Діод. Світлодіод. Стабілітрон

Намагатимуся пояснити роботу з діодами, світлодіодами, а також стабілітронами на пальцях. Досвідчені електронники можуть пропустити статтю, оскільки нічого нового для себе не виявлять. Не вдаватимуся в теорію електронно-діркової провідності pn-переходу. Я вважаю, що такий підхід навчання лише заплутає початківців. Це гола теорія, що майже не має відношення до практики. Втім, теорією, що цікавиться, пропоную цю статтю. Всім бажаючим ласкаво просимо під кат.

Це друга стаття із циклу електроніки. Рекомендую до прочитання також першу, яка розповідає про те, що таке електричний струм та напруга.

Діод – напівпровідниковий прилад, що має 2 висновки для підключення. Виготовляється, спрощено кажучи, шляхом з'єднання 2х напівпровідників з різним типом домішки, їх називають донорною та акцепторною, n та p відповідно, тому діод містить усередині pn-перехід. Висновки, які зазвичай складаються з лудженої міді, називають анод (А) і катод (К). Ці терміни пішли ще з часів електронних ламп і використовуються письмово, для позначення спрямованості діода. Набагато простіше графічне позначення. Назви висновків діода запам'ятаються самі собою при застосуванні практично.

Як я вже писав, ми не будемо використовувати теорію електронно-діркової провідності діода. Просто інкапсулюємо цю теорію до чорного ящика із двома затискачами для підключення. Приблизно так само програмісти інкапсулюють роботу зі сторонніми бібліотеками, не вдаючись до е... подробиці їхньої роботи. Або, наприклад, коли, користуючись пилососом, ми не вдається в подробиці, як він влаштований усередині, він просто працює і нам важлива одна з властивостей пилососа - смоктати пил.

Розглянемо властивості діода, найбільш очевидні:

• Від анода до катода, такий напрямок називається прямим, діод пропускає струм.
• Від катода до анода, у напрямку, діод струм не пропускає. (Взагалі ні. Але про це пізніше.)
• При протіканні струму в прямому напрямку на діоді падає деяка напруга.

Можливо, ці властивості вам і так добре відомі. Але є певні доповнення. Що ж вважати прямим, а що зворотним напрямом? Прямим називають таке включення, коли на аноді напруга більша, ніж на катоді. Назад, навпаки. Пряме та зворотне включення – це умовність. У реальних схемах напруга на тому самому діоді може змінюватися з прямого на зворотне і навпаки.

Кремнієвий діод починає пропускати хоч якийсь значний струм тільки тоді, коли на аноді напруга буде більшою приблизно на 0,65 В, ніж на катоді. Ні, не так. При протіканні будь-якого струму, на діоді утворюється падіння напруги, що дорівнює 0,65 В і вище.

Напруга 0,65 – називають прямим падінням напруги на pn-переході. Це лише приблизна середня величина, вона залежить від струму, температури кристала та технології виготовлення діода. При зміні струму, що протікає, вона змінюється нелінійно. Щоб позначити цю нелінійність графічно, виробники знімають вольтамперні характеристики діода. У потужних високовольтних діодах падіння напруги може бути більше 2, 3 і т.д. рази. Це означає, що всередині діода включено кілька pn-переходів послідовно.

Для визначення падіння напруги можна використовувати вольтамперну характеристику (ВАХ) діода як графіка. Іноді ці графіки наводяться в дата-листах (datasheets) на реальні моделі діода, але частіше їх немає. На першому графіку, що мені попався, нижче наведені ВАХ КД243А, хоча це не важливо, вони всі приблизно схожі.

На графіку Uпр – це пряме падіння напруги на діоді. Iпр - струм, що протікає через діод. Графік показує, яке падіння напруги на діоді буде, при протіканні n-го струму. Але найчастіше в даталістах не показуються реальні ВАХ, а наводиться пряме падіння напруги, вказане за певного струму. У англійській літературі падіння напруги позначається як forward voltage.

Як застосовувати

Падіння напруги на діоді – для нас погана характеристика, оскільки ця напруга не робить корисної роботи та розсіюється у вигляді тепла на корпусі діода. Чим менше падіння, тим краще. Зазвичай падіння напруги на діоді визначають виходячи із струму, що протікає через діод. Наприклад, увімкнемо діод послідовно з навантаженням. По суті, це буде захист схеми від переплюсування, на випадок, якщо блок живлення від'єднується. На малюнку нижче в якості схеми, що захищається, взятий резистор 47 Ом, хоча в реальності це може бути все, що завгодно, наприклад, ділянка великої схеми. Як блок живлення - батарея на 12 В.

Допустимо, навантаження без діода споживає 255 мА. У разі це можна вважати за законом Ома: I= U / R = 12 / 47 = 0,255 А чи 255 мА. Хоча зазвичай споживання сферичної схеми у вакуумі вже відомо, хоча б за максимальними характеристиками блоку живлення. Знайдемо на графіку ВАХ, зазначений вище, падіння напруги для діода КД243А при 0,255 А струму, що протікає, при 25 градусах. Воно дорівнює приблизно 0,75 Ст. Ці 0,75 В впадуть на діоді, і для живлення схеми залишиться 12 - 0,75 = 11,25 - іноді може і не вистачить.Як бонус, можна знайти потужність, у вигляді тепла і втрат, що виділяється на діоді за формулою P = I * U = 0,75 * 0,255 = 0,19 Вт, де I і U - струм через діод і падіння напруги на діоді.

Що робити, коли графік ВАХ недоступний? Наприклад, для популярного діода 1n4007 вказано тільки пряму напругу forward voltage 1 при струмі 1 А. Потрібно і використовувати це значення, або виміряти реальне падіння. А якщо для якогось діода це значення не вказано, то зійде середнє 0,65 В. Насправді простіше це падіння напруги виміряти вольтметром у схемі, ніж вишукувати в графіках. Думаю, не треба пояснювати, що вольтметр повинен бути включений на постійну напругу, якщо через діод тече постійний струм, а щупи мають стосуватися анода та катода діода.

Трохи про інші характеристики

У попередньому прикладі, якщо перевернути батарейку, я маю на увазі змінити полярність, див. нижній малюнок, струм не потече і падіння напруги на діоді в гіршому випадку становитиме 12 В - напруга батареї. Головне, щоб ця напруга не перевищувала напругу пробою нашого діода, вона ж зворотна напруга, вона ж breakdown voltage. А також важлива ще одна умова: струм у прямому напрямку через діод не перевищував номінальний струм діода, він же за поточним. Це два основні параметри, за якими вибирається діод: прямий струм і зворотна напруга.

Іноді в даталістах також вказується потужність діодом, що розсіюється, або номінальна потужність (power dissipation). Якщо вона вказана, її не можна перевищувати. Як її порахувати, ми вже розібралися на попередньому прикладі. Але якщо потужність не вказана, то треба орієнтуватися по струму.

Кажуть, що у зворотному напрямку струм через діод не тече, чи майже не потече. Насправді через нього протікає струм витоку, reverse current в англійській літературі.Цей струм дуже маленький, від кількох наноампер у малопотужних діодів до кількох сотень мікроампер, у потужних. Також цей струм залежить від температури та доданої напруги. У більшості випадків струм витоку не відіграє ніякої ролі, наприклад, як у попередньому прикладі, але, коли ви будете працювати з наноамперами і поставите який-небудь захисний діод на вході операційного підсилювача, тоді може статися ой ... Схема поведеться зовсім не так, як замислювалася.

У діодів також є деяка маленька паразитна ємність capacitance. Тобто, по суті, це конденсатор, що паралельно включений з діодом. Цю ємність треба враховувати при швидких процесах під час роботи діода у схемі з десятками-сотнями мегагерц.

Також кілька слів щодо терміна «номінал». Зазвичай номінальний струм і напруга позначають, що при перевищенні цих параметрів виробник не гарантує роботу виробу, якщо не сказано інше. І це для всіх електронних компонентів, а не лише для діода.

Що ще можна зробити

Застосування діодів існує безліч. Розробники-радіоелектронники зазвичай вигадують свої схеми зі шматочків інших схем, так званих будівельних цеглинок. Ось кілька варіантів.

Наприклад, схема захисту цифрових або аналогових входів від перенапруги:

Діоди в цій схемі за нормальної роботи не пропускають струм. Тільки струм витоку. Але коли на вході виникає перенапруга з позитивною напівхвильою, тобто. напруга входу стає більшою ніж Uпит плюс пряме падіння напруги на діоді, то верхній діод відкривається і вхід замикається на шину живлення. Якщо виникає негативна напівхвиля напруги, відкривається нижній діод і вхід замикається на землю. У цій схемі, до речі, що менше витоку і ємність у діодів, то краще.Такі схеми захисту вже зазвичай стоять у всіх сучасних цифрових мікросхемах всередині кристала. А зовнішніми потужними збираннями TVS-діодів захищають, наприклад, USB порти на материнських платах.

Також із діодів можна зібрати випрямляч. Це дуже поширений тип схем і навряд чи хтось із читачів про них не чув. Випрямлячі бувають однонапівперіодні, двонапівперіодні та мостові. З однополуперіодним випрямлячем ми вже познайомилися в нашому першому багатостраждальному прикладі, коли розглядали захист від переплюсування. Ніяких особливих плюсів не має, крім плюсу на батарейці. Один із найважливіших мінусів, який обмежує застосування схеми однонапівперіодного випрямляча на практиці: схема працює тільки з позитивною напівхвильовою напругою. Негативна напруга геть-чисто відсікає і струм при цьому не тече. «Ну й що?», скажете ви, «Такий потужності мені буде достатньо!». Але ні, якщо такий випрямляч стоїть після трансформатора, то струм протікатиме лише в один бік через обмотки трансформатора і, таким чином, трансформаторне залізо додатково підмагнічуватиметься. Трансформатор може увійти в насичення і грітися набагато більше, ніж потрібно.

Двонапівперіодні випрямлячі цього недоліку позбавлені, але їм необхідний середній висновок обмотки трансформатора. Тут за позитивної полярності змінної напруги відкритий верхній діод, а за негативної – нижній. ККД трансформатора використовується не повністю.

Мостові схеми позбавлені обох вад. Але тепер на шляху струму включені два діоди в будь-який момент часу: прямий і зворотний діод. Падіння напруги на діодах подвоюється і не 0,65-1В, а середньому 1,3-2В. З урахуванням цього падіння вважається випрямлена напруга.

Наприклад, нам треба отримати 18 вольт випрямленої напруги, який трансформатор для цього вибрати? 18 вольт плюс падіння на діодах, візьмемо середнє 1,4 В, дорівнює 19,4 В. Ми знаємо з попередньої статті, що амплітудне значення змінної напруги в корінь з 2 разів більше за його діюче значення. Тому у вторинному ланцюзі трансформатора змінна діюча напруга дорівнює 19,4/1,41 = 13,75В. З урахуванням того, що напруга в мережі може гуляти на 10%, а також під навантаженням напруга трохи просяде, виберемо трансформатор 230/15 Ст.

Потужність необхідного нам трансформатора можна вважати від струму навантаження. Наприклад, ми збираємось підключати до трансформатора навантаження в один ампер. Це якщо із запасом. Завжди залишайте невеликий запас у 20-40%. Просто за формулою потужності можна знайти P = U * I = 15 * 1 = 15 ВА, де U та I - напруга і струм вторинної обмотки. Якщо вторинних обмоток кілька, їх потужності складаються. Плюс втрати на трансформацію плюс запас, тому виберемо трансформатор 20-40 ВА. Хоча часто трансформатори продаються із зазначенням струму вторинних обмоток, але перевірити габаритну потужність не завадить.

Після випрямляючого мосту необхідний конденсатор, що згладжує, на малюнку не показаний. Не забувайте про нього! Є розумні формули для розрахунку цього конденсатора в залежності від кількості пульсацій, але порекомендую таке правило: ставити конденсатор 10000мкФ на один ампер споживання струму. Вольтаж конденсатора не менше, ніж випрямлене без навантаження напруга. У цьому прикладі можна взяти конденсатор з номіналом 25В.

Діоди в цій схемі виберемо на струм >=1А і зворотну напругу, із запасом, більше 19,4, наприклад, 50-1000 В.Можна застосувати діоди Шоттки. Це ті ж діоди, тільки з дуже маленьким падінням напруги, яке часто становить десятки мілівольт. надхмарна, а плюси вже не такі очевидні.

Світлодіод

Усередині влаштований зовсім інакше, ніж діод, але має ті самі властивості.

Все відмінність від діода в деяких характеристиках. Найважливіше - пряме падіння напруги. і закінчуючи білим або синім світлодіодом, падіння у яких близько 3,5 В. Втім, у невидимого спектра ці значення ширше.

По суті падіння напруги тут - мінімальна напруга запалення діода. При меншій напрузі, у джерела живлення, струму не буде і діод просто не загориться. паралельних складання діодів.

Але зараз поговоримо про індикаторні світлодіоди, як найбільш простих.

Будь-який діод світиться залежно від струму, що протікає. По суті це струмовий пристрій виходить автоматично. треба дивитися документацію.

Застосування світлодіоду

Маючи лише відповідний резистор, можна задати потрібний струм через діод. Звичайно, знадобиться ще й блок живлення постійної напруги, наприклад, батарейка 4,5 або будь-який інший БП.

Наприклад, поставимо струм 1мА через червоний світлодіод з падінням напруги 1,8 В.

На схемі показано вузлові потенціали, тобто. напруги щодо нуля. В якому напрямку включати світлодіод нам підкаже найкраще мультиметр в режимі продзвонювання, оскільки іноді трапляються геть-чисто китайські світлодіоди з переплутаними ногами. При торканні щупів мультиметра, у правильному напрямку, світлодіод повинен слабко світитися.

Оскільки застосовано червоний світлодіод, то на резисторі впаде 4,5 - 1,8 = 2,7В. Це відомо з другого закону Кірхгофа: сума падінь напруги на послідовних ділянках схеми дорівнює ЕРС батарейки, тобто. 2,7+1,8=4,5В. Щоб обмежити струм в 1мА, резистор за законом Ома повинен мати опір R = U / I = 2,7 / 0,001 = 2700 Ом, де U і I - напруга на резистори і необхідний нам струм. Не забуваємо переводити величини в одиниці СІ, в ампери та вольти. Оскільки номінали опорів стандартизовані, що випускаються, виберемо найближчий стандартний номінал 3,3кОм. Звичайно, при цьому струм зміниться і його можна перерахувати за законом Ома I = U/R. Але найчастіше це не є принциповим.

У цьому прикладі струм, що віддається батарейкою, малий, так що внутрішнім опором батареї можна знехтувати.

З освітлювальними світлодіодами все те саме, тільки струми і напруги вищі. Але іноді їм уже не потрібний резистор, треба дивитися документацію.

Щось ще про світлодіод

По суті, світити це основне призначення світлодіода. Але є й інше застосування.Наприклад, світлодіод може виступати як джерело опорної напруги. Вони необхідні, наприклад, щоб отримати джерела струму. Як джерела опорної напруги, як менш галасливі, застосовують червоні світлодіоди. Їх включають до схеми так само, як і в попередньому прикладі. Оскільки напруга батареї відносно постійна, струм через резистор та світлодіод теж постійний, тому падіння напруги залишається постійним. Від анода світлодіода, де 1,8В, робиться відвід і використовується ця опорна напруга в інших ділянках схеми.

Для більш надійної стабілізації струму на світлодіоді, при пульсуючій напрузі джерела живлення, замість резистора в схему ставлять джерело струму. Але джерела струму та джерела опорної напруги – це тема ще однієї статті. Можливо, колись я її напишу.

Стабілітрон

В англійській літературі стабілітрон називається Zener diode. Все те саме, що і діод, у прямому включенні. Але зараз поговоримо лише про зворотне включення. У зворотному включенні під впливом певної напруги на стабілітроні виникає оборотний пробій, тобто. починає текти струм. Цей пробій повністю штатний та робочий режим стабілітрона, на відміну від діода, де при досягненні номінальної зворотної напруги діод просто виходив з ладу. При цьому струм через стабілітрон в режимі пробою може змінюватися, а падіння напруги на стабілітроні залишається практично незмінним.

Що це нам дає? По суті, це малопотужний стабілізатор напруги. Стабілітрон має ті ж характеристики, що і діод, плюс додається так само напруга стабілізації Uст або nominal zener voltage. Воно вказується за певного струму стабілізації Iст або test current.Також у документації на стабілітрони вказуються мінімальний та максимальний струм стабілізації. При зміні струму від мінімального до максимального напруга стабілізації дещо плаває, але незначно. Див. вольт-амперні характеристики.

Робоча зона стабілітрона позначена зеленим кольором. На малюнку видно, що напруга на робочій зоні практично незмінна при широкому діапазоні зміни струму через стабілітрон.

Щоб вийти на робочу зону, нам треба встановити струм стабілітрону між [Іст. min - Іст. max] за допомогою резистора точно так, як це робилося в прикладі зі світлодіодом (до речі, можна також за допомогою джерела струму). Тільки, на відміну від світлодіода, стабілітрон включений у зворотному напрямку.

При меншому струмі, ніж Iст. min стабілітрон не відкриється, а при більшому, ніж Iст. max - виникне незворотний тепловий пробій, тобто. стабілітрон просто згорить.

Розрахунок стабілітрона

Розглянемо з прикладу нашого розрахованого трансформаторного БП. У нас є блок живлення, що видає мінімум 18 В (по суті там більше, через трансформатор 230/15 В, краще міряти в реальній схемі, але суть зараз не в цьому) здатний віддавати струм 1 А. Потрібно запитати навантаження з максимальним споживанням 50 мА стабілізованою напругою 15 В (наприклад, нехай це буде абстрактний операційний підсилювач - ОУ, у них приблизно таке споживання).

Таке слабке навантаження вибрано недарма. Стабілітрони досить малопотужні стабілізатори. Вони повинні проектуватися так, щоб через них міг проходити без перегріву весь струм навантаження плюс мінімальний струм стабілізації Iст. min. Це необхідно, тому що струм після резистора R1 ділиться між стабілітроном та навантаженням.У навантаженні струм може бути непостійним, або навантаження може вимикатися зі схеми зовсім. Насправді це паралельний стабілізатор, тобто. весь струм, який не піде в навантаження, прийме він стабілітрон. Це як перший закон Кірхгофа I = I1 + I2, тільки тут I = Iнагр + Iст. min.

Отже, виберемо стабілітрон з напругою стабілізації 15 В. Для встановлення струму через стабілітрон завжди необхідний резистор (або джерело струму). На резистори R1 впаде 18 - 15 = 3 В. Через резистор R1 протікатиме струм Iнагр. + Іст. min. Приймемо Iст. min = 5 мА, це приблизно достатній струм для всіх стабілітронів з напругою стабілізації до 100 В. Вище 100 можна приймати 1мА і менше. Можна взяти Iст. min і більше, але це буде марно гріти стабілітрон.

Отже, через R1 тече Ir1 = Iнагр. + Іст. min = 50 + 5 = 55 мА. За законом Ома знаходимо опір R1 = U / I = 3 / 0,055 = 54,5 Ом, де U та I – напруга на резистори і струм через резистор. Виберемо з найближчого стандартного ряду опір 47 Ом, трохи більше струм через стабілітрон, але нічого страшного. Його навіть можна порахувати, загальний струм: Ir1 = U / R = 3 / 47 = 0,063А, далі мінімальний струм стабілітрону: 63 - 50 = 13 мА. Потужність резистора R1: P = U * I = 3 * 0,063 = 0,189 Вт. Виберемо стандартний резистор на 0,5 Вт. Раджу, до речі, не перевищувати потужність резисторів приблизно Pmax/2, що довше проживуть.

На стабілітроні теж розсіюється потужність у вигляді тепла, при цьому в найгіршому випадку вона дорівнюватиме P = Uст * (Інагр + Iст.) = 15 * (0,050 + 0,013) = 0,945 Вт. Стабілітрони випускають на різну потужність, найближча 1Вт, але тоді температура корпусу при споживанні близько 1Вт буде десь 125 градусів, краще взяти із запасом, на 3 Вт. Стабілітрони випускають на 0,25, 0,5, 1, 3, 5 Вт і т.д.

Перший запит у гугле «стабілітрон 3Вт 15В» видав 1N5929BG. Далі шукаємо "datasheet 1N5929BG". За даташитом у нього мінімальний струм стабілізації 0,25 мА, що менше 13 мА, а максимальний струм 100 мА, що більше 63 мА, тобто. вкладається у його робочий режим, тому він підходить.

Загалом це весь розрахунок. Так, стабілізатор це неідеальний, внутрішній опір у нього не нульовий, але він простий і дешевий і працює гарантовано у вказаному діапазоні струмів. А оскільки це паралельний стабілізатор, то струм блоку живлення буде постійним. Більш потужні стабілізатори можна отримати, умощнивши стабілітрон транзистором, але це вже тема наступної статті про транзистори.

Перевірити стабілітрон на пробій звичайним мультиметром, як правило, не можна. При більш-менш високовольтному стабілітроні просто не вистачить напруги на щупах. Єдине, що вдасться зробити, це продзвонити його на наявність звичайної діодної провідності у прямому напрямку. Але це опосередковано гарантує працездатність приладу.

Ще стабілітрони можна використовувати як джерела опорної напруги, але вони галасливі. Для цих цілей випускають спеціальні малошумливі стабілітрони, але їхня ціна в моєму розумінні зашкалює за шматочок кремнію, краще трохи додати і купити інтегральне джерело з кращими параметрами.

Також існує багато напівпровідникових приладів, схожих на діод: тиристор (керований діод), симистор (симетричний тиристор), диністор (відкривається імпульсно тільки після досягнення певної напруги), варикап (зі змінною ємністю), щось ще. Перші вам знадобляться в силовій електроніці під час будівництва керованих випрямлячів або регуляторів активного навантаження. А з останніми я вже років 10 не стикався, тож залишаю цю тему для самостійного читання у вікі, хоч би про тиристор.