Вах светодиода – Особенность эксплуатации светодиода как высокоэффективного и надежного светоизлучающего элемента

Вольт-амперная характеристика светодиодов и закон Ома — DRIVE2

Приветствую, дорогой читатель.

На днях на скорую руку спаял лампочки в габариты на светодиодах 5630. Довольно интересно подбирал ток и сопротивления. Думаю, кому-то будет полезно, особенно начинающим любителям светодиодного тюнинга.

Лампы для габаритных огней

В лампе цепочка из 4-х последовательных светодиодов и резистора. Изначально поставил сопротивление на 27 Ом. Затем сделал замеры дома и в автомобиле на заглушенном и заведенном двигателе:
12 В — 35 мА;
12.5 В — 40 мА;
14.5 В — 80 мА.

Номинальный ток светодиодов 5630 порядка 130-150 мА, но это при должном охлаждении. Мои же лампочки охлаждения не подразумевали как такогого, да и в фаре довольно тепло рядом с лампой головного света.

Построим вольт-амперную характеристику и рассчитаем сопротивления для необходимого нам тока (я взял 40 мА и 50 мА, на этих токах нагрев несущественный). В этом нам поможет закон Ома для участка цепи

. Кстати, я подобные формулы всегда записываю в виде треугольничка, меня так в школе еще учили. И тогда, что бы посчитать необходимую величину, нужно ее образно закрыть на треугольнике пальцем — получим формулу для расчета.

Закон Ома

Итак, мы имеем известное напряжение питания 12 В и ток в цепи 0.035 мА. Рассчитаем напряжение на резисторе: 27 x 0.035 = 0.945 В. Тогда на каждом светодиоде в цепочке из 4-х штук будет: (12 — 0.945) / 4 = 2.76375. Вот мы и получили первую строку таблицы. Так же рассчитываются последующие две строки.

Теперь мы можем посмотреть на вольт-амперную характеристику светодиода и достаточно точно подобрать сопротивление для необходимого нам тока. Нужно отметить, что характеристики светодиодов могут меняться даже между светодиодами в соседних партиях.

При дальнейшем возрастании тока кривая еще резче уходит вверх. Форма кривой примерно одна для разных типов светодиодов, но напряжение и ток для каждого типа свои. Ниже показан график для светодиодов 5730.

Изображение взято с сайта led-obzor.ru

Рассчитаем сопротивление для тока 50 мА (последняя строка таблицы). Из графика берем примерное падение напряжение на светодиоде при 50 мА — 2.92 В. Считаем сколько должно упасть на сопротивлении: 14.5 — 2.92*4 = 2.82 В. Считаем номинал сопротивления: 2.82 / 0.05 = 56.4 Ома. Тоже самое для 40 мА.

В конечном итоге я взял 68 Ом (ближайшее что было в магазине).

Питайте светодиоды правильно! Ровных дорог!

www.drive2.ru

Последовательное соединение светодиодов достоинства и недостатки

Ранее мы рассказывали о параллельном соединении светодиодов. Посмотрели на плюсы и минусы, достоинства и недостатки… Масло масляное))) Ну уж простите. Сегодняшний пост будет посвящен самому распространенному виду соединений – последовательное соединение светодиодов.

Как только нам приходится в электрических схемах задействовать не один, а несколько светодиодов, то обязательно возникает дилемма – как правильно соединить их. Какую схему выбрать?

Если Вы начали читать эту статью, то Вас также интересует данный вопрос… Сразу и еще аз оговорюсь, что последовательное соединение светодиодов самое эффективное. Но тут есть свои минусы – не всегда это реализуемо. Почему это так, нужно углубиться в физику ( не пугайтесь, не так это страшно ))

к оглавлению ↑

Вольтамперная характеристика любых светодиодов (ВАХ)

---

Что такое ВАХ сильно углубляться не будем. По простому – это зависимость тока от напряжения. Этой информации нам и будет достаточно. Вольт-амперная характеристика у любого светодиода, как и у любого диода имеет нелинейную характеристику.

Мы взяли обычный белый диод. При напряжении от 2,5-3В ток увеличивается с 2 до 15 мА. Это достаточно большое увеличение. Отсюда вытекает, что при больших изменения тока падение напряжения будет невелико.

Не смотря на то, что любой завод выпускает чипы с одной характеристикой в каждой партии, падение напряжение будет разным у каждого экземпляра. Не на много, но на десятые доли вольта это точно. Именно из-за этого источник питания светодиодов должен стабилизировать ток, а не напряжение. Такие источники питания принято называть светодиодными драйверами.

 

к оглавлению ↑

Последовательное соединение светодиодов

---

На схеме мы видим традиционное последовательное соединение светодиодов, подключенных к аккумулятору.

Данное соединение предполагает одинаково яркое свечение светодиодов. Но тут нам “мешает” резистор.

Рассмотрим не много другой пример. А именно, возьмем светодиодный драйвер и подключим его к трем последовательным светодиодам.

В результате того, что сила тока в замкнутой цепи одинакова, то и через каждый диод будет течь одинаковый ток I₁=I₂=I_3. Соединение без резистора при помощи драйвера также обеспечивает одинаковую яркость, а разница падения напряжения на диодах не играет никакого значения. Отражается только на величине разности потенциалов между точкой 1 и 2.

к оглавлению ↑

Расчет драйвера для последовательного соединения светодиодов

---

Описанное выше последовательное соединение LEDs может вызвать большие вопросы по поводу выбора самого драйвера. Используя ниже приведенный алгоритм расчета Вы всегда самостоятельно сможете рассчитать драйвер, в зависимости от выбранного соединения.

Допустим нам необходимо запитать три светодиода, соединенных последовательно током 700 мА.

Падение напряжения (вымышленно) при таком токе составляет от 3,2 до 3,4 В.

Минимальное напряжение U

min=3*3.2=9.6 V

Максимальное напряжение U_max=3.4*3=10.2 V

Мощность потребляемая светодиодами составит: Р=10,2*0,7=7,14 Вт.

Итого: наш драйвер должен иметь:

Выходной ток 700 мА

Выходное напряжение 10,2В +- 5%

Выходная мощность не менее 7,2 Вт

Это все! Как видите. никаких проблем. Рассматривать расчет резистора при отсутствии драйвера не буду. Это пережитки прошлого. Любой производитель уже выпускает светодиодные драйверы на любой вкус и цвет. При этом стоимость их ничтожно мала. А эффективность от”коробочки” на много больше, чем от простого резистора.

к оглавлению ↑

Плюсы и минусы последовательного соединения светодиодов

---

Плюс один и большой – дешевизна в конструкции.

Минусов же при последовательном соединении как минимум два:

1. Если выйдет из строя хотя бы один светодиод, естественно погаснет и вся цепочка. Тут, правда, можно еще один плюс найти… Если диод закоротит, то цепь не оборвется и остальные чипы продолжат свою работу.
2. Если светодиодов много, то низковольтное питание реализовать архисложно. А это уже проблема. Особенно, если необходимо иметь безопасность в первую очередь.

к оглавлению ↑

Видео на тему последовательного соединения светодиодов

---

Для тех, кому лень читать много букавак, то предлагаем посмотреть простенькое видео на тему: “последовательное соединение светодиодов”. Из него вы быстро почерпнете информацию как правильно подключать диоды при таком соединении.

leds-test.ru

Светодиод – chipenable.ru

Светодиод (Light Emitting Diode, LED) – это полупроводниковый диод, способный излучать свет, когда к нему приложено напряжение в прямом направлении. По сути, это диод, преобразующий электрическую энергию в световую. В зависимости от материала из которого изготовлен светодиод, он может излучать свет разной длины волны (разного цвета) и иметь различные электрические характеристики. 

Светодиоды применяются во многих сферах нашей жизни в качестве средств отображения визуальной информации. Например, в виде одиночных излучателей или в виде конструкций из нескольких светодиодов – семисегментных индикаторов, светодиодных матриц, кластеров и так далее. Также в последние годы светодиоды активно занимают сегмент осветительных приборов. Их используют в автомобильных фарах, фонарях, светильниках и люстрах.

На электрических схемах светодиод обозначается символом диода с двумя стрелками. Стрелки направлены от диода, символизируя световое излучение. Не путай с фотодиодом, у которого стрелки направлены к нему.

На отечественных схемах буквенное обозначение одиночного светодиода – HL.

Стандартный одноцветный светодиод имеет два вывода – это анод и катод. Определить какой из выводов является анодом, можно визуально. У светодиодов с проволочными выводами анод обычно длиннее катода.

У SMD светодиодов выводы одинаковые, но на обратной стороне обычно есть маркировка в виде треугольника или подобия буквы T. Анодом является вывод, к которому обращена одна сторона треугольника или верхняя часть буквы Т. 

Если не получается определить визуально где какие выводы, можно прозвонить светодиод. Для этого понадобится источник питания или адаптер, способный давать напряжение около 5 Вольт. Подключаем любой вывод светодиода к минусу источника, а второй подключаем к плюсовой клемме источника через сопротивление 200 – 300 Ом. Если светодиод подключен правильно, он засветится. В противном случае меняем выводы местами и повторяем процедуру. 

Можно обойтись без резистора, если не подключать плюсовую клемму источника питания, а быстро “чиркнуть” ей по выводу светодиода. Но вообще подавать большое напряжение на светодиод, не ограничивая при этом ток, нельзя – он может выйти из строя!

Светодиод испускает свет, если к нему приложить напряжение в прямом направлении: к аноду – плюс, а к катоду – минус.

Минимальное напряжение, при котором светодиод начинает светится, зависит от его материала. В таблице ниже приведены значения напряжений светодиодов при тестовом токе 20 мА и цвета, которые они излучают. Эти данные я взял из каталога светодиодов фирмы Vishay, различных даташитов и Википедии. 

Самое большое напряжение требуется для голубых и белых светодиодов, а самое маленькое для инфракрасных и красных.

Излучение инфракрасного светодиода не видно человеческим глазом, поэтому такие светодиоды не применяются в качестве индикаторов. Они используются в различных датчиках, подсветках видеокамер. Кстати, если инфракрасный светодиод запитать и посмотреть на него через камеру мобильного телефона, то его свечение будет хорошо видно.

В показанной таблице даны примерные значения напряжения светодиода. Обычно этого достаточно, чтобы его включить. Точную величину прямого напряжения конкретного светодиода можно узнать в его даташите в разделе Electrical Characteristics. Там указано номинальное значение прямого напряжения при заданном токе светодиода. Для примера заглянем в даташит на красный SMD светодиод фирмы Kingbright.

Вольт-амперная характеристика светодиода показывает взаимосвязь между приложенным напряжением и током светодиода. На рисунке ниже показана прямая ветвь характеристики из того же даташита. 

Если светодиод подключить к источнику питания (к аноду +, к катоду -) и с нуля постепенно повышать на нем напряжение, то ток светодиода будет меняться согласно этому графику. По нему видно, что после прохождения точки “загиба”, ток через светодиод будет резко возрастать при небольших изменениях напряжения. Это как раз та причина, по которой светодиод нельзя подключать к любому источнику питания без резистора, в отличии от лампочки накаливания. 

Чем выше ток, тем ярче светится светодиод. Однако повышать ток светодиода до бесконечности, естественно, нельзя. При большом токе светодиод перегреется и сгорит. Кстати, если сразу подать на светодиод высокое напряжение он даже может шлепнуть, как слабенькая петарда! 

Какие еще характеристики светодиода представляют интерес с точки зрения практического использования? 

Максимальная мощность рассеяния, максимальные значения постоянного и импульсного прямых токов и максимальное обратное напряжение. Эти характеристики показывают предельные значения напряжений и токов, которые не стоит превышать. Они описаны в даташите в разделе Absolute Maximum Ratings.

Если приложить к светодиоду напряжение в обратном направлении, светодиод не засветится, да и вообще может выйти из строя. Дело в том, что при обратном напряжении может наступить пробой, в результате которого обратный ток светодиода резко возрастет. И если выделяемая на светодиоде мощность (обратный ток * на обратное напряжение) превысит допустимую – он сгорит. В некоторых даташитах дополнительно приводится и обратная ветвь вольт-амперной характеристики, из которой видно, при каком напряжении наступает пробой. 

Интенсивность излучения (сила света)

Грубо говоря, это характеристика, определяющая яркость свечения светодиода при заданном тестовом токе (обычно 20 мА). Обозначается – Iv, а измеряется в микроканделах (mcd). Чем ярче светодиод, тем выше значение Iv. Научное определение силы света есть в википедии.

Также представляет интерес график зависимости относительной интенсивности излучения светодиода от прямого тока. У некоторых светодиодов, например, при увеличении тока интенсивность излучения растет все меньше и меньше. На рисунке приведено несколько примеров. 

Спектральная характеристика

Она определяет в каком диапазоне длин волн излучает светодиод, грубо говоря цвет излучения. Обычно приводится пиковой значение длины волны и график зависимости интенсивности излучения светодиода от длины волны. Я редко смотрю на эти данные. Знаю, например, что светодиод красный и мне этого достаточно. 

Климатические характеристики

Они определяют диапазон рабочих температур светодиода и зависимости параметров светодиода (прямого тока и интенсивности излучения) от температуры. Если светодиод планируется использовать при высоких или низких температурах, стоит обратить внимание и на эти характеристики. 

Материал статьи рассчитан на начинающих электронщиков, а потому я намеренно не касаюсь физики работы светодиода. Осознание того, что светодиод излучает фотоны в результате рекомбинации носителей заряда в области p-n перехода, не несет никакой полезной информации для практического использования светодиодов. Да и не только для использования, но и для понимания в принципе. 

Однако, если вам хочется покопаться в этой теме, то даю направление, куда рыть – Пасынков В.В, Чиркин Л.К. “Полупроводниковые приборы” или Зи.С “Физика полупроводниковых приборов”. Это ВУЗ`овские учебники – там все по-взрослому. 

О подключении светодиодов в следующем материале…

Поделился статьей – получил светодиодный луч добра!

chipenable.ru

Вольт-амперная характеристика полупроводниковых диодов, типовые ВАХи

Диод – нелинейный пассивный элемент, простейший прибор на основе полупроводника с одним p-n переходом и двумя выводами. Является одним из основных компонентов электронных устройств. Не углубляясь в физику процессов, происходящих в полупроводниковых структурах, следует отметить основное его назначение – пропускать ток в одном направлении. Выводы диода называются анодом и катодом, на обозначении стрелка – это анод, она же указывает на направление тока.

Полупроводниковый диод

Свойства и вольт-амперная характеристика

Если к аноду приложить положительное напряжение, то диод становится открытым, при этом его можно рассматривать как проводник, работающий в «одну сторону», при смене полярности (отрицательном напряжении на аноде) диод закрыт. Надо отметить, что прохождение тока в прямом направлении вызывает некоторое уменьшение напряжения на катоде, вызванное особенностями проводимости полупроводников. Падение напряжения для разных типов приборов составляет 0,3-0,8 вольт, в большинстве случаев им можно пренебречь.

Поведение диода при разных значениях протекающего тока, величины и полярности приложенного напряжения, в виде графика представляется как вольт амперная характеристика полупроводникового диода.

Типовая ВАХ

Часть графика, находящаяся в правой верхней части, соответствует прямому направлению тока. Чем ближе эта ветвь к вертикальной оси, тем меньше падение напряжения на диоде, её наклон указывает на эту величину при разных токах. Для идеального диода она не имеет наклона и почти совпадает с осью ординат, но реальный полупроводник не может обладать такими характеристиками.

В левом нижнем квадранте отображается зависимость тока от напряжения обратной полярности – в закрытом состоянии. Обратный ток для приборов общего назначения исчезающе мал, его не принимают во внимание до момента пробоя – возрастания обратного напряжения до недопустимой для конкретного типа величины. Большинство диодов при таком напряжении не могут работать, температура значительно возрастает, и прибор окончательно выходит из строя. Напряжение, при котором существует вероятность пробоя, называют обратным пиковым, обычно оно в несколько раз превышает рабочее, в документации указывается допустимое время – в пределах микросекунд.

Для измерения параметров применяется элементарная схема с прямым и обратным включением диодов.

Проверка характеристик

В технических описаниях вольт амперная характеристика диода в графическом представлении, как правило, не приводится, а указываются наиболее значимые точки характеристики, например, для часто используемых выпрямительных диодов:

• Максимальный и пиковый выпрямленный ток;
• Среднеквадратичное и пиковое значение обратного напряжения;
• Наибольший обратный ток;
• Падение напряжения при различном прямом токе.

Кроме указанных параметров, не меньшее значение имеют и другие свойства: статическое сопротивление, для импульсных диодов – граничная частота, ёмкость p – n перехода. Приборы специального назначения также имеют специфические характеристики и другой вид ВАХ полупроводникового диода.

Отдельный тип диодов работает в области электрического пробоя, они применяются для стабилизации напряжения – это стабилитроны. От ВАХ диода характеристика стабилитрона отличается резким уходом вниз левой ветви графика и малым её отклонением от вертикали. Эта точка на оси абсцисс называется напряжением стабилизации. Стабилитрон включается только с резистором, ограничивающим ток через него.

Видео

Оцените статью:

elquanta.ru

Расчет сопротивления для светодиода – как подобрать?

Онлайн программа для расчета резистора при подключении светодиодов

Светодиод – нелинейный полупроводниковый прибор, которому для правильной и надежной работы необходим стабильный ток. Перегрузки по току могут вывести светодиод из строя. Самый простой вариант схемы питания в таком случае – ограничительный резистор, включенный последовательно. Расчет номинального сопротивления  и мощности резистора для светодиода не очень сложная задача, если правильно понимать физику процесса. Рассмотрим общие принципы такого расчета, а затем разберем несколько конкретных примеров из практики.

Теория

В общем случае схема выглядит так.

Рисунок 1

Между контактами «+» и «-» прикладывается напряжение. Обозначим его буквой U. Ток через резистор и светодиод будет протекать одинаковый, т.к. соединение последовательное. Согласно закону Ома получаем:

где R – сопротивление резистора;

r_LED– сопротивление светодиода (дифференциальное).

Отсюда выражаем формулу, по которой можно произвести расчет сопротивления резистора R при заданном токе I:

Разберемся что такое дифференциальное сопротивление светодиода r_LED. Для этого нам потребуется его вольтамперная характеристика (ВАХ).

Рисунок 2

Как видно из графиков ВАХ светодиодов – нелинейна. Говоря простым языком, его сопротивление постоянному току r=U/I есть переменная величина, которая уменьшается с ростом напряжения. Поэтому вводится понятие дифференциального сопротивления r_LED=dU/dI, которое характеризует сопротивление диода в отдельно взятой точке кривой ВАХ.

Чтобы произвести расчет резистора для светодиода, определяем по графику прямое напряжение на светодиоде U_LED при заданном токе I. Затем подставляем получившееся значение в формулу (2) и получаем

Еще один способ решения задачи – графический.

Допустим необходимо рассчитать сопротивление резистора для обеспечения светодиоду рабочего тока величиной 100 мА при напряжении источника питания – 5 вольт.

Для этого сначала на графике ВАХ светодиода отмечаем точку соответствующую току 100 мА (см. рисунок 3), затем проводим через эту точку и точку соответствующую 5 вольтам на оси абсцисс нагрузочную прямую до пересечения с осью ординат. Определяем значение тока, соответствующее этому пересечению (в нашем случае 250 мА) и по закону Ома производим расчет сопротивления резистора R= U / I_кз= 5 В / 0,25 А =20 Ом. Перед расчетом не забываем осуществлять перевод единиц измерения к надлежащему виду.

Рисунок 3

Следующим шагом будет определение мощности рассеиваемой на резисторе. Формула должна быть знакома всем из школьной физики (как и закон Ома):

P=I²×R.          (4)

Практика

Рассмотрим несколько конкретный пример расчета.

Исходные данные: напряжение питания 12В, белый светодиод XPE (CREE) требуется включить на номинальный ток 350 мА согласно схеме, представленной на рисунке 1.

Находим в data sheet значение прямого падения напряжения при токе 350 мА (рисунок 4).

Рисунок 4

Типовое значение по таблице — 3,2 вольта. Максимальное значение может достигать 3,9 вольт. То есть в результате производственного процесса может получиться как светодиод с прямым напряжением 3,2 В так и 3,9 В (или любым другим промежуточным значением), но вероятность получения 3,2 вольт наиболее высока (если хотите – это «математическое ожидание» этой величины). По этой причине в расчет обычно берется типовое значение.

Используя формулу (3) и калькулятор получаем:

R=(12-3,2)/0,35»25,1 Ом.

Ближайшее значение из ряда Е24 – 24 Ом. Значение тока при этом сопротивлении получится 367 мА, что на 5% превышает требуемое значение. Если учесть еще и допуск на номинал резистора, который для ряда Е24 также 5%, то в худшем случае получается вообще 386 мА. Если такое отклонение не допустимо, то можно добавить в цепь последовательно еще один резистор номиналом 1 Ом. Все эти действия рекомендуется сопровождать реальными измерениями сопротивлений резисторов и получающихся токов, иначе ни о какой точности не может идти и речи. Резистор 24 Ом может иметь погрешность в сторону увеличения до 25,2 Ом, добавив 1 Ом, получим 26, 2 и «перекос» силы тока через светодиод в противоположную сторону.

Предположим, что нам не нужна высокая точность задания тока и резистор 24 Ом нас устраивает.

Определим мощность, которая будет рассеиваться на резисторе по формуле (4):

P=0,367²×24»3,2 Вт.

Номинальная мощность рассеяния резистора должна быть с запасом не менее 30%, иначе он будет перегреваться. А если условия отвода тепла затруднены (например, в корпусе плохая конвекция), то запас должен быть еще больше.

В итоге выбираем резистор мощностью 5 Вт с номинальным сопротивлением 24 Ом.

Для того чтобы оценить эффективность получившегося светотехнического устройства необходимо рассчитать КПД схемы питания:

Таким образом, КПД подобной схемы питания составляет всего 27%. Такая низкая эффективность обусловлена слишком высоким питающим напряжением 12 вольт, а точнее разницей между U и U_LED. Получается, что 8,8 вольт мы вынуждены «гасить» на резисторе за счет бесполезного рассеяния мощности в окружающее пространство. Для повышения КПД требуется либо снизить напряжения питания, либо найти светодиод с большим прямым напряжением. Как вариант можно включить несколько светодиодов последовательно, выполнив подбор таким образом, чтобы суммарное падение было ближе к напряжению питания, но ни в коем случае не превышало его.

Необходимое значение сопротивления для резистора можно и подобрать, если имеется в наличии магазин сопротивлений и амперметр. Включаем магазин и амперметр в цепь последовательно светодиоду (на место предполагаемого резистора), устанавливаем максимальное значение сопротивления и подключаем к источнику напряжения. Далее начинаем уменьшать значение сопротивления до тех пор, пока сила тока не достигнет нужного значения или светодиод нужной яркости (в зависимости от того, что будет являться критерием). Останется только считать значение сопротивления с магазина и выполнить подбор ближайшего номинала.

Ремарка

В данных расчетах мы пренебрегли зависимостью прямого напряжения светодиода от его температуры, однако не следует забывать, что такая зависимость существует и характеризуется параметром «температурный коэффициент напряжения» или сокращенно ТКН. Его значения отличается для разных видов светодиодов, но всегда имеет отрицательное значение. Это значит что при повышении температуры кристалла, прямое напряжение на нем становится меньше. Например, для рассмотренного выше белого светодиода XPE значение ТКН (оно приводится производителем в data sheet) составляет -4 мВ/°С. Следовательно при увеличении температуры кристалла на 25°С, прямое напряжение на нем уменьшится на 0,1 В.

Рисунок 5

Многие ведущие производители светодиодов имеют на официальных сайтах специальный сервис – «онлайн калькулятор», предназначенный для вычисления параметров светодиодов в различных режимах эксплуатации (в зависимости от температуры, тока и пр.). Этот инструмент значительно облегчает процедуры расчета и экономит время разработчику.

le-diod.ru

Принцип работы диода. Вольт-амперная характеристика. Пробои p-n перехода

Здравствуйте уважаемые читатели сайта sesaga.ru. В первой части статьи мы с Вами разобрались, что такое полупроводник и как возникает в нем ток. Сегодня мы продолжим начатую тему и поговорим о принципе работы полупроводниковых диодов.

Диод – это полупроводниковый прибор с одним p-n переходом, имеющий два вывода (анод и катод), и предназначенный для выпрямления, детектирования, стабилизации, модуляции, ограничения и преобразования электрических сигналов.

По своему функциональному назначению диоды подразделяются на выпрямительные, универсальные, импульсные, СВЧ-диоды, стабилитроны, варикапы, переключающие, туннельные диоды и т.д.

Теоретически мы знаем, что диод в одну сторону пропускает ток, а в другую нет. Но как, и каким образом он это делает, знают и понимают не многие.

Схематично диод можно представить в виде кристалла состоящего из двух полупроводников (областей). Одна область кристалла обладает проводимостью p-типа, а другая — проводимостью n-типа.

На рисунке дырки, преобладающие в области p-типа, условно изображены красными кружками, а электроны, преобладающие в области n-типа — синими. Эти две области являются электродами диода анодом и катодом:

Анод – положительный электрод диода, в котором основными носителями заряда являются дырки.

Катод – отрицательный электрод диода, в котором основными носителями заряда являются электроны.

На внешние поверхности областей нанесены контактные металлические слои, к которым припаяны проволочные выводы электродов диода. Такой прибор может находиться только в одном из двух состояний:

1. Открытое – когда он хорошо проводит ток;
2. Закрытое – когда он плохо проводит ток.

Прямое включение диода. Прямой ток.

Если к электродам диода подключить источник постоянного напряжения: на вывод анода «плюс» а на вывод катода «минус», то диод окажется в открытом состоянии и через него потечет ток, величина которого будет зависеть от приложенного напряжения и свойств диода.

При такой полярности подключения электроны из области n-типа устремятся навстречу дыркам в область p-типа, а дырки из области p-типа двинутся навстречу электронам в область n-типа. На границе раздела областей, называемой электронно-дырочным или p-n переходом, они встретятся, где происходит их взаимное поглощение или рекомбинация.

Например. Oсновные носители заряда в области n-типа электроны, преодолевая p-n переход попадают в дырочную область p-типа, в которой они становятся неосновными. Ставшие неосновными, электроны будут поглощаться основными носителями в дырочной области – дырками. Таким же образом дырки, попадая в электронную область n-типа становятся неосновными носителями заряда в этой области, и будут также поглощаться основными носителями – электронами.

Контакт диода, соединенный с отрицательным полюсом источника постоянного напряжения будет отдавать области n-типа практически неограниченное количество электронов, пополняя убывание электронов в этой области. А контакт, соединенный с положительным полюсом источника напряжения, способен принять из области p-типа такое же количество электронов, благодаря чему восстанавливается концентрация дырок в области p-типа. Таким образом, проводимость p-n перехода станет большой и сопротивление току будет мало, а значит, через диод будет течь ток, называемый прямым током диода Iпр.

Обратное включение диода. Обратный ток.

Поменяем полярность источника постоянного напряжения – диод окажется в закрытом состоянии.

В этом случае электроны в области n-типа станут перемещаться к положительному полюсу источника питания, отдаляясь от p-n перехода, и дырки, в области p-типа, также будут отдаляться от p-n перехода, перемещаясь к отрицательному полюсу источника питания. В результате граница областей как бы расширится, отчего образуется зона обедненная дырками и электронами, которая будет оказывать току большое сопротивление.

Но, так как в каждой из областей диода присутствуют неосновные носители заряда, то небольшой обмен электронами и дырками между областями происходить все же будет. Поэтому через диод будет протекать ток во много раз меньший, чем прямой, и такой ток называют обратным током диода (Iобр). Как правило, на практике, обратным током p-n перехода пренебрегают, и отсюда получается вывод, что p-n переход обладает только односторонней проводимостью.

Прямое и обратное напряжение диода.

Напряжение, при котором диод открывается и через него идет прямой ток называют прямым (Uпр), а напряжение обратной полярности, при котором диод закрывается и через него идет обратный ток называют обратным (Uобр).

При прямом напряжении (Uпр) сопротивление диода не превышает и нескольких десятков Ом, зато при обратном напряжении (Uобр) сопротивление возрастает до нескольких десятков, сотен и даже тысяч килоом. В этом не трудно убедиться, если измерить обратное сопротивление диода омметром.

Сопротивление p-n перехода диода величина не постоянная и зависит от прямого напряжения (Uпр), которое подается на диод. Чем больше это напряжение, тем меньшее сопротивление оказывает p-n переход, тем больший прямой ток Iпр течет через диод. В закрытом состоянии на диоде падает практически все напряжение, следовательно, обратный ток, проходящий через него мал, а сопротивление p-n перехода велико.

Например. Если включить диод в цепь переменного тока, то он будет открываться при положительных полупериодах на аноде, свободно пропуская прямой ток (Iпр), и закрываться при отрицательных полупериодах на аноде, почти не пропуская ток противоположного направления – обратный ток (Iобр). Эти свойства диодов используют для преобразования переменного тока в постоянный, и такие диоды называют выпрямительными.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода.

Зависимость тока, проходящего через p-n переход, от величины и полярности приложенного к нему напряжения изображают в виде кривой, называемой вольт-амперной характеристикой диода.

На графике ниже изображена такая кривая. По вертикальной оси в верхней части обозначены значения прямого тока (Iпр), а в нижней части — обратного тока (Iобр).
По горизонтальной оси в правой части обозначены значения прямого напряжения Uпр, а в левой части – обратного напряжения (Uобр).

Вольт-амперная характеристика состоит как бы из двух ветвей: прямая ветвь, в правой верхней части, соответствует прямому (пропускному) току через диод, и обратная ветвь, в левой нижней части, соответствующая обратному (закрытому) току через диод.

Прямая ветвь идет круто вверх, прижимаясь к вертикальной оси, и характеризует быстрый рост прямого тока через диод с увеличением прямого напряжения.
Обратная ветвь идет почти параллельно горизонтальной оси и характеризует медленный рост обратного тока. Чем круче к вертикальной оси прямая ветвь и чем ближе к горизонтальной обратная ветвь, тем лучше выпрямительные свойства диода. Наличие небольшого обратного тока является недостатком диодов. Из кривой вольт-амперной характеристики видно, что прямой ток диода (Iпр) в сотни раз больше обратного тока (Iобр).

При увеличении прямого напряжения через p-n переход ток вначале возрастает медленно, а затем начинается участок быстрого нарастания тока. Это объясняется тем, что германиевый диод открывается и начинает проводить ток при прямом напряжении 0,1 – 0,2В, а кремниевый при 0,5 – 0,6В.

Например. При прямом напряжении Uпр = 0,5В прямой ток Iпр равен 50mA (точка «а» на графике), а уже при напряжении Uпр = 1В ток возрастает до 150mA (точка «б» на графике).

Но такое увеличение тока приводит к нагреванию молекулы полупроводника. И если количество выделяемого тепла будет больше отводимого от кристалла естественным путем, либо с помощью специальных устройств охлаждения (радиаторы), то в молекуле проводника могут произойти необратимые изменения вплоть до разрушения кристаллической решетки. Поэтому прямой ток p-n перехода ограничивают на уровне, исключающем перегрев полупроводниковой структуры. Для этого используют ограничительный резистор, включенный последовательно с диодом.

У полупроводниковых диодов величина прямого напряжения Uпр при всех значениях рабочих токов не превышает:
для германиевых — 1В;
для кремниевых — 1,5В.

При увеличении обратного напряжения (Uобр), приложенного к p-n переходу, ток увеличивается незначительно, о чем говорит обратная ветвь вольтамперной характеристики.
Например. Возьмем диод с параметрами: Uобр max = 100В, Iобр max = 0,5 mA, где:

Uобр max – максимальное постоянное обратное напряжение, В;
Iобр max – максимальный обратный ток, мкА.

При постепенном увеличении обратного напряжения до значения 100В видно, как незначительно растет обратный ток (точка «в» на графике). Но при дальнейшем увеличении напряжения, свыше максимального, на которое рассчитан p-n переход диода, происходит резкое увеличение обратного тока (пунктирная линия), нагрев кристалла полупроводника и, как следствие, наступает пробой p-n перехода.

Пробои p-n перехода.

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

Электрический пробой.

Электрический пробой возникает в результате воздействия сильного электрического поля в p-n переходе. Такой пробой является обратимый, то есть он не приводит к повреждению перехода, и при снижении обратного напряжения свойства диода сохраняются. Например. В таком режиме работают стабилитроны – диоды, предназначенные для стабилизации напряжения.

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 p-типа в область n-типа без изменения своей энергии. Тонкие p-n переходы возможны только при высокой концентрации примесей в молекуле полупроводника.

В зависимости от мощности и назначения диода толщина электронно-дырочного перехода может находиться в пределах от 100 нм (нанометров) до 1 мкм (микрометр).

Для туннельного пробоя характерен резкий рост обратного тока при незначительном обратном напряжении – обычно несколько вольт. На основе этого эффекта работают туннельные диоды.

Благодаря своим свойствам туннельные диоды используются в усилителях, генераторах синусоидальных релаксационных колебаний и переключающих устройствах на частотах до сотен и тысяч мегагерц.

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.

Диоды, в которых используется эффект лавинного пробоя используются в мощных выпрямительных агрегатах, применяемых в металлургической и химической промышленности, железнодорожном транспорте и в других электротехнических изделиях, в которых может возникнуть обратное напряжение выше допустимого.

Тепловой пробой.

Тепловой пробой возникает в результате перегрева p-n перехода в момент протекания через него тока большого значения и при недостаточном теплоотводе, не обеспечивающем устойчивость теплового режима перехода.

При увеличении приложенного к p-n переходу обратного напряжения (Uобр) рассеиваемая мощность на переходе растет. Это приводит к увеличению температуры перехода и соседних с ним областей полупроводника, усиливаются колебания атомов кристалла, и ослабевает связь валентных электронов с ними. Возникает вероятность перехода электронов в зону проводимости и образования дополнительных пар электрон — дырка. При плохих условиях теплоотдачи от p-n перехода происходит лавинообразное нарастание температуры, что приводит к разрушению перехода.

На этом давайте закончим, а в следующей части рассмотрим устройство и работу выпрямительных диодов, диодного моста.
Удачи!

Источник:

1. Борисов В.Г — Юный радиолюбитель. 1985г.
2. Горюнов Н.Н. Носов Ю.Р — Полупроводниковые диоды. Параметры, методы измерений. 1968г.

sesaga.ru

Устройство типового светодиода

Наверняка не все читатели имеют представления об устройстве и технических характеристиках главного «кирпичика» твердотельных источников света — светодиода. Поэтому начнем раздел именно с этого вопроса, а затем перейдем к современным устройствам, сконструированным на основе светодиодов и необходимому дополнительному оборудованию.

На рисунке показаны наиболее распространенные конструктивные исполнения светодиодов. Обратите внимание на рис. (б) — светодиод белого свечения имеет отражатель, формирующий диаграмму излучения, а также содержит люминофор, исправляющий излучаемый спектр. Выводы светодиодов бывают штыревыми (для пайки в отверстие), планарные (для монтажа к печатным площадкам) и даже проводные (у мощных образцов). Значительным разнообразием отличаются и корпуса светодиодов: они могут быть цветными и бесцветными (прозрачными и матовыми), полукруглыми, плоскими, прямоугольными, с концентрирующими линзами. Иметь дело с бесцветными корпусами сложнее: никогда не узнать конкретный цвет свечения светодиода до подключения его к источнику энергии.

Наиболее наглядно описывает «электрику» светодиодов вольт-амперная характеристика (ВАХ), то есть зависимость проходящего через диод тока от приложенного к нему напряжения. При приложении обратного (запирающего) напряжения любой диод ток не проводит. Читателю надо запомнить, что, в отличие от выпрямительных диодов, светодиоды не допускают больших значений обратных напряжений. Стандартное предельное обратное напряжение светодиода не превышает 5 В, так что будьте осторожны с «переполюсовками»!

Прямая ветвь ВАХ светодиодов отличается от ВАХ обычных диодов только значением напряжения открывания и падением напряжения в открытом состоянии. Если германиевые диоды открываются при напряжении 0,1…0,2 В, кремниевые — при 0,6…0,7 В, то напряжение открывания светодиодов лежит в диапазоне 1,2…2,9 В. После открывания напряжение на светодиодах немного растет с увеличением тока, стабилизируясь на определенном уровне уже при токе порядка 1 мА. Это означает, что светодиод в практических схемах может работать только как токовый прибор. Как это понять? Очень просто!

Однажды автор стал невольным свидетелем разговора между продавцом одного петербургского магазина радиодеталей и достаточно далекого от электроники покупателя, которому понадобилось приобрести для каких-то целей светодиод. Покупатель спросил, какое напряжение нужно подать на него, чтобы светодиод загорелся. Продавец измерил тестером напряжение на клеммах прибора проверки и с радостью сообщил — нужно 12 вольт. Он просто не учел одного: измерялось напряжение источника питания через балластный резистор, сопротивление которого существенно меньше по сравнению с внутренним сопротивлением прибора…

altenergy.org.ua