Диод как подключить: Правильные схемы подключения светодиода

Как подключить светодиод параллельно, последовательно: схемы, описания, нюансы

Светодиоды (они же led) на протяжении многих лет активно применяются как в производстве телевизоров, так и в качестве основного освещения дома или квартиры, однако вопрос о том, как правильно выполнить подключение светодиодов актуален и по сей день.

На сегодняшний день их существует огромное количество, различной мощности (сверхяркие Пиранья), работающих от постоянного напряжения, которые можно подключать тремя способами:

1. Параллельно.
2. Последовательно.
3. Комбинированно.

Также существуют специально разработанные схемы, позволяющие подключить светодиод к стационарной бытовой сети 220В. Давайте рассмотрим более детально все варианты подключения led, их преимущества и недостатки, а также как это выполнить своими руками.

Содержание

1. Основные принципы подключения
2. Как определить полярность?
3. Способы подключения
4. Подключение светодиодов к напряжению 220В
5. Подключение светодиодов к сети 12В
6. Последовательное подключение
7. Недостатки последовательного подключения
8. Параллельное подключение
9. Недостатки параллельного подключения:
10. Смешанное подключение
11. Как подключить мощный светодиод?
12. Ошибки при подключении
13. Видео

Основные принципы подключения

Как было сказано ранее, конструкция светоизлучающего диода подразумевает их подключение исключительно к источнику постоянного тока. Однако, поскольку рабочая часть светодиода – это полупроводниковый кристалл кремния, то очень важно соблюдать полярность, в противном случае светодиод не будет излучать световой поток.

Каждый светодиод имеет техническую документацию, в которой содержатся инструкции и указания по правильному подключению. Если документации нет, можно посмотреть маркировку светодиода. Маркировка поможет узнать производителя, а зная производителя, Вы сможете найти нужный даташит, в котором и содержится информация по подключению. Вот, такой не хитрый совет.

Как определить полярность?

Для решения вопроса существует всего 3 способа:

1. Конструктивно. Согласно нормам, принятым во всем мире, на обычном светодиоде (не SMD типа), длинная ножка всегда является «+» или же анодом. Для работы светодиода на него должна подаваться положительная полуволна. А короткая – катодом. 
2. С помощью мультиметра. Для проверки необходимо переключатель прибора поставить в режим «Прозвонка» и установить красный щуп мультиметра на анод, а черный – на катод. В результате светодиод должен засветиться. Если этого не произошло, необходимо поменять полярность (черный на анод, а красный на катод). Если результат не меняется, тогда led вышел из строя (для установления более точного диагноза, читайте как проверить светодиод). 
3. Визуально. Если присмотреться к светодиоду, то можно увидеть 2 кончика возле кристалла. Тот, который больше – катод, тот, что меньше – анод. 

С полярностью разобрались, теперь нам нужно определиться с тем, как подключить LED к сети. Для тех, кто не понял, читайте подробную и интересную статью определения полярности у светодиода. В ней мы собрали все возможные способы проверки, и даже при помощи батарейки.

Способы подключения

Условно, подключение происходит по 2 способам:

1. К стационарной сети промышленной частоты (50Гц) напряжением 220В;
2. К сети с безопасным напряжением величиной 12В.

Если необходимо подключить несколько led к одному источнику питания, тогда нужно выбрать последовательное или параллельное подключение.

Рассмотрим каждый из вышеприведенных примеров по отдельности.

Подключение светодиодов к напряжению 220В

Первое, что нужно знать при подключении к сети 220В, — для номинального свечения через светодиод должен проходить ток в 20мА, а падение напряжения на нем не должно превышать 2,2-3В. Исходя из этого, необходимо рассчитать номинал токоограничивающего резистора по следующей формуле:

в которой 0,75 – коэффициент надежности led, U пит – это напряжения источника питания, U пад – напряжение, которое падает на светоизлучающем диоде и создает световой поток, I – номинальный ток, проходящий через него, и R – номинал сопротивления для регулирования проходящего тока. После соответствующих вычислений, номинал сопротивления должен соответствовать 30 кОм.

Однако не стоит забывать, что на сопротивлении будет выделятся большое количество тепла за счет падения напряжения. По этой причине дополнительно необходимо рассчитать мощность этого резистора по формуле:

Для нашего случая U – это будет разность напряжения питающей сети и напряжения падения на светодиоде. После соответствующих вычислений, для подключения одного led мощность сопротивления должна равняться 2Вт.

После определения номинала и мощности сопротивления можно собрать схему для подключения одного светодиода к 220В. Для ее надежной работы необходимо ставить дополнительный диод, который будет защищать светоизлучающий диод от пробоя, при возникновении амплитудного напряжения на выводах светодиода в 315В (220*√2).

Схема практически не применяется, поскольку в ней возникают очень большие потери из-за выделения тепла в сопротивлении. Рассмотрим более эффективную схему подключения к 220 В:

На схеме, как видим, установлен обратный диод VD1, пропускающий обе полуволны на конденсатор C1 емкостью 220 нФ, на котором происходит падение напряжение до необходимого номинала.

Сопротивление R1 номиналом 240 кОм, разряжает конденсатор при выключенной сети, а во время работы схемы не играет никакой роли.

Но это упрощенная модель для подключения LED, в большинстве светодиодных ламп уже встроенный драйвер (схема), который преобразует переменное напряжение 220В в постоянное с величиной 5-24В для их надежной работы. Схему драйвера Вы можете видеть на следующем фото:

Подключение светодиодов к сети 12В

12 вольт – это безопасное напряжение, которое применяется в особо опасных помещениях. Именно к таким и относятся ванные комнаты, бани, смотровые ямы, подземные сооружения и другие помещения.

Для подключения к источнику постоянного напряжения номиналом 12В, аналогично, подключению к сетям 220В необходимо гасящее сопротивление. В противном случае, если подключить его напрямую к источнику, из-за большего проходящего тока светодиод мгновенно сгорит.

Номинал этого сопротивления и его мощность рассчитываются по тем же формулам:

В отличии от цепей 220В, для подключения одного светодиода к сети 12В нам потребуется сопротивление со следующими характеристиками:

• R = 1,3 кОм;
• P = 0,125Вт.

Еще одним достоинством напряжения 12В, является то, что в большинстве случаев оно уже выпрямленное (постоянное), что значительно упрощает схему подключения.

Рекомендуется дополнительно монтировать стабилизатор напряжения типа КРЭН или аналога.

Как мы уже знаем, светоизлучающий диод можно подключить как к цепям 12В, так и к цепям 220В, однако существует и несколько вариаций их соединения между собой:

• Последовательное.
• Параллельное.

Последовательное подключение

При последовательном соединении через токоограничивающий резистор в одну цепочку собираются несколько светодиодов, причем катод предыдущего припаивается к аноду последующего:

В схеме, по всем светодиодам будет проходить один ток (20мА), а уровень напряжения будет состоять из сумм падения напряжения на каждом. Это означает, используя данную схему подключения, нельзя включить в цепь любое количество светодиодов, т.к. оно ограничено падением напряжения.

Падение напряжения – это уровень напряжения, которое светоизлучающий диод преобразует в световую энергию (свечение).

Например, в схеме падение напряжения на одном светодиоде составит 3 Вольта. Всего в схеме 3 светодиода. Источник питания 12В. Считаем, 3 Вольта * 3 led = 9 В — падение напряжения.

После несложных расчетов, мы видим, что не сможем включить в схему параллельного подключения более 4 светодиодов (3*4=12В), запитывая их от обычного автомобильного аккумулятора (или другого источника с напряжением 12В).

Если захотим последовательно подключить большее количество LEd, то понадобится источник питания с большим номиналом.

Данная схема довольно часто встречалась в елочных гирляндах, однако из-за одного существенного недостатка в современных светодиодных гирляндах применяют смешанное подключение. Что за недостаток, разберем ниже.

Недостатки последовательного подключения

1. При выходе из строя хотя бы одного элемента, не рабочей становится вся схема;
2. Для питания большого количества led нужен источник с высоким напряжением.

Параллельное подключение

В данной ситуации все происходит наоборот. На каждом светодиоде уровень напряжения одинаковый, а сила тока состоит из суммы токов, проходящих через них.

 

Следуя из вышесказанного делаем вывод, если у нас есть источник в 12В и 10 светодиодов, блок питания должен выдерживать нагрузку в 0,2А (10*0,002).

Исходя из вышеупомянутых расчетов — для параллельного подключения потребуется токоограничивающий резистор с номиналом 2,4 Ом (12*0,2).

Это глубокое заблуждение!!! Почему? Ответ Вы найдете ниже

Характеристики каждого светодиода даже одной серии и партии всегда разные. Если другими словами: чтобы засветился один, необходимо пропустить через него ток с номиналом 20 мА, а для другого этот номинал может составлять уже 25 мА.

Таким образом, если в схеме установить только одно сопротивление, номинал которого был рассчитан ранее, через светодиоды будет проходить разный ток, что вызовет перегрев и выход из строя светодиодов, рассчитанных на номинал в 18мА, а более мощные будут светить всего на 70% от номинала.

Исходя из вышесказанного, стоит понимать, что при параллельном подключении, необходимо устанавливать отдельное сопротивление для каждого.

Недостатки параллельного подключения:

1. Большое количество элементов;
2. При выходе одного диода из строя увеличивается нагрузка на остальные.

Смешанное подключение

Подобный способ подключения является самым оптимальным. По такому принципу собраны все светодиодные ленты. Он подразумевает комбинацию параллельного и последовательного подключения. Как он выполняется можно увидеть на фото:

Схема подразумевает включение параллельно не отдельных светодиодов, а последовательных цепочек из них. В результате этого даже при выходе из строя одной или нескольких цепочек, светодиодная гирлянда или лента будут по-прежнему одинаково светить.

Мы рассмотрели основные способы подключения простых светодиодов. Теперь разберем методы соединения мощных светодиодов, и с какими проблемами можно столкнуться при неправильном подключении.

Как подключить мощный светодиод?

Для работоспособности мощных светоизлучающих диодов, так же, как и простых нам потребуется источник питания. Однако в отличии от предыдущего варианта, он должен быть на порядок мощней.

Чтобы засветить мощный светодиод номиналом 1W, источник питания должен выдерживать не менее 350 мА нагрузки. Если номинал 5W, то источник питания постоянного тока должен выдержать нагрузку тока не менее 1,4А.

Для корректной работы мощного светодиода обязательно необходимо использовать интегральный стабилизатор напряжения типа LM, который защищает его от скачков напряжения.

Если необходимо подключить не один, а несколько мощных LED, рекомендуем ознакомиться с правилами последовательного и параллельного подключения, которые были описаны выше.

Ошибки при подключении

1. Прямое подключение к источнику питания. В данном случае светодиод моментально сгорит, поскольку отсутствует ограничивающий ток резистор.
2. Параллельное подключение через один резистор. Светодиоды постепенно будут выходить из строя, поскольку рабочий ток у каждого разный.
3. Последовательное подключение с различным током потребления. При такой схеме подключения есть 2 варианта: либо просто одни будут светить тусклее других, либо те, что рассчитаны на меньший ток – сгорят.
4. Неправильно подобранный ограничивающий резистор. При неправильно подобранном сопротивлении через светодиоды будет проходить большой ток, в результате чего, они будут перегреваться и со временем перегорят. При большом сопротивлении они будут светить не в полную силу.
5. Подключение к сети переменного напряжения номиналом 220В без диода или других компонентов защиты. Если при подключении с сети 220В, если не установить дополнительный диод, то на светодиоде возникнет амплитудное значение напряжения в 315В, которое моментально выведет его из строя.

Видео

Ошибки подключения могут повлечь за собой неприятные последствия, от банальной поломки светодиодов, до нанесения себе повреждений. Поэтому, настоятельно рекомендуем посмотреть видео, где разбирают часто встречающиеся ошибки.

Заключение

Прочитав статью можно сделать вывод, что все светодиоды, вне зависимости от рабочего напряжения, всегда подключаются параллельно или последовательно — школьный курс физики. Еще стоит помнить, что никакой светодиод не подключается напрямую в сеть 220В, всегда нужно использовать защитные элементы в схеме подключения. Тип применяемых защитных элементов зависит от вида подключаемого светоизлучающего диода.

Схема подключения светодиода

Введение

Использование светодиодов для освещения и индикации — это надежное и экономичное решение. Светодиоды имеют очень высокий КПД, надежны, экономичны, безопасны, долговечны в сравнении с лампами накаливания и люминесцентными лампами. В данной статье рассматриваются способы включения светодиодов. Описываются способы питания светодиода от компьютера.

Что такое светодиод и как он работает

Светодиод — это, во-первых, диод. И точно так же как у обычного диода, у светодиода есть два вывода (контакта питания): анод (плюс) и катод (минус). Это связано с тем, что светодиод является полупроводником, то есть, проводит электрический ток только в одну сторону (от анода к катоду), и не проводит в обратную (от катода к аноду).

Итак, для того, чтобы светодиод засветился, надо пропускать через него электрический ток в направлении от анода к катоду. Для этого следует подать на его анод положительное, а на катод — отрицательное напряжение.

Тут и начинается самое неприятное. Оказывается, что светодиод нельзя подключать к источнику питания напрямую, поскольку это приводит к немедленному сгоранию светодиода. Причина сего поведения кроется в следующем. Выражаясь простым бытовым языком, светодиод является очень жадной и неразумной личностью: получив неограниченное питание он начинает потреблять такую мощность, которую физически не способен выдержать.

Как мы все уже догадались, для нормальной работы светодиоду нужен строгий ограничитель. Именно с этой целью последовательно со светодиодом устанавливают резистор, который служит надежным ограничителем тока и мощности. Этот резистор называют ограничительным.

Какие бывают светодиоды

Во-первых, светодиоды можно разделить по цветам: красный, желтый, зеленый, голубой, фиолетовый, белый. Большинство современных светодиодов выполнено из бесцветного прозрачного пластика, поэтому невозможно определить цвет светодиода не включив его.

Во-вторых, светодиоды можно разделить по номинальному току потребления. Широко распространены модели с током потребления 10 миллиампер (мА) и 20 мА. Следует помнить, что светодиод не в состоянии контролировать потребляемый ток. Именно поэтому мы вынуждены использовать ограничительные резисторы.

В-третьих, светодиоды можно разделить по такому параметру, как падение напряжения в открытом состоянии при номинальном токе.

Несмотря на то, что про этот параметр нередко забывают — его влияние весьма и весьма значительно. Благодаря этому параметру иногда можно избавиться от ограничительного резистора.

Светодиод(ы) можно подключить к компьютеру разными способами.

Для подключения светодиодов в качестве простого освещения удобно использовать разъемы блока питания, выдающие 5 и 12 вольт. Для подключения светодиодов в качестве светомузыки удобно использовать LPT порт компьютера.

Подключение светодиодов к блоку питания

Блок питания компьютера — это замечательный источник питания для светодиода или линейки из светодиодов, поскольку он вырабатывает стабилизированное напряжение +5 вольт (В) и +12 В.

Итак, разъем имеет четыре контакта, к которым подходят четыре же провода: два из них черные — это «ноль», один красный выдает напряжение +5 вольт, и один желтый выдает +12 вольт.

Рассмотрим схему подключения одного

светодиода.

	При питании от 5 В последовательно со светодиодом необходимо включить ограничительный резистор номиналом от 100 до 200 Ом.
	При питании от 12 В последовательно со светодиодом требуется включить ограничительный резистор номиналом от 400 до 900 Ом.

Рассмотрим схему подключения двух светодиодов.

	При питании двух светодиодов от 5 вольт, в схему надо включить резистор до 100 Ом. Некоторые светодиоды в такой схеме будут светиться слишком тускло (даже без резистора).
	При питании двух светодиодов от 12 В, в схему надо включить резистор от 250 до 600 Ом.

 

Рассмотрим схему подключения трех и четырех светодиодов.

	При питании трех светодиодов от 12 В, следует использовать резистор номиналом от 100 до 250 Ом.
	Некоторые светодиоды в такой схеме включения будут светиться слишком тускло (даже без резистора).

Универсальный принцип расчета ограничительного резистора описан в статье «Методика расчета питания светодиода».

Выше приведены схемы последовательного включения светодиодов. Существуют также способы параллельного включения светодиодов. Обратите внимание, что под параллельным включением подразумевается схема в которой, когда аноды и катоды всех светодиодов непосредственно сходятся в две точки (два пучка).

Такие схемы, как правило, не экономичны и небезопасны, как для блока питания, так и для светодиодов. Кроме того, схемы параллельного включения более сложны в расчетах, требовательны к источнику питания, поэтому мы будем пользоваться ими только в особых случаях. Просто посмотрим как выглядит такая схема.

При паралельном включении светодиодов следует использовать только одинаковые светодиоды, с минимальным разбросом характеристик. Сопротивление ограничительного резистора должно быть рассчитано и подобрано с высокой степенью точности. В случае выхода из строя одного из светодиодов — остальные могут выгореть по очереди друг за другом в считанные минуты.

Рекомендую никогда не использовать эту схему включения светодиодов. Но если все же условия требуют параллельного включения то советую использовать следующий вариант.

Такая схема параллельного включения светодиодов практически избавлена от опасности последовательного выгорания светодиодов. В данном случае вместо ограничиельного резистора включено несколько обычных выпрямительных диодов разных марок (НЕ светодиодов).

Благодаря падению напряжения на этих диодах, до светодиодов доходит напряжение уже не 5 Вольт, а значительно меньше. Ограничительные диоды подбираются так, чтобы до светодиодов доходило напряжение равное их падению напряжения в открытом состоянии.

Эта схема используется используется автором для круглосуточного светодиодного освещения квартиры.

Подключение светодиодов к LPT порту

При питании светодиода от LPT порта необходимо последовательно со светодиодом можно включить резистор номиналом до 100 Ом. В большинстве случаев, при питании светодиода от LPT порта резистор бывает не нужен. LPT порт предварительно должен быть переведен в режим EPP. Подробное описание способа подключения светодиодов к LPT порту содержится в статье «LPT порт и 12 светодиодов».

 

Универсальный принцип расчета ограничительного резистора описан в статье «Универсальная методика рассчета питания светодиодов».

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, транспортирующих 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 67

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 76

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 80

Как пользоваться мультиметром

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

Избранное Любимый 64

Хотите изучить различные диоды?

Мы вас прикроем!

Комплект деталей для начинающих SparkFun

В наличии КОМПЛЕКТ-13973

18,50 $

12

Избранное Любимый 82

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 13

Список желаний

Диодный выпрямитель — 1А, 400В (1N4004)

В наличии COM-14884

Избранное Любимый 5

Список желаний

Просмотреть все диоды

---

Идеальные диоды

Основная функция идеального диода заключается в управлении направлением протекания 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, он имеет прямое смещение (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.

Ideal Diode Characteristics
Operation Mode	On (Forward biased)	Off (Reverse biased)
Current Through	I>0	I=0
Напряжение через	V = 0	V
Диод выглядит	КОРОТКА	OPEN CUPIR

СИМБОЛА

DIODE 9015. эти клеммы имеют полярность , что означает, что эти две клеммы совершенно разные. Важно не перепутать соединения на диоде. Положительный конец диода называется анодом , а отрицательный конец называется 9.0015 катод . 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:

1. 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.
2. 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.
3. 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. Как правило, кремниевый диод будет иметь V _F около 0,6-1В . 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 больших 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 9

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 13

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 больше, чем у обычного диода (1,2~3 В), и зависит от цвета, излучаемого светодиодом. Например, номинальное прямое напряжение суперярко-синего светодиода составляет около 3,3 В, а суперярко-красного светодиода того 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 11

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 35

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 мощности. 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 9

Список желаний

Диодный выпрямитель — 1А, 50В (1N4001)

В наличии COM-08589

1

Избранное Любимый 13

Список желаний

Диод Шоттки

В наличии COM-10926

1

Избранное Любимый 11

Список желаний

Набор изобретателя SparkFun — версия 3.