Обратное напряжение светодиода: обратное напряжение светодиода должно быть меньше 25 Вольт

Диод. Светодиод. Стабилитрон / Хабр

Не влезай. Убьет! (с)

Постараюсь объяснить работу с диодами, светодиодами, а также стабилитронами на пальцах. Опытные электронщики могут пропустить статью, поскольку ничего нового для себя не обнаружат. Не буду вдаваться в теорию электронно-дырочной проводимости pn-перехода. Я считаю, что такой подход обучения только запутает начинающих. Это голая теория, почти не имеющая отношения к практике. Впрочем, интересующимся теорией предлагаю эту статью. Всем желающим добро пожаловать под кат.

Это вторая статья из цикла электроники. Рекомендую к прочтению также первую, которая повествует о том, что такое электрический ток и напряжение.

Диод – полупроводниковый прибор, имеющий 2 вывода для подключения. Изготавливается, упрощенно говоря, путем соединения 2х полупроводников с разным типом примеси, их называют донорной и акцепторной, n и p соответственно, поэтому диод содержит внутри pn-переход.

Выводы, обычно состоящие из луженой меди, называют анод (А) и катод (К). Эти термины пошли еще со времен электронных ламп и используются в письменном виде, для обозначения направленности диода. Гораздо проще графическое обозначение. Названия выводов диода запомнятся сами собой при применении на практике.

Как я уже писал, мы не будем использовать теорию электронно-дырочной проводимости диода. Просто инкапсулируем эту теорию до черного ящика с двумя зажимами для подключения. Примерно так же программисты инкапсулируют работу со сторонними библиотеками, не вдаваясь в е… подробности их работы. Или, например, когда, пользуясь пылесосом, мы не вдаёмся в подробности, как он устроен внутри, он просто работает и нам важно одно из свойств пылесоса – сосать пыль.

Рассмотрим свойства диода, самые очевидные:

  • От анода к катоду, такое направление называется прямым, диод пропускает ток.
  • От катода к аноду, в обратном направлении, диод ток не пропускает.
    (Вообще-то нет. Но об этом позже.)
  • При протекании тока, в прямом направлении, на диоде падает некоторое напряжение.

Возможно эти свойства вам и так хорошо известны. Но есть некоторые дополнения. Что же считать прямым, а что обратным направлением? Прямым называют такое включение, когда на аноде напряжение больше, чем на катоде. Обратное, наоборот. Прямое и обратное включение – это условность. В реальных схемах напряжение на одном и том же диоде может меняться с прямого на обратное и наоборот.

Кремниевый диод начинает пропускать хоть какой-либо значимый ток только тогда, когда на аноде напряжение будет больше примерно на 0,65 В, чем на катоде. Нет, не так. При протекании хоть какого-либо тока, на диоде образуется падение напряжения, примерно равное 0,65 В и выше.

Напряжение 0,65 В – называют прямым падением напряжения на pn-переходе. Это лишь примерная средняя величина, она зависит от тока, температуры кристалла и технологии изготовления диода.

При изменении протекающего тока, она изменяется нелинейно. Чтобы как-то обозначить эту нелинейность графически, производители снимают вольтамперные характеристики диода. В мощных высоковольтных диодах падение напряжения может быть больше в 2, 3 и т.д. раза. Это означает, что внутри диода включено несколько pn-переходов последовательно.

Для определения падения напряжения можно использовать вольтамперную характеристику (ВАХ) диода в виде графика. Иногда эти графики приводятся в дата-листах (datasheets) на реальные модели диода, но чаще их нет. На первом мне попавшемся графике ниже приведены ВАХ КД243А, хотя это не важно, они все примерно похожи.

На графике Uпр – это прямое падение напряжения на диоде. Iпр – протекающий через диод ток. График показывает какое падение напряжения на диоде будет, при протекании n-го тока. Но чаще всего в даталистах не показываются реальные ВАХ, а приводится прямое падение напряжения, указанное при определенном токе.

В английской литературе падение напряжения обозначается как forward voltage.

Как применять

Падение напряжения на диоде – для нас плохая характеристика, поскольку это напряжение не совершает полезной работы и рассеивается в виде тепла на корпусе диода. Чем меньше падение, тем лучше. Обычно падение напряжения на диоде определяют исходя из тока, протекающего через диод. Например, включим диод последовательно с нагрузкой. По сути это будет защита схемы от переплюсовки, на случай, если блок питания отсоединяемый. На рисунке ниже в качестве защищаемой схемы взят резистор 47 Ом, хотя в реальности это может быть все, что угодно, например, участок большой схемы. В качестве блока питания – батарея на 12 В.

Допустим, нагрузка без диода потребляет 255 мА. В данном случае это можно посчитать по закону Ома: I= U / R = 12 / 47 = 0,255 А или 255 мА. Хотя обычно потребление сферической схемы в вакууме уже известно, хотя бы по максимальным характеристикам блока питания. Найдем на графике ВАХ, указанный выше, падение напряжения для диода КД243А при 0,255 А протекающего тока, при 25 градусах. Оно равно примерно 0,75 В. Эти 0,75 В упадут на диоде, и для питания схемы останется 12 — 0,75 = 11,25 В — иногда может и не хватить. Как бонус, можно найти мощность, в виде тепла и потерь выделяющуюся на диоде по формуле P = I * U = 0,75 * 0,255 = 0,19 Вт, где I и U – ток через диод и падение напряжения на диоде.

Что же делать, когда график ВАХ недоступен? Например, для популярного диода 1n4007 указано только прямое напряжения forward voltage 1 В при токе 1 А. Нужно и использовать это значение, либо измерить реальное падение. А если для какого-либо диода это значение не указано, то сойдет среднее 0,65 В. В реальности проще это падение напряжения измерить вольтметром в схеме, чем выискивать в графиках. Думаю, не надо объяснять, что вольтметр должен быть включен на постоянное напряжение, если через диод течет постоянный ток, а щупы должны касаться анода и катода диода.

Немного про другие характеристики

В предыдущем примере, если перевернуть батарейку, я имею ввиду поменять полярность, см. нижний рисунок, ток не потечет и падение напряжения на диоде в худшем случае составит 12 В — напряжение батареи. Главное, чтобы это напряжение не превышало напряжение пробоя нашего диода, оно же обратное напряжение, оно же breakdown voltage. А также важно еще одно условие: ток в прямом направлении через диод не превышал номинальный ток диода, он же forward current. Это два основных параметра по которых выбирается диод: прямой ток и обратное напряжение.

Иногда в даталистах также указывается рассеиваемая мощность диодом или номинальная мощность (power dissipation). Если она указана, то ее нельзя превышать. Как ее посчитать, мы уже разобрались на предыдущем примере. Но если мощность не указана, тогда надо ориентироваться по току.

Говорят, что в обратном направлении ток через диод не течет, ну или почти не потечет. На самом деле через него протекает ток утечки, reverse current в английской литературе. Этот ток очень маленький, от нескольких наноампер у маломощных диодов до нескольких сот микроампер, у мощных. Также этот ток зависит от температуры и приложенного напряжения. В большинстве случаем ток утечки не играет никакой роли, например, в как в предыдущем примере, но, когда вы будете работать с наноамперами и поставите какой-либо защитный диод на входе операционного усилителя, тогда может случиться ой… Схема поведет себя совсем не так, как задумывалась.

У диодов так же есть некоторая маленькая паразитная емкость capacitance. Т.е., по сути, это конденсатор, параллельно включенный с диодом. Эту емкость надо учитывать при быстрых процессах при работе диода в схеме с десятками-сотнями мегагерц.

Также несколько слов по поводу термина «номинал». Обычно номинальные ток и напряжение обозначают, что при превышении этих параметров производитель не гарантирует работу изделия, если не сказано другое. И это для всех электронных компонентов, а не только для диода.

Что еще можно сделать

Применений диодов существует множество. Разработчики-радиоэлектронщики обычно выдумывают свои схемы из кусочков других схем, так называемых строительных кирпичиков. Вот несколько вариантов.

Например, схема защиты цифровых или аналоговых входов от перенапряжения:

Диоды в этой схеме при нормальной работе не пропускают ток. Только ток утечки. Но когда по входу возникает перенапряжение с положительной полуволной, т.е. напряжение входа становится больше чем Uпит плюс прямое падение напряжения на диоде, то верхний диод открывается и вход замыкается на шину питания. Если возникает отрицательная полуволна напряжения, то открывается нижний диод и вход замыкается на землю. В этой схеме, кстати, чем меньше утечки и емкость у диодов, тем лучше. Такие схемы защиты уже, как правило, стоят во всех современных цифровых микросхемах внутри кристалла.

А внешними мощными сборками TVS-диодов защищают, например, USB порты на материнских платах.

Также из диодов можно собрать выпрямитель. Это очень распространённый тип схем и вряд ли кто-то из читателей про них не слышал. Выпрямители бывают однополупериодные, двухполупериодные и мостовые. С однополупериодным выпрямителем мы уже познакомились в нашем самом первом многострадальном примере, когда рассматривали защиту от переплюсовки. Никакими особыми плюсами не обладает, кроме плюса на батарейке. Один из самых важных минусов, который ограничивает применение схемы однополупериодного выпрямителя на практике: схема работает только с положительной полуволной напряжения. Отрицательное напряжение напрочь отсекает и ток при этом не течет. «Ну и что?», скажете вы, «Такой мощности мне будет достаточно!». Но нет, если такой выпрямитель стоит после трансформатора, то ток будет протекать только в одну сторону через обмотки трансформатора и, таким образом, трансформаторное железо будет дополнительно подмагничиваться.

Трансформатор может войти в насыщение и греться намного больше положенного.

Двухполупериодные выпрямители этого недостатка лишены, но им необходим средний вывод обмотки трансформатора. Здесь при положительной полярности переменного напряжения открыт верхний диод, а при отрицательной – нижний. КПД трансформатора используется не полностью.

Мостовые схемы лишены обоих недостатков. Но теперь на пути тока включены два диода в любой момент времени: прямой диод и обратный. Падение напряжения на диодах удваивается и составляет не 0,65-1В, а в среднем 1,3-2В. С учетом этого падения считается выпрямленное напряжение.

Например, нам надо получить 18 вольт выпрямленного напряжения, какой трансформатор для этого выбрать? 18 вольт плюс падение на диодах, возьмем среднее 1,4 В, равно 19,4 В. Мы знаем из предыдущей статьи, что амплитудное значение переменного напряжения в корень из 2 раз больше его действующего значения. Поэтому во вторичной цепи трансформатора переменное действующее напряжение равно 19,4 / 1,41 = 13,75В. С учетом того, что напряжение в сети может гулять на 10%, а также под нагрузкой напряжение немного просядет, выберем трансформатор 230/15 В.

Мощность требуемого нам трансформатора можно посчитать от тока нагрузки. Например, мы собираемся подключать к трансформатору нагрузку в один ампер. Это если с запасом. Всегда оставляйте небольшой запас, в 20-40%. Просто по формуле мощности можно найти P = U * I = 15 * 1 = 15 ВА, где U и I – напряжение и ток вторичной обмотки. Если вторичных обмоток несколько, то их мощности складываются. Плюс потери на трансформацию, плюс запас, поэтому выберем трансформатор 20-40 ВА. Хотя часто трансформаторы продаются с указанием тока вторичных обмоток, но проверить по габаритной мощности не помешает.

После выпрямительного моста необходим сглаживающий конденсатор, на рисунке не показан. Не забывайте про него! Есть умные формулы по расчету этого конденсатора в зависимости от количества пульсаций, но порекомендую такое правило: ставить конденсатор 10000мкФ на один ампер потребления тока. Вольтаж конденсатора не меньше, чем выпрямленное без нагрузки напряжение. В данном примере можно взять конденсатор с номиналом 25В.

Диоды в этой схеме выберем на ток >=1А и обратное напряжение, с запасом, больше 19,4 В, например, 50-1000 В. Можно применить диоды Шоттки. Это те же диоды, только с очень маленьким падением напряжения, которое часто составляет десятки милливольт. Но недостаток диодов Шоттки – их не выпускают на более-менее высокие напряжения, больше 100В. Точнее с недавнего времени выпускают, но их стоимость заоблачная, а плюсы уже не так очевидны.

Светодиод

Внутри устроен совсем по другому, чем диод, но имеет те же самые свойства. Только еще и светится при протекании тока в прямом направлении.

Все отличие от диода в некоторых характеристиках. Самое важное – прямое падение напряжения. Оно гораздо больше, чем 0,65 В у обычного диода и зависит в основном от цвета светодиода. Начиная от красного, падение напряжения которого составляет в среднем 1,8 В, и заканчивая белым или синим светодиодом, падение у которых около 3,5 В. Впрочем, у невидимого спектра эти значения шире.

По сути падение напряжения здесь – минимальное напряжение зажигания диода. При меньшем напряжении, у источника питания, тока не будет и диод просто не загорится. У мощных осветительных светодиодов падение напряжения может составлять десятки вольт, но это значит лишь, что внутри кристалла много последовательно-параллельных сборок диодов.

Но сейчас поговорим об индикаторных светодиодах, как наиболее простых. Их выпускают в различных корпусах, наиболее часто в полуокруглых, диаметром 3, 5, 10 мм.

Любой диод светится в зависимости от протекающего тока. По сути это токовый прибор. Падение напряжения получается автоматически. Ток мы задаем сами. Современные индикаторные диоды более-менее начинают светиться при токе 1 мА, а при 10 мА уже выжигают глаза. Для мощных осветительных диодов надо смотреть документацию.

Применение светодиода

Имея лишь соответствующий резистор можно задать нужный ток через диод. Конечно, понадобится еще и блок питания постоянного напряжения, например, батарейка 4,5 В или любой другой БП.

Например, зададим ток 1мА через красный светодиод с падением напряжения 1,8 В.

На схеме показаны узловые потенциалы, т.е. напряжения относительно нуля. В каком направлении включать светодиод нам подскажет лучше всего мультиметр в режиме прозвонки, поскольку иногда попадаются напрочь китайские светодиоды с перепутанными ногами. При касании щупов мультиметра, в правильном направлении, светодиод должен слабо светиться.

Поскольку применен красный светодиод, то на резисторе упадет 4,5 — 1,8 = 2,7В. Это известно по второму закону Кирхгофа: сумма падений напряжения на последовательных участках схемы равно ЭДС батарейки, т.е. 2,7 + 1,8 = 4,5В. Чтобы ограничить ток в 1мА, резистор по закону Ома должен обладать сопротивлением R = U / I = 2,7 / 0,001 = 2700 Ом, где U и I – напряжение на резисторе и необходимый нам ток. Не забываем переводить величины в единицы СИ, в амперы и вольты. Поскольку выпускаемые номиналы сопротивлений стандартизованы выберем ближайший стандартный номинал 3,3кОм. Конечно, при этом ток изменится и его можно пересчитать по закону Ома I = U / R. Но зачастую это не принципиально.

В этом примере ток, отдаваемый батарейкой, мал, так что внутренним сопротивлением батареи можно пренебречь.

С осветительными светодиодами все тоже самое, только токи и напряжения выше. Но иногда им уже не требуется резистор, надо смотреть документацию.

Что-то еще про светодиод

По сути, светить – это основное назначение светодиода. Но есть и другое применение. Например, светодиод может выступать в качестве источника опорного напряжения. Они необходимы, например, для получения источников тока. В качестве источников опорного напряжения, как менее шумные, применяют красные светодиоды. Их включают в схему так же, как и в предыдущем примере. Поскольку напряжение батарейки относительно постоянное, ток через резистор и светодиод тоже постоянный, поэтому падение напряжения остается постоянным. От анода светодиода, где 1,8В, делается отвод и используется это опорное напряжение в других участках схемы.

Для более надежной стабилизации тока на светодиоде, при пульсирующем напряжении источника питания, вместо резистора в схему ставят источник тока. Но источники тока и источники опорного напряжения – это тема еще одной статьи. Возможно, когда-нибудь я ее напишу.

Стабилитрон

В английской литературе стабилитрон называется Zener diode. Все тоже самое, что и диод, в прямом включении. Но сейчас поговорим только про обратное включение. В обратном включении под действием определенного напряжения на стабилитроне возникает обратимый пробой, т. е. начинает течь ток. Этот пробой полностью штатный и рабочий режим стабилитрона, в отличие от диода, где при достижении номинального обратного напряжения диод просто выходил из строя. При этом, ток через стабилитрон в режиме пробоя может меняться, а падение напряжение на стабилитроне остается практически неизменным.

Что нам это дает? По сути это маломощный стабилизатор напряжения. Стабилитрон имеет все те же характеристики, что и диод, плюс добавляется так же напряжение стабилизации Uст или nominal zener voltage. Оно указывается при определенном токе стабилизации Iст или test current. Также в документации на стабилитроны указываются минимальный и максимальный ток стабилизации. При изменении тока от минимального до максимального, напряжение стабилизации несколько плавает, но незначительно. См. вольт-амперные характеристики.

Рабочая зона стабилитрона обозначена зеленым цветом. На рисунке видно, что напряжение на рабочей зоне практически неизменно, при широком диапазоне изменения тока через стабилитрон.

Чтобы выйти на рабочую зону, нам надо установить ток стабилитрона между [Iст. min – Iст. max] с помощью резистора точно так же, как это делалось в примере со светодиодом (кстати, можно также с помощью источника тока). Только, в отличие от светодиода, стабилитрон включен в обратном направлении.

При меньшем токе, чем Iст. min стабилитрон не откроется, а при большем, чем Iст. max – возникнет необратимый тепловой пробой, т.е. стабилитрон просто сгорит.

Расчёт стабилитрона

Рассмотрим на примере нашего рассчитанного трансформаторного БП. У нас есть блок питания, выдающий минимум 18 В (по сути там больше, из-за трансформатора 230/15 В, лучше мерить в реальной схеме, но суть сейчас не в этом), способный отдавать ток 1 А. Нужно запитать нагрузку с максимальным потреблением 50 мА стабилизированным напряжением 15 В (например, пусть это будет какой-нибудь абстрактный операционный усилитель – ОУ, у них примерно такое потребление).

Такая слабая нагрузка выбрана неспроста. Стабилитроны довольно маломощные стабилизаторы. Они должны проектироваться так, чтобы через них мог проходить без перегрева весь ток нагрузки плюс минимальный ток стабилизации Iст. min. Это необходимо, потому что ток после резистора R1 делится между стабилитроном и нагрузкой. В нагрузке ток может быть непостоянным, либо нагрузка может выключаться из схемы совсем. По сути это параллельный стабилизатор, т.е. весь ток, который не уйдет в нагрузку, примет на себя стабилитрон. Это как первый закон Кирхгофа I = I1 + I2, только здесь I = Iнагр + Iст. min.

Итак, выберем стабилитрон с напряжением стабилизации 15 В. Для установки тока через стабилитрон всегда необходим резистор (или источник тока). На резисторе R1 упадет 18 – 15 = 3 В. Через резистор R1 будет протекать ток Iнагр. + Iст. min. Примем Iст. min = 5 мА, это примерно достаточный ток для всех стабилитронов с напряжением стабилизации до 100 В. Выше 100 В можно принимать 1мА и меньше. Можно взять Iст. min и больше, но это только будет бесполезно греть стабилитрон.

Итак, через R1 течет Ir1 = Iнагр. + Iст. min = 50 + 5 = 55 мА. По закону Ома находим сопротивление R1 = U / I = 3 / 0,055 = 54,5 Ом, где U и I – напряжение на резисторе и ток через резистор. Выберем из ближайшего стандартного ряда сопротивление 47 Ом, будет чуть больше ток через стабилитрон, но ничего страшного. Его даже можно посчитать, общий ток: Ir1 = U / R = 3 / 47 = 0,063А, далее минимальный ток стабилитрона: 63 — 50 = 13 мА. Мощность резистора R1: P = U * I = 3 * 0,063 = 0,189 Вт. Выберем стандартный резистор на 0,5 Вт. Советую, кстати, не превышать мощность резисторов примерно Pmax/2, дольше проживут.

На стабилитроне тоже рассеивается мощность в виде тепла, при этом в самом худшем случае она будет равна P = Uст * (Iнагр + Iст.) = 15 * (0,050 + 0,013) = 0,945 Вт. Стабилитроны выпускают на разную мощность, ближайшая 1Вт, но тогда температура корпуса при потреблении около 1Вт будет где-то 125 градусов С, лучше взять с запасом, на 3 Вт. Стабилитроны выпускают на 0,25, 0,5, 1, 3, 5 Вт и т. д.

Первый же запрос в гугле «стабилитрон 3Вт 15В» выдал 1N5929BG. Далее ищем «datasheet 1N5929BG». По даташиту у него минимальный ток стабилизации 0,25 мА, что меньше 13 мА, а максимальный ток 100 мА, что больше 63 мА, т.е. укладывается в его рабочий режим, поэтому он нам подходит.

В общем-то, это весь расчёт. Да, стабилизатор это неидеальный, внутреннее сопротивление у него не нулевое, но он простой и дешевый и работает гарантировано в указанном диапазоне токов. А также поскольку это параллельный стабилизатор, то ток блока питания будет постоянным. Более мощные стабилизаторы можно получить, умощнив стабилитрон транзистором, но это уже тема следующей статьи, про транзисторы.

Проверить стабилитрон на пробой обычным мультиметром, как правило, нельзя. При более-менее высоковольтном стабилитроне просто не хватит напряжения на щупах. Единственное, что удастся сделать, это прозвонить его на наличие обычной диодной проводимости в прямом направлении. Но это косвенно гарантирует работоспособность прибора.

Еще стабилитроны можно использовать как источники опорного напряжения, но они шумные. Для этих целей выпускают специальные малошумящие стабилитроны, но их цена в моем понимании зашкаливает за кусочек кремния, лучше немного добавить и купить интегральный источник с лучшими параметрами.

Также существует много полупроводниковых приборов, похожих на диод: тиристор (управляемый диод), симистор (симметричный тиристор), динистор (открываемый импульсно только по достижении определенного напряжения), варикап (с изменяемой емкостью), что-то еще. Первые вам понадобятся в силовой электронике при постройки управляемых выпрямителей или регуляторов активной нагрузки. А с последними я уже лет 10 не сталкивался, поэтому оставляю эту тему для самостоятельного чтения в вики, хотя бы про тиристор.

Прямое и обратное напряжение

Когда диод открыт, на нем имеется прямое напряжение. Обратным напряжением считается величина во время закрытия диода и прохождения через него обратного тока. Сопротивление диода при прямом напряжении очень мало, в отличие от обратного напряжения, возрастающего до тысяч кОм.

Если диоды использовать в работе с переменным током, то при плюсовой полуволне синуса напряжения он будет открыт, а при минусовой – закрыт. Такое свойство диодов применяют для выпрямления напряжения. Поэтому такие устройства называются выпрямителями.

4.3. Вольт-амперная характеристика диода Слайд № 11

Зависимость U = f(I) называется вольт-амперной характеристикой диода.

Характеристика диода выражается графиком, на котором видна зависимость тока, напряжения и его полярности. Вертикальная ось координат в верхней части определяет прямой ток, в нижней части – обратный.

Горизонтальная ось справа обозначает прямое напряжение, слева – обратное. Прямая ветка графика выражает ток пропускания диода, проходит рядом с вертикальной осью, так как выражает повышение прямого тока.

Вторая ветка графика показывает ток при закрытом диоде, и проходит параллельно горизонтальной оси. Чем круче график, тем лучше диод выпрямляет ток. После возрастания прямого напряжения, медленно повышается ток. Достигнув области скачка, его величина резко нарастает.

На обратной ветви графика видно, что при повышении обратного напряжения, величина тока практически не возрастает. Но, при достижении границ допустимых норм происходит резкий скачок обратного тока. Вследствие этого диод перегреется и выйдет из строя.

4.4. Пробой р-n-перехода Слайд № 12

Пробоем p-n-перехода называется явление резкого увеличения обратного тока при достижении обратным напряжением определенного критического значения. Различают электрический и тепловой пробои p-n-перехода.

Электрический пробой

Электрический пробой возникает в результате воздействия сильного электрического поля в p-n-переходе. Такой пробой является обратимым, то есть он не приводит к повреждению перехода, и при снижении обратного напряжения свойства диода сохраняются. Благодаря этому электрический пробой используют в качестве рабочего режима в полупроводниковых диодах.

В свою очередь, электрический пробой разделяется на туннельный и лавинный пробои.

Туннельный пробой

Туннельный пробой происходит в результате явления туннельного эффекта, который проявляется в том, что при сильной напряженности электрического поля, действующего в p-n-переходе малой толщины, некоторые электроны проникают (просачиваются) через переход из области pтипа в область nтипа без изменения своей энергии. Р-n-переходы малой толщины возможны только при высокой концентрации примесей в молекуле полупроводника.

Лавинный пробой

Лавинный пробой заключается в том, что под действием сильного электрического поля неосновные носители зарядов под действием тепла в p-n-переходе ускоряются на столько, что способны выбить из атома один из его валентных электронов и перебросить его в зону проводимости, образовав при этом пару электрон – дырка. Образовавшиеся носители зарядов тоже начнут разгоняться и сталкиваться с другими атомами, образуя следующие пары электрон – дырка. Процесс приобретает лавинообразный характер, что приводит к резкому увеличению обратного тока при практически неизменном напряжении.

Максимальное обратное напряжение, приложенное к конфигурации резистор-светодиод

спросил

Изменено 2 месяца назад

Просмотрено 13 тысяч раз

\$\начало группы\$

Рассмотрим простую схему ниже:

Моделируйте эту схему — схема, созданная с использованием CircuitLab

Светодиодный таблица: Link

будет ли применение отмененного 36 В к этой цепи повредить светодиоду? Зная, что максимальный ток, который может протекать в светодиод, составляет 36 В/2 кОм = 18 мА (светодиод может выдержать 30 мА вперед).

Максимальное обратное напряжение составляет 5 В. Означает ли это, что светодиод на самом деле взорвется, если я нанесу, скажем, обратный 5,1 В на вход?

И в случае, если цепь является той чувствительной к обратному напряжению, каков самый простой способ защитить эту схему от обратного напряжения?

РЕДАКТИРОВАТЬ: Я действительно проверил светодиод, и, похоже, он не был поврежден при подаче 30 В в обратном направлении (приложенном в течение нескольких минут). Также я подключил амперметр для измерения обратного тока (Fluke 87V с точностью до мкА), и он показывает абсолютно отсутствие тока. Так в чем же дело?

  • светодиод
  • обратная полярность
  • обратный пробой

\$\конечная группа\$

6

\$\начало группы\$

«Зная, что максимальный ток, который может протекать через светодиод, составляет 36 В/2 кОм = 18 мА»

Да, но это утверждение подразумевает, что при 18 мА все 36 В будут падать на резистор, а фактическое напряжение на диоде будет равно 0 (ноль) вольт. 🙂 (Я должен был включить это для новичков, это могло быть введено в заблуждение утверждением, хотя это, вероятно, означало, что ток ни в коем случае не может превышать 18 мА.) Для диода не имеет значения, какое напряжение вы вводите во всю схему, все, что чувствует диод, — это напряжение между двумя его ножками.

Проблема в том, что падение напряжения на резисторе пропорционально току, поэтому, если диод полностью блокирует ток… нет падения напряжения на резисторе, и все напряжение питания приходится на сам диод.

В действительности фактические напряжения на диоде и резисторе являются результатом равновесия. Диод может пропускать некоторый ток в обратном направлении … если он не разрушается в режиме короткого замыкания (обычно он не открывается, чтобы разомкнуть цепь), поэтому на резисторе падает не так много напряжения.

НО. Но это действительно зависит от характеристик диода (которые вы редко найдете в характеристиках для диапазона выше указанного максимального напряжения реверса, и часто вообще не как график для обратного напряжения (только обратный ток при макс. оборотах).

У меня 5мм желтый светодиод с Vf около 2,2 В, который я тестировал, полностью блокирует ток до 41 В (источник более высокого напряжения не использовался) (падение напряжения на резисторе 2K составило 0 мВ) в обратном направлении даже до 5V и при более высоком напряжении быстро ухудшалось, но после того, как светодиод снова поставили «как положено», он снова работает как обычно.0005

Самым любопытным является 3-миллиметровый СИНИЙ светодиод (номинальный ток 5 мА, 3 В), который дает достаточно света, чтобы быть четко видимым в освещенных окружающих условиях даже при 50 микроамперах (да, 0,05 мА) изначально. (Теперь, после большого неправильного использования (ниже), все по-другому). Этот светодиод пропускает даже больший ток в обратном направлении, чем прямой при том же напряжении. Я переключил его сначала на 22 В, а затем на 40 В на несколько секунд, где он пропускал 18 мА (помните, что номинальный 5 мА) в обратном направлении! Когда я снова сместил его вперед, он НЕ ЗАЖИГАЛСЯ. Мертвый? Нет, после первого злоупотребления потребовалось около 16 В прямого напряжения, чтобы пропустить любой ток (я контролировал напряжение на резисторе 2K, чтобы определить ток), и когда он загорался, прямое напряжение вернулось к почти исходному значению, а затем началось в такое же напряжение, как обычно. После второго нарушения (обратное 40 В) потребовалось еще более высокое напряжение (более 20 В), чтобы снова начать прямое смещение, но Vf постоянно падало примерно до 2 В, и теперь требуется около 2,5 мА при Vd 2,45 В (напряжение питания цепи 8.9).V), чтобы зажечь его так же, как он загорался при первоначальном токе всего 0,05 мА.

Кстати, я заметил похожий эффект быстрого износа у некоторых красных лазерных диодов, работающих при токе, близком к 20 мА (это номинальный ток).

Ни один из протестированных диодов не зажегся при обратном смещении (даже незначительном) при любом обратном токе (даже в 3 раза больше номинального), и ни один из них не был разрушен высоким обратным бисасом. За исключением последнего случая синего диода, другие не причиняли вреда, я мог заметить высокий разворот.

\$\конечная группа\$

1

\$\начало группы\$

Светодиод точно будет пропускать ток в обратном направлении — почти столько же, сколько и в прямом. (Думайте об этом как о стабилитроне на 5 вольт.) Такой большой ток (и выделяемое тепло) определенно повредит его, хотя, вероятно, не катастрофически.

Самое простое решение — поставить обычный диод параллельно светодиоду, направленным в другую сторону. Это позволяет обратному току обходить светодиод, ограничивая обратное напряжение на нем примерно до 0,65 В, что соответствует его номинальному значению.

Вы также можете использовать второй светодиод вместо кремниевого диода, который даст вам больше света и уменьшит мерцание, вместо того, чтобы пропускать обратный ток. Прямое напряжение одного светодиода будет меньше обратного напряжения другого.

\$\конечная группа\$

1

\$\начало группы\$

Вот что написано в техпаспорте в разделе АБСОЛЮТНЫЙ МАКСИМАЛЬНЫЙ об обратном напряжении:

Это совершенно ясно и однозначно.

Если вы все еще запутались, найдите «абсолютный максимум» .

\$\конечная группа\$

1

\$\начало группы\$

Однажды я видел светодиод, который напрямую подключается к сети 220В с последовательным резистором всего 2Вт. Я видел это в дешевой системе ИБП, и светодиод показывал, что сеть присутствует. Так что этот светодиод фактически блокировал 220В. Этот светодиод работает нормально уже 5 лет.

Во многих связанных сообщениях здесь, на stackexchange, упоминается, что таблица данных является строгой, при этом светодиод имеет гораздо более высокое обратное напряжение пробоя, но без ссылки

. \$\конечная группа\$

1

\$\начало группы\$

В техническом описании LTL-307EE кроме максимального обратного напряжения 5В указаны другие характеристики. Там написано, что IR_max = 100 мкА, когда VR = 5 В. В этом смысле обратное напряжение 5 В точно не повредит деталь.

Тогда как решить проблему с еще более высоким обратным напряжением, которое не указано в спецификациях? Я думаю, что этот веб-сайт содержит некоторые полезные рекомендации по дизайну.

\$\конечная группа\$

0

\$\начало группы\$

Не повредит ли светодиод подача обратного напряжения 36 В в эту цепь?

Спецификация не гарантирует повреждения. Это то же самое, что и с кодом C или C++, который имеет неопределенное поведение. В этом случае могут произойти сбои программного обеспечения, но это не гарантируется. И, по словам г-на Мерфи, повреждение светодиода 9Сбои программного обеспечения 0127 и произойдут либо во время демонстрации с высокими ставками, либо когда система развернута в недоступном месте, добраться до которого стоит 10 тысяч долларов … В лаборатории всегда все работает «нормально».

Светодиод может и не повредиться — кто знает. Или он может быть поврежден, только если вы включите его в обратном направлении, когда он горячий, или он состарился на 1000 часов и т. д.

Светодиод поврежден, вы не можете пожаловаться производителю. Если вы достаточно знаете об обработке и физике светодиодных полупроводников, и вы можете достаточно реконструировать светодиод, вы сможете убедить себя, что это нормально — или нет. Но, опять же, это полностью на вас, и вам лучше быть очень, очень уверенным.

Светодиод не должен подвергаться обратному напряжению более -5В, если вы хотите, чтобы светодиод продолжал работать. Это так просто.

Зная, что максимальный ток, который может протекать через светодиод, составляет 36 В/2 кОм = 18 мА

Когда светодиод смещен в обратном направлении, через резистор не протекает ток, поэтому напряжение на резисторе равно нулю, и все обратное напряжение приходится на светодиод. См. график V(D1.nA) ниже.

А если схема настолько чувствительна к обратному напряжению, как проще всего защитить эту цепь от обратного напряжения?

  1. Путем добавления встречно-параллельного кремниевого выпрямительного диода к светодиоду. См. схему в середине ниже.

  2. Путем добавления диода последовательно со светодиодом и добавления резистора разрядки параллельно светодиоду. См. схему справа внизу.

    Резистор необходим, так как D5 проводит небольшой ток при обратном смещении, и этот ток может зарядить переход светодиода до обратного напряжения выше -5В. Это происходит потому, что светодиод подключен к узлу с высоким импедансом. При добавлении стабилизирующего резистора светодиод всегда «видит» импеданс 1 МОм или меньше, и на нем не может накапливаться обратный заряд.

Мы можем смоделировать происходящее, управляя светодиодами прямоугольной волной 36 В (72 В пик-пик).

смоделируйте эту схему – Схема создана с помощью CircuitLab

Мы можем изобразить напряжение на светодиодах D1 и D2 в схеме выше:

Обратите внимание, что напряжение на незащищенном светодиоде D1 колеблется намного ниже максимального допускается -5В! Максимальное отрицательное напряжение на защищенном светодиоде D2 составляет около -1 В, что находится в пределах абсолютного максимума.

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Я протестировал стандартный красный и синий светодиод повышенной яркости. Условиями испытаний были 60 В при 2 мА с последовательным резистором 22 кОм, а источник питания был ограничен 5 мА.

Красный светодиод загорался в прямом направлении и совсем не проводил в обратном направлении. Красный светодиод не причинил никакого вреда.

Синий светодиод горит в прямом направлении и проводит 2 мА в обратном направлении.

Тест был повторен с последовательным резистором 1 МОм, ток составил около 55 мкА.

Красный светодиод очень слабо светился в прямом режиме. Синий светодиод, на который было подано высокое обратное напряжение, не светился, но потреблял 55 мкА.
Совершенно новый синий светодиод с током 55 мкА был хорошо виден и ярок. Обратное напряжение действительно повредило первый синий светодиод, но при гораздо более высоком напряжении, чем указано производителем, и при силе тока всего 2 мА.

Повреждений красного светодиода не наблюдалось вообще.

Остается вопрос, что происходит, когда светодиод работает в прямом направлении, а затем внезапно переключается в обратном направлении?

Я не смог получить еще один синий светодиод, показывающий повреждение при обратном токе 55 мкА с помощью резистора 1 МОм. Кажется, есть уровни тока, которые синий светодиод готов выдержать при обратном смещении.

В то время как почти в каждом описании светодиодов указано максимальное обратное напряжение 5 В для любого цвета, красные светодиоды, по-видимому, способны выдерживать гораздо более высокие напряжения без пробоя. Мой источник питания рассчитан только на 60 В, поэтому с конкретным светодиодом я проверил, будет ли безопасно использовать его с входным напряжением 60 В переменного тока.

Синий светодиод, который также имеет макс. Обратное напряжение 5 В, указанное в даташите, ведет себя по-другому и небезопасно при напряжении более 5 В. Они не взорвутся как таковые, но вызовут внутреннее короткое замыкание кремния и перестанут функционировать.

Установка диода 1N4007 параллельно вашему светодиоду должна защитить любой светодиод в цепи переменного тока. Спецификации являются лишь ориентиром. Хорошая инженерная практика требует, чтобы вы запускали тесты для конкретной части, которую собираетесь использовать. Итак, чтобы внести ясность в этот вопрос, диод не взорвется, но может произойти короткое замыкание и перестать функционировать, и в этом случае токоограничивающий резистор выполнит свою работу и ограничит любой ток до безопасного уровня (обычно не более от 10 мА до 20 мА).

\$\конечная группа\$

1

\$\начало группы\$

Светодиоды доступны со встроенным последовательным сопротивлением. Честно говоря, если вы не знаете каталожный номер светодиода, эта дискуссия бессмысленна.

Vr — это гарантированное напряжение, которое может выдержать светодиод и не взорваться. Это не значит, что он взорвется на Вр. Партия с тем же номером может выдерживать большее напряжение. Другой партии может и не быть. Но Vr гарантирован.

\$\конечная группа\$

1

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но никогда не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

.

led — Что такое «прямое» и «обратное» напряжение при работе с диодами?

спросил

Изменено 5 лет, 3 месяца назад

Просмотрено 266 тысяч раз

\$\начало группы\$

В чем разница между «прямым» и «обратным» напряжением при работе с диодами и светодиодами?

Я понимаю, что ответ на этот вопрос есть в других сетях, таких как Википедия, но я ищу краткое изложение, которое не столько носит технический характер, сколько является полезным советом для тех, кто использует диоды в схемах для хобби.

  • светодиод
  • диод

\$\конечная группа\$

4

\$\начало группы\$

Прямое напряжение — это падение напряжения на диоде, если напряжение на аноде больше положительного, чем напряжение на катоде (если подключить + к аноду).

Это значение будет использоваться для расчета рассеиваемой мощности диода и напряжения после диода.

Обратное напряжение — это падение напряжения на диоде, если напряжение на катоде больше положительного, чем напряжение на аноде (если подключить + к катоду).

Обычно это намного выше, чем прямое напряжение. Как и в случае с прямым напряжением, ток будет течь, если подключенное напряжение превысит это значение. Это называется «разрыв». Обычные диоды обычно разрушаются, но с диодами Z и Зенера этот эффект используется преднамеренно.

\$\конечная группа\$

6

\$\начало группы\$

Обычно прямое напряжение — это напряжение, при котором ток начинает течь в нормальном направлении (как упоминалось выше, оно находится в диапазоне 0,3–0,6 В)

Обратное напряжение — это то же самое — это напряжение, при котором ток начинает течь, когда диод находится в обычно непроводящей области — это также точка, в которой диод, вероятно, превратится в обугленное месиво, поскольку все внутренние полупроводниковые материалы превращаются в кашу (выберите значение несколько больше, чем самый большой ПИК). [не среднеквадратичное значение] Напряжение переменного тока, которое диод увидит)

\$\конечная группа\$

1

\$\начало группы\$

Прямое смещение — это когда анод (заостренная часть символа) положительный, а катод (полоса) отрицательный. Обратное смещение — это когда анод отрицательный, а катод положительный. Большой ток протекает, когда диод смещен в прямом направлении, при условии, что напряжение выше 0,6 В или около того для кремниевого диода или 0,3 В или около того для германиевого устройства. Если диод смещен в обратном направлении, протекает очень небольшое количество тока.

Если у вас есть DVM и несколько диодов, вы можете проверить это сами. Выводы катода диода обычно обозначаются лентой, поэтому, если вы переключите DVM на настройку низкого сопротивления и подключите выводы к диоду в обоих направлениях, вы должны увидеть низкое сопротивление в одном направлении и высокое сопротивление в другом направлении. , при условии, что DVM подает достаточно высокое напряжение. Некоторые цифровые вольтметры имеют специальные настройки проверки диодов, которыми проще пользоваться.

Светодиоды обычно имеют плоский вывод катода.

\$\конечная группа\$

2

\$\начало группы\$

Раскопки в 3… 2… 1…

Просто для того, чтобы информация была сжатой здесь, и я хотел бы знать, где найти свое потомство, я бы добавил типичные прямые напряжения для обычных светодиодов как краткий справочник для всех. (А также потому, что мне нравится копаться в старой теме от 18 декабря.)

Согласно Википедии:

Обычно прямое напряжение светодиода составляет около 1,8–3,3 вольта; это зависит от цвета светодиода. Красный светодиод обычно падает на 1,8 вольта, но падение напряжения обычно увеличивается с увеличением частоты света, поэтому синий светодиод может падать примерно на 3,3 вольта.

Краткий справочник по прямому напряжению светодиода

  • ИК Падение напряжения светодиода около 1,5 В
  • Красный : ~2 В
  • Янтарный : ~2 В
  • Желтый : ~2 В
  • Зеленый : ~2,5 В
  • Синий : ~3,5 В
  • Белый : ~3,5 В
  • Лазерные диоды : ~1,5 В, но могут сильно различаться в зависимости от длины волны (например, от 375 нм до 3300 нм)

\$\конечная группа\$

4

\$\начало группы\$

Хотя вы упомянули «напряжение», я полагаю, вы имеете в виду смещение . Если это верно, то «прямое смещение» представляет собой приложение напряжения таким образом, что диод «показывает» низкое сопротивление . «Обратное смещение» заставляет диод показывать высокое сопротивление .

\$\конечная группа\$

1

\$\начало группы\$

Прямое напряжение заставляет диод проводить ток, а обратное напряжение делает диод очень плохим проводником или почти разомкнутой цепью, если только диод не «пробит».

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Для диодов с идеальным переходом существует связь между током и напряжением, определяемая уравнением Шокли для диода I = Is(exp(Vd q/nkT). Вы можете решить это, чтобы получить Vd, напряжение на диоде, как функцию от I , Но когда у вас есть резистор последовательно с диодом, вы НЕ можете решить схему, вы должны использовать последовательные приближения (если, конечно, у вас нет калькулятора WP-34 со встроенной функцией Lambert W).