального диода

• Наименее точное приближение; может быть представлен простым переключателем

• С прямым смещением: диод работает как замкнутый (ВКЛ.) переключатель; с обратным смещением: диод действует как разомкнутый (ВЫКЛ.) переключатель, как показано на рис. 8.

Рис. 8: Идеальная модель диода

• всеми пренебрегают, эта модель подходит для устранения большинства неисправностей, чтобы определить, правильно ли работает диод.

• Предполагается, что диод имеет нулевое напряжение при прямом смещении: В _F =0 В. Прямой ток определяется напряжением смещения и ограничительным резистором по закону Ома.

Модели диодов

Практическая модель диода или модель с постоянным падением напряжения

• включает барьерный потенциал _F ), равный барьерному потенциалу (0,7 В) положительной стороной к аноду.

• При проведении на диоде возникает падение напряжения 0,7 В.

Рис. 9: Практическая модель диода

• С обратным смещением: диод эквивалентен разомкнутому выключателю, как и в идеальной модели. Барьерный потенциал не влияет на обратное смещение.

• Поскольку потенциал барьера включен, а динамическое сопротивление не учитывается, предполагается, что диод имеет напряжение на диоде при прямом смещении: V _F = 0,7 В.

• Прямой ток определяется путем применения закона Кирхгофа для напряжения к рис. 9(а):

• Предполагается, что диод имеет нулевой обратный ток: В _Р = В _{СМЕЩЕНИЕ} .

• Практичная модель полезна при устранении неисправностей в низковольтных цепях. В этих случаях падение 0,7 В на диоде может быть значительным, и его следует учитывать.

Модели диодов

Полная модель диода

• наиболее точное приближение; включает барьерный потенциал, малое прямое динамическое сопротивление ( r’ _d ) и большое внутреннее обратное сопротивление ( r’ _R )

• эквивалентное напряжение барьерного потенциала (V _B ) и r’ _d .

Рис. 10: Полная модель диода

• С обратным смещением: диод работает как разомкнутый переключатель, включенный параллельно с r’ _R . Барьерный потенциал не влияет на обратное смещение.

• Предполагается, что диод находится под напряжением при прямом смещении. Это напряжение (V _F ) состоит из V _B плюс небольшое падение напряжения на динамическом сопротивлении.

• Падение напряжения из-за динамического сопротивления увеличивается по мере увеличения тока.

• Для полной модели кремниевого диода применяются следующие формулы:

Однополупериодные выпрямители

Что такое однополупериодный выпрямитель?

• Однополупериодный выпрямитель пропускает ток через нагрузку только в течение половины цикла. Он преобразует входное напряжение переменного тока (обычно 120 В, 60 Гц) в пульсирующее постоянное напряжение, называемое двухполупериодным выпрямленным напряжением.

Однополупериодные выпрямители

Работа однополупериодного выпрямителя

• Диод подключен к источнику переменного тока и к нагрузочному резистору R _L , образуя однополупериодный выпрямитель.

• Когда синусоидальное входное напряжение (V _в ) становится положительным, диод смещается в прямом направлении и проводит ток через нагрузочный резистор.

Рисунок 11: При положительном чередовании VinРисунок 12: При отрицательном чередовании Vin

Однополупериодные выпрямители

Среднее значение однополупериодного выходного напряжения

• Среднее значение однополупериодного выпрямленного выходного напряжения – это значение, измеренное вольтметром постоянного тока. Математически это площадь под кривой в течение полного цикла, деленная на число радианов в полном цикле:

Влияние барьерного потенциала на выходной сигнал однополупериодного выпрямителя

• Когда практически Модель диода используется с барьерным потенциалом 0,7 В, В _в должны преодолеть барьерный потенциал, прежде чем диод станет смещенным в прямом направлении.

• Это приводит к полуволновому выходному сигналу с пиковым значением, которое на 0,7 В меньше, чем пиковое значение входа. Выражение для пикового выходного напряжения:

Пиковое обратное напряжение (PIV)

Двухполупериодные выпрямители

Что такое двухполупериодный выпрямитель?

• Двухполупериодный выпрямитель пропускает однонаправленный (односторонний) ток через нагрузку в течение всего входного цикла.

• Результатом двухполупериодного выпрямления является выходное напряжение с частотой, в два раза превышающей входную частоту, которое пульсирует каждый полупериод входного сигнала.

Рисунок 13: Двухполупериодный выпрямитель

Двухполупериодные выпрямители

Двухполупериодный выпрямитель с отводом от средней точки

Рисунок 14: Двухполупериодный выпрямитель с отводом от средней точки

• Во время положительных полупериодов D ₁

  с прямым смещением, а D

  ₂ с обратным смещением. Путь тока проходит через D ₁ и нагрузочный резистор R _L .

• Во время отрицательных полупериодов D ₂ смещен в прямом направлении, а D ₁ смещен в обратном направлении. Текущий путь проходит через D ₂ и R _L.

• Поскольку выходной ток во время положительной и отрицательной частей входного цикла имеет одно и то же направление через нагрузку, выходное напряжение, развиваемое на нагрузочном резисторе, является двухполупериодным. выпрямленное постоянное напряжение.

• Выходное напряжение двухполупериодного выпрямителя с отводом от средней точки всегда составляет половину общего вторичного напряжения за вычетом падения напряжения на диоде.

Двухполупериодные выпрямители

Мостовой двухполупериодный выпрямитель

• Мостовой выпрямитель использует четыре диода, подключенных, как показано на рис. 15.

Рис. 15: Мостовой выпрямитель

• смещены в прямом направлении и проводят ток. На RL возникает напряжение, похожее на положительную половину входного цикла. В это время диоды Д ₃ и Д ₄ смещены в обратном направлении.

• Во время отрицательного полупериода входа D ₃ и D ₄ смещены в прямом направлении и проводят ток. D ₁ и D ₂ имеют обратное смещение. В результате этого действия на R _L появляется двухполупериодное выпрямленное выходное напряжение.

Выходное напряжение моста

• Два диода всегда включены последовательно с нагрузочным резистором как во время положительного, так и отрицательного полупериода. С учетом падения напряжения на диоде выходное напряжение равно

Пиковое обратное напряжение

• Поскольку выходное напряжение идеально равно вторичному напряжению,

• Если включены падения напряжения на диодах с прямым смещением, пиковое обратное напряжение на каждом диоде с обратным смещением, выраженное в В _{p( out)} равно

• Если падением напряжения на диоде пренебречь, для мостового выпрямителя требуются диоды с номиналом PIV вдвое меньше, чем в выпрямителе с отводом от середины для того же выходного напряжения.

Диодные ограничители и фиксаторы

Диодные ограничители

• Диодные схемы, называемые ограничителями или ограничителями, иногда используются для отсекания частей напряжения сигнала выше или ниже определенных уровней.

• На рис. 16 показан диодный положительный ограничитель, который ограничивает или отсекает положительную часть входного напряжения.

Рис. 16. Ограничитель положительного диода

• Когда входное напряжение становится положительным, диод смещается в прямом направлении и проводит ток. Точка A ограничивается значением +0,7 В, когда входное напряжение превышает это значение.

• Когда V _в снова становится ниже 0,7 В, диод смещается в обратном направлении. V _out выглядит как отрицательная часть V _в , с величиной, определяемой делителем напряжения, образованным R ₁ и R _L :

• Если диод перевернуть, отрицательный часть входного напряжения отсекается. Когда V _в превышает -0,7 В, диод больше не смещен в прямом направлении; и на R 9 появляется напряжение0245 L пропорционально V _в .

Ограничители со смещением

• Уровень, до которого ограничивается переменное напряжение, можно отрегулировать путем добавления напряжения смещения V _BIAS последовательно с диодом. Напряжение в точке A должно равняться V _BIAS + 0,7 В, прежде чем диод станет смещенным в прямом направлении и начнет проводить ток.

• Как только диод начинает проводить ток, напряжение в точке A ограничивается значением В _BIAS + 0,7 В, чтобы все входное напряжение выше этого уровня отсекалось.

• Чтобы ограничить напряжение до указанного отрицательного уровня, диод и напряжение смещения должны быть подключены, как показано ниже. В этом случае напряжение в точке A должно упасть ниже -V _BIAS — 0,7 В, чтобы сместить диод в прямом направлении и инициировать действие ограничения.

Смещение делителя напряжения

Рис. 17. Диодные ограничители со смещением делителя напряжения

Диодные ограничители и фиксаторы

Диодные фиксаторы

Рис. 18. Работа положительного фиксатора

• Когда входное напряжение изначально становится отрицательным, диод смещается в прямом направлении, позволяя конденсатору заряжаться почти до пикового значения входного напряжения.

• Сразу после отрицательного пика диод смещен в обратном направлении, поскольку катод удерживается около В _p(in) -0,7 В за счет заряда конденсатора.

• Конденсатор может разряжаться только через высокое сопротивление R _л . Таким образом, от пика одного отрицательного полупериода до следующего конденсатор разряжается очень мало. Сумма, которая сбрасывается, зависит от стоимости R _L .

• Если диод перевернуть, отрицательное постоянное напряжение добавляется к входному напряжению для получения выходного напряжения, как показано на рис. 19.

Рис. заключается в том, что конденсатор сохраняет заряд, приблизительно равный пиковому значению входа за вычетом падения напряжения на диоде.

Стабилитроны

Рис. 20: Стабилитрон и условное обозначение

Работа стабилитрона

• Стабилитроны действуют как обычные диоды при прямом смещении.

• Когда обратное напряжение становится равным номинальному напряжению Зенера, стабилитроны предназначены для того, чтобы пропускать ток в обратном направлении.