Принцип работы диода для чайников

Что такое диод — принцип работы и устройство

Диод –это один из самых простых приборов-полупроводников. У него есть две области с разными типами проводимости: положительный и отрицательный электрод. Это есть то, из чего состоит диод: анод, катод иp-n переход. Существует несколько разновидностей приборов.

Электровакуумные диоды

Вакуумный диод – это устройство в виде стеклянной лампы или металлокерамического баллона. Из него откачивают воздух и помещают внутрь два электрода с нитью накаливания – проводником. Она соединяется с катодом и нагревается внешним током.

Принцип работы

У диода принцип работы основан на односторонней проводимости. В электровакуумных приборах это достигается следующим образом:

Нить накаливания нагревается, передавая тепло катоду, который начинает испускать электроны.
Анод притягивает частицы только на «плюсе».
Анод, подключенный к «минусу»,начнет отталкивать электроны, и тока в цепи не будет.

Благодаря принципу действия диода, основанному на управлении потоком электронов, такие устройства также называют ламповыми.

Конструкция прибора предполагает наличие выводов электродов, соединенных с контактными областями. У диода может быть два состояния: открытое и закрытое.

Прямое включение диода

К аноду диода подают положительное напряжение, на катод – отрицательное. Что получается:

электроны двигаются к месту p-n границы;
сопротивление в месте перехода уменьшается, проводимость увеличивается;
как следствие возникает прямой ток.

При соблюдении полярности диод будет считаться включенным прямо.

Обратное включение диода

Если подключить выводы наоборот, частицы станут перемещаться от p-n слоя. Сопротивление повысится, и протекающий ток будет низким, или обратным. При расчетах его не учитывают – под односторонней проводимостью подразумевают наличие именно прямого тока.

Виды напряжения

Соответственно состояниям различают два типа напряжения: прямое и обратное. Главный определяющий параметр – сопротивление границы областей электродов.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ)

Один из ответов на вопрос о том, что такое вах диода, – зависимость проходящего через границу p-n тока от полярности подаваемого напряжения и его величины.

Ее показывают на графике:

вертикальная ось – прямой и обратный ток (верхняя и нижняя часть) в Амперах;
горизонтальная – обратное и прямое напряжение (левая и правая сторона).

Образуется кривая, показывающая значения пропускного и обратного тока.

Полупроводниковые диоды

Как работает диод полупроводник? Его работа основана на взаимодействии заряда с электромагнитным полем. Условная конструкция:

элемент из полупроводникового материала;
сторона, принимающая электроны, – анод, проводимость p-типа;
катод, отдающий частицы (проводимость n-типа).

Между двумя слоями формируется граница – p-n переход.

Вольт-амперная характеристика

На графике кривая имеет ветви в обеих его частях:

Прямая – в правой части графика. Направлена вверх, показывает возрастание прямого тока при увеличении напряжения.
Обратная – в левой стороне. Показывает рост обратного тока – меньше, чем прямого, поэтому ветвь расположена близко к оси напряжения.

Чем ближе ветвь к вертикальной оси справа и к горизонтальной слева, тем лучше выпрямительные свойства.

Предельные значения параметров

На графике каждого прибора есть момент, когда ток нарастает сильнее. Это зависит от устройства диода – разные материалы «открываются» при разных показателях. Ток возрастает, и происходит нагревание кристалла полупроводника.

Тепло либо рассеивается само по себе, либо отводится при помощи радиаторов. Если ток превышает допустимый параметр, проводник разрушается под воздействием высокой температуры. Поэтому по назначению диода, а также материалу определяют максимально допустимые параметры.

Виды полупроводниковых диодов

Полупроводниковый – широкое определение, оно описывает саму идею и общее устройство. На практике существует множество узкоспециализированных разновидностей.

Выпрямители и их свойства

Иногда нужно преобразовать ток в цепи, для чего нужен диод с выпрямительными свойствами либо диодный мост. Благодаря принципу работы, переменный ток на входе прибора даст лишь одну полуволну – в открытом состоянии.

Полупроводниковые стабилитроны

Задача этих устройств – стабилизация напряжения. Как это происходит:

в обычном состоянии у перехода высокое сопротивление, ток почти не проходит;
если наступает пробой, проходимость увеличивается, сопротивление падает.

Устройства работают в условиях пробоя и часто применяются для профилактики перенапряжения.

Диод Зенера

Часто можно встретить название «диод Зенера», что это такое? Это лишь еще одно название стабилитрона – в честь ученого Кларенса Зенера, открывшего туннельный пробой. Это эффект прохождения заряженных частиц через p-n барьер, когда перекрываются зоны электродов. Открытие позволило разработать первые стабилитроны, отсюда название.

Принцип работы детекторов

На основе обычного выпрямителя можно собрать простейший амплитудный детектор. Как устроена работа диода (например, с барьером Шоттки):

если полупериоды выше напряжения на конденсаторе, начинается зарядка;
как только амплитуда становится меньше его значения, диод закрывается.

Конденсатор разряжается, происходит восстановление низкочастотного сигнала.

Светодиод

В отличие от обычного прибора, СД создают оптическое излучение при прохождении тока. Это происходит при рекомбинации носителей заряда с излучением фотонов на границе электродов. Впервые эффект был открыт в 1907 году, технология продолжает совершенствоваться до сих пор.

Особенности светодиода

Спектр оптического излучения узкий – нужный цвет изначально заложен в кристалле диода. Однако диапазон может отличаться в зависимости от состава материала-полупроводника:

зеленый – фосфид галлия;
синий – карбид кремния;
красный – арсенид галлия.

При этом светодиоды обладают высокой световой отдачей, спектральной чистотой, прочностью и долговечностью.

Туннельный

Работает на основе одноименного эффекта. При изготовлении применяют вырожденные полупроводники. Встречается в качестве усилителя.

Обращенный диод

Обладают высокими показателями обратного тока, превосходящими прямой. Отличаются низкой чувствительностью к ионизирующему излучению.

Варикап

Проще всего объяснить на примере конденсатора с переменной толщиной диэлектрического слоя. При низком напряжении на p-n переходе толщина слоя при высокой емкости мала, при высоком – слой должен увеличиваться. Для чего нужны такие диоды? Их используют как элементы с управляемой емкостью, например, в системах автонастройки частоты в радиоприборах.

Фотодиод

Устройства, в которых обратный ток возникает при попадании фотонов. По принципу действия схожи с обычным солнечным элементом.

Маркировка

Современная маркировка диодов содержит четыре элемента:

материал изготовления;
обозначение класса диода;
назначение или свойства;
номер разработки.

Например, КД202А – кремниевый (К), выпрямительный (Д) диод.

Триоды

Раньше использовались вместо транзисторов; в современной электротехнике почти не используются. Состоят из трех электродов: катода прямого либо косвенного накала, анода и сетки. В зависимости от напряжения, регулируется поток электронов, создавая эффект усилителя.

Плюсы и минусы

Полупроводниковые диоды имеют как преимущества, так и недостатки. К первым можно отнести:

доступность – элементы стоят недорого;
взаимозаменяемость – при выходе из строя легко подобрать и установить аналогичный;
высокая пропускная способность;
простой принцип работы.

Из недостатков – уязвимость к внешним воздействиям и возможные неисправности. Это могут быть:

обрыв перехода;
нарушение герметичности;
пробой перехода.

Однако устранить повреждения и заменить устройство несложно, поэтому минусы можно считать несущественными.

Использование в быту

Благодаря тому, как просто устроены диоды, они распространены повсеместно. Их используют почти в каждом приборе, который можно увидеть дома. Например, LED телевизоры, сам принцип их работы основан на использования светодиодов. Другие примеры – блоки питания, реле, любительские электрические схемы.

Основные неисправности диодов

Главная проблема, с которой сталкиваются при использовании диодов, – эффект пробоя. Есть несколько видов неисправности.

Пробой p-n-перехода

При пробое происходит уменьшение сопротивления, образуется обратный ток. Различают лавинный пробой, которой сопровождается цепочкой прорывов, и полевой.

Электрический пробой

Главное в электрических пробоях – они обладают обратимой природой (состояние возвращается к нормальному). Это значит, что переход не повреждается. Это позволяет использовать пробой как основополагающий принцип работы – как в стабилитронах.

Тепловой пробой

Возникает при повышении температуры. Отличается возникновением необратимых повреждений: разрушается кристаллическая решетка полупроводника.

Несмотря на простоту конструкции, диод по-прежнему используется в современных устройствах. Найти ему альтернативу удается не всегда. Тем более продолжаются работы по технологическому совершенствованию диодов для различных задач.

Видео

Диоды (часть 1). Устройство и работа. Характеристики и особенности

Самым простым по конструкции в семействе полупроводников являются диоды, имеющие в конструкции всего два электрода, между которыми существует проводимость электрического тока в одну сторону. Такой вид проводимости в полупроводниках создается благодаря их внутреннему устройству.

Особенности устройства

Не зная конструктивных особенностей диода, нельзя понять его принципа действия. Структура диода состоит из двух слоев с проводимостью различного вида.

Диод состоит из следующих основных элементов:

Корпус . Выполняется в виде вакуумного баллона, материалом которого может быть керамика, металл, стекло и другие прочные материалы.
Катод . Он расположен внутри баллона, служит для образования эмиссии электронов. Наиболее простым устройством катода является тонкая нить, раскаляющаяся в процессе действия. Современные диоды оснащены косвенно накаляющимися электродами, которые выполнены в виде металлических цилиндров со свойством активного слоя, имеющего возможность испускать электроны.
Подогреватель . Это особый элемент в виде нити, раскаляющейся от электрического тока. Подогреватель расположен внутри косвенно накаляющегося катода.
Анод . Это второй электрод диода, служащий для приема электронов, вылетевших от катода. Анод имеет положительный потенциал, по сравнению с катодом. Форма анода чаще всего так же, как и катода, цилиндрическая. Оба электрода аналогичны эмиттеру и базе полупроводников.
Кристалл . Его материалом изготовления является германий или кремний. Одна часть кристалла имеет р-тип с недостатком электронов. Другая часть кристалла имеет n-тип проводимости с избытком электронов. Граница, расположенная между этими двумя частями кристалла, называется р-n переходом.

Эти особенности конструкции диода позволяют ему проводить ток в одном направлении.

Принцип действия

Работа диода характеризуется его различными состояниями, и свойствами полупроводника при нахождении в этих состояниях. Рассмотрим подробнее основные виды подключений диодов, и какие процессы происходят внутри полупроводника.

Диоды в состоянии покоя

Если диод не подключен к цепи, то внутри него все равно происходят своеобразные процессы. В районе «n» есть излишек электронов, что создает отрицательный потенциал. В области «р» сконцентрирован положительный заряд. Совместно такие заряды создают электрическое поле.

Так как заряды с разными знаками притягиваются, то электроны из «n» проходят в «р», при этом заполняют дырки. В итоге таких процессов в полупроводнике появляется очень слабый ток, увеличивается плотность вещества в области «р» до определенного значения. При этом частицы расходятся по объему пространства равномерно, то есть, происходит медленная диффузия. Вследствие этого электроны возвращаются в область «n».

Для многих электрических устройств направление тока не имеет особого значения, все работает нормально. Для диода же, большое значение имеет направление протекания тока. Основной задачей диода является пропускание тока в одном направлении, чему благоприятствует переход р-n.

Обратное включение

Если диоды подсоединять к питанию по изображенной схеме, то ток не будет проходить через р-n переход. К области «n» подсоединен положительный полюс питания, а к «р» — минусовой. В итоге электроны от области «n» переходят к плюсовому полюсу питания. Дырки притягиваются минусовым полюсом. На переходе возникает пустота, носители заряда отсутствуют.

При повышении напряжения дырки и электроны осуществляют притягивание сильнее, и на переходе нет носителей заряда. При обратной схеме включения диода ток не проходит.

Повышение плотности вещества возле полюсов создает диффузию, то есть, стремление к распределению вещества по объему. Это возникает при выключении питания.

Обратный ток

Вспомним о работе неосновных переносчиков заряда. При запертом диоде, через него проходит малая величина обратного тока. Он и образуется от неосновных носителей, двигающихся в обратном направлении. Такое движение возникает при обратной полярности питания. Обратный ток обычно незначительный, так как число неосновных носителей очень мало.

При возрастании температуры кристалла их число повышается и обуславливает повышение обратного тока, что обычно приводит к повреждению перехода. Для того, чтобы ограничить температуру работы полупроводников, их корпус монтируют на теплоотводящие радиаторы охлаждения.

Прямое включение

Поменяем местами полюса питания между катодом и анодом. На стороне «n» электроны будут отходить от отрицательного полюса, и проходить к переходу. На стороне «р» дырки, имеющие положительный заряд, оттолкнутся от положительного вывода питания. Поэтому электроны и дырки начнут стремительное движение друг к другу.

Частицы с разными зарядами скапливаются возле перехода, и между ними образуется электрическое поле. Электроны проходят через р-n переход и двигаются в область «р». Часть электронов рекомбинирует с дырками, а остальные проходят к положительному полюсу питания. Возникает прямой ток диода, который имеет ограничения его свойствами. При превышении этой величины диод может выйти из строя.

При прямой схеме диода, его сопротивление незначительное, в отличие от обратной схемы. Считается, что обратно ток по диоду не проходит. В результате мы выяснили, что диоды работают по принципу вентиля: повернул ручку влево – вода течет, вправо – нет воды. Поэтому их еще называют полупроводниковыми вентилями.

Прямое и обратное напряжение

Во время открытия диода, 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. В этом можно убедиться путем измерения мультиметром.

Сопротивление полупроводникового кристалла может изменяться в зависимости от напряжения. При увеличении этого значения сопротивление снижается, и наоборот.

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.

Характеристика диодов

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.

Принцип работы диода для чайников

Это электронный компонент, который пропускает электрический ток только в одну сторону – от анода к катоду. Диод также называют выпрямителем, так как он преобразует переменный ток в пульсирующий постоянный.

Из чего состоит диод

Полупроводниковый диод состоит из пластинки полупроводникового материала (кремний или германий) одна сторона пластинки – с электропроводностью р-типа, т.е. принимает электроны. Другая сторона отдает электроны и соответственно называется отдающей электроны, у нее проводимость n-типа. На внешние поверхности пластины нанесены контактные металлические слои, к которым припаяны проволочные выводы электродов диода.

Где используются диоды

Диодные мосты. В их составе может находиться от 4 до 12 диодов, которые последовательно соединены друг с другом. Они применяются для однофазных и трёхфазных схем, где выполняют функцию выпрямителей. В большинстве случаев такие диодные мосты устанавливаются на генераторах автомобилей. Благодаря им не только увеличивается надёжность устройства, но и уменьшаются его размеры.
Диодные детекторы. Они представляют собой конструкцию, которая сочетает в себе не только несколько диодов, но и конденсаторы. Благодаря этому достигается способность выделять модуляцию с низкими частотами из соответствующих сигналов. Такие детекторы часто используются при изготовлении радиоприёмников и телевизоров.
Диодная искрозащита. Для её создания применяются специальные диодные барьеры, которые ограничивают напряжение в имеющейся электрической цепи. Вместе с ними используются специальные токоограничительные резисторы, необходимые для контроля за величиной параметров проходящего электрического тока.
Переключатели на основе диодов. Эти устройства дополняются конденсаторами и коммутируют высокочастотные сигналы. При этом контроль за работой осуществляется с помощью подачи управляющего сигнала, разделения высоких частот и применения постоянного тока.

Схематическое обозначение диода

Чтобы лучше запомнить расположение Анода и Катода на схеме, представим себе следующую картину:

Принцип работы

Лучшим примером полярного устройства может послужить диод, который является односторонним “клапаном” для электрического тока. Принцип его действия аналогичен обратному клапану, используемому в водопроводе и гидравлических системах. В идеале, диод обеспечивает беспрепятственный поток для тока в одном направлении (практически не оказывая ему сопротивления), и препятствует этому потоку в обратном направлении (оказывая ему бесконечное сопротивление).

Если мы поместим диод в схему с батареей и лампочкой, то выполняемая им работа будет следующей:

Когда диод стоит в правильном направлении, разрешающем поток, лампочка горит. В противном случае диод блокирует поток электронов аналогично обрыву цепи, и лампочка гореть не будет.

Если мы используем общепринятое обозначение потока в цепи, то стрелка символа диода указывает на направление потока зарядов от положительного контакта к отрицательному:

Схематично диод можно представить как две пластинки полупроводника, одна из которых обладает электропроводностью типа p, другая – типа n. На рисунке область типа p – это анод, а область типа n – является отрицательным электродом или катодом.

Слой между типами n (negative) и p (positive) называется p-n переходом. Диод может находиться в одном из двух состояний – открытом (когда он хорошо проводит ток) и закрытом (когда он плохо проводит ток).

На некоторых диодах катод обозначают полоской, которая отличается от цвета корпуса.

Разновидности, обозначения

Сейчас в основном применяются полупроводниковые диоды. Рассмотрим подробнее некоторые их разновидности:

Выпрямительный диод – также известен как защитный, кремниевый. Используются для преобразования переменного тока в постоянный.

Диод Зеннера (Стабилитрон). Используют стабилитрон для стабилизации напряжения.

Туннельный диод (диод Лео Эсаки). Используются в генераторах, усилителях.

Светодиод (диод Генри Раунда) – при пропускании через него прямого тока, дает оптическое излучение.

Фотодиод. Под действием света в нем появляется значительный обратный ток, и он может генерировать небольшую электродвижущую силу.

Диод Шоттки – диод с малым падением напряжения при прямом включении. Также известен как сигнальный, германиевый. Открывается быстро, сгорает после пробоя обратным током.

Лавинный диод – его принцип работы основан на лавинном пробое, используется для защиты цепей от перенапряжений.

Единицы измерения и маркировка

Система обозначений активных компонентов Pro Electron, введена в 1966 году. Согласно системе, диод кодируется:
Первая буква — это материал полупроводника:

A — Germanium (германий);
B — Silicium (кремний);

Вторая буква – это подкласс приборов:

A — сверхвысокочастотные диоды;
B — варикапы;
X — умножители напряжения;
Y — выпрямительные диоды;
Z — стабилитроны, например:

В результате получается:

AA-серия — германиевые сверхвысокочастотные диоды;
BA-серия — кремниевые сверхвысокочастотные диоды;
BY-серия — кремниевые выпрямительные диоды;
BZ-серия — кремниевые стабилитроны.

Система обозначений кодировки диодов

1-эл. Код материала полупроводника	2-эл. Тип подкласса	3-эл. Серийный номер	4-эл. Буква модификации
A — германий	A — детекторный, смесительный диод	100 — 999 приборы общего применения	Модификации прибора
В — кремний	B — варикап	Z10. A99 приборы промышленного и специального применения
C — арсенид галлия	C — маломощный, низкочастотный транзистор
R — сульфид кадмия	D — мощный, низкочастотный транзистор
E — туннельный диод
F — маломощный, высокочастотный транзистор
G — несколько приборов в одном корпусе
H — магнитодиод
K — генераторы Холла
L — мощный, высокочастотный транзистор
M — модуляторы и умножители Холла
P — фотодиод, фототранзистор
Q — излучающие приборы
R — прибор, работающий в области пробоя
S — маломощный переключающий транзистор
T — мощный регулирующий или переключающий прибор
U — мощный переключающий транзистор
X — умножительный диод
Y — мощный выпрямительный диод
Z — стабилитрон

Цветовая маркировка диодов

Стабилитроны. Цветовая маркировка по системе JIS-C-7012 (Япония)			Диоды и стабилитроны. Цветовая маркировка по системе JEDEC (США)					Диоды. Цветовая маркировка по европейской системе PRO ELECTRON
Цвет полосы (точки)	1-й элемент	2-й элемент	1-й элемент	2-й элемент	3-й элемент	4-й элемент	5-й элемент	1-й элемент	2-й элемент	3-й элемент	4-й элемент
Золотой
Серебряный
Черный	0	0	0	0	0	—	AA	X	0
Коричневый	1	1	1	1	1	1	A	1	1
Красный	2	2	2	2	2	2	B	BA	S	2	2
Оранжевый	3	3	3	3	3	3	C	3	3
Желтый	4	4	4	4	4	4	D	T	4	4
Зеленый	5	5	5	5	5	5	E	V	5	5
Голубой	6	6	6	6	6	6	F	W	6	6
Фиолетовый	7	7	7	7	7	7	G	7	7
Серый	8	8	8	8	8	8	H	Y	8	8
Белый	9	9	9	9	9	9	I	Z	9	9
Пример обозначения
Пример обозначения	10 В		1N66					BAT85
Двойной второй элемент указывает на запятую между цифрами
Двойной второй элемент указывает на запятую между цифрами	7,5 В		1N237A

3,9 В		1N1420G

Вольт-амперная характеристика

После того, как напряжение в прямом направлении превысит небольшой порог VF диод открывается и начинает практически беспрепятственно пропускать ток, который создаётся оставшимся напряжением.

Если напряжение подаётся в обратном направлении, диод сдерживает ток вплоть до некоторого большого напряжения VDC после чего пробивается и работает также, как в прямом направлении.

Вольт амперная характеристика полупроводникового диода зависит от материала, из которого он изготовлен, прямого и дифференциального сопротивления, теплового потенциала и других параметров.

Устройство и принцип работы диода при прямом и обратном включении

Диоды – самые простые полупроводники с двумя электродами, проводящие ток в одном направлении.

Они способны стабилизировать, выпрямлять, модулировать, ограничивать, преобразовать ток, поэтому установлены почти во всех бытовых электроприборах.

Основные характеристики диода: постоянный прямой и обратный электроток, прямое и обратное напряжение, прямое и обратное сопротивление, их максимально допустимые значения.

При монтаже в любом устройстве учитываются максимально допустимые значения параметров.

Устройство

В корпус, изготовленный в виде вакуумного баллона из керамики, стекла или металла, устанавливается:

кристалл;
анод;
катод;
подогреватель.

Кристаллы производятся из кремния или германия. Анод (плюс) и катод (минус) цилиндрической формы, помещаются внутри баллона. Подогреватель – нить внутри катода, которая раскаляется при подаче электротока, нагревая его. После достижения определенного уровня температуры активный слой на катоде генерирует нужные для работы электроны.

Сферы применения и назначение

По выполняемой работе диоды разделяются на универсальные, СВЧ, импульсные, выпрямительные, переключающие, стабилитроны, варикапы.

Они устанавливаются в электрооборудование:

преобразователи частоты, детекторы, логарифматоры;
выпрямители тока;
стабилизаторы;
ограничители колебаний вольтажа;
переключатели;
цепи, проводящие ток в единственном направлении;
лампочки индикации;
приборы, требующие отображения информации на дисплеях;
LED телевизоры.

Справка! Светодиоды монтируется в осветительные матрицы (ленты, лампы).

Работа диода и его вольт амперная характеристика

По конструкции диод является кристаллом с двумя областями, обладающими различной проводимостью (p и n). Область с p-проводимостью анод (+), с n-проводимостью – катод (-). В аноде заряд в дырках, в катоде – в электронах. Кристалл покрыт металлом с выводами.

Строение определяет 2 положения:

открытое;
закрытое.

В открытом положении проводимость электротока хорошая, в закрытом – очень плохая.

Вольт-амперной характеристикой называется график. На вертикальной оси отражается основной и противоположный ток, на горизонтальной – основной и противоположный вольтаж.

Прямой электроток повышается быстро параллельно увеличению вольтажа. Противоположный ток увеличивается медленнее.

При слишком большом прямом электротоке молекулы кристалла нагреваются. Если нет системы охлаждения, существует вероятность разрушения кристаллической решетки. В схемах прямой поток ограничивается резистором, подключенным последовательно.

Справка! От электротока прямое напряжение не зависит. Для кремневых полупроводников оно не превышает 1,5 В, для изделий из германия – 1 В.

Прямое включение диода

Диод открывается после подключения напряжения, параметры основного тока зависят от характеристик кристалла и вольтажа. Из n-области в p-область устремляются электроны, из p-области в n-область – дырки. Частицы встречаются на границе (p-n переходе), запускается процесс поглощения (рекомбинации), сопротивление и вольтаж снижаются.

Вокруг p-n образуется поле, которое направляется в противоположную сторону. Электроны перемещаются и возвращаются, появляется дрейфующий ток с неизменными параметрами, зависящими только от количества заряженных частиц. Одновременно растет обратное напряжение, переходя в стадию насыщения.

Основной ток увеличивается стремительнее при повышении температуры во время работы прибора.

Обратное включение диода

Если плюс блока питания присоединяется к минусу полупроводника, а минус – к плюсу, работа диода прекращается (он закрывается). Заряженные частицы начинают отдаляться от области p-n, она расширяется, повышается сопротивление

При увеличении обратного напряжения до 100 В растет электроток в противоположном направлении. Рост резко увеличивается, если вольтаж превышает максимально допустимый для границы p-n. Обратный ток нагревает кристалл в диоде, переход пробивается, нормальная работа прибора прекращается. После выключения напряжения рядом с полюсами образуется диффузия.

Внимание! Во время нормальной работы противоположный электроток небольшой, поэтому им пренебрегают, считая полупроводниковый диод элементом с односторонней проводимостью.

Прямое и обратное напряжение

Во время работы (в открытом состоянии) в диоде основное напряжение, от его величины зависит сопротивление и величина электротока. В процессе закрывания через полупроводник проходит ток в противоположном направлении, создается напряжение, способствующее росту сопротивления до нескольких тысяч кОм.

Если работа полупроводника проходит на переменном напряжении, он открывается на плюсовой полуволне и закрывается на минусовой. Это свойство позволяет использовать полупроводники в выпрямителях.

Основные неисправности диодов

Внимание! Если диодные полупроводники перестали работать, сначала необходимо выяснить, не закончился ли срок их эксплуатации.

Если это не так, неисправность вызвала другая причина:

нарушение герметичности;
разрыв перехода, превративший прибор в изолятор:
тепловой пробой;
электрический пробой:
туннельный;
лавинный.

При нарушении герметичности возникает протечка, мешающая нормальному функционированию.

Пробой p-n перехода

Пробоем называют увеличение электротока в противоположном направлении после достижении во время работы показателя обратного напряжения, являющегося максимально допустимым для прибора. Если он превышается, противоположный поток электротока резко увеличивается при незначительном изменении вольтажа. После обрыва перехода направление потока всего одно, полупроводник превращается в проводник.

Определить эту неисправность можно при помощи мультиметра, определяющего сопротивление и подающего сигнал при прохождении электротока.

Электрический пробой

Электрический туннельный или лавинный пробой можно устранить, если вовремя принять необходимые меры.

Причина электрического пробоя – сильный электроток в переходе или перегрев при отсутствии отвода тепла.

Туннельный пробой образуется, если во время работы на диод подается слишком высокое напряжение. Растет значение противоположного электротока, вольтаж снижается, электроны проходят через барьер, если его высота меньше их энергии.

Эту неисправность может вызвать:

слишком маленькая толщина области p-n (меньше длины пробега электрона);
обратный ток насыщения более 108 В/м;
наличие свободных мест в области дырок, в которую переходят электроны.

Лавинный пробой – увеличение во время работы противоположного электротока при небольшом увеличении вольтажа. Причина образования – повышение ионизации в p-n области, вызывающее увеличение количества частиц, носящих заряд. Электроны теряют свои обычные характеристики.

Важно! Пробои туннельного и лавинного типа обратимы, так как не повреждают полупроводник (при своевременном уменьшении вольтажа свойства сохраняются).

Тепловой пробой

Эту неисправность чаще всего вызывает недостаточный отвод тепла, способствующего перегреву перехода во время работы.

в кристалле растет амплитуда колебаний атомов;
электроны взаимодействуют с проводимой областью;
быстро повышается температура;
запускается процесс изменения структуры кристалла.

Полупроводник разрушается, причем процесс необратимый.

Основные выводы

Полупроводниковые диоды – радиоэлементы с единственным p-n переходом, присутствующие практически во всех бытовых электроприборах. Чтобы работа полупроводников длилась дольше, необходимо обладать знаниями о принципе работы диодов, причинах неисправностей и способах их предотвращения.

Чаще всего работа полупроводников нарушается при изменениях температуры в окружающей среде или переходе. Если температура слишком высокая, увеличивается количество энергоносителей в переходе, снижается сопротивление, растет объем противоположного тока. После достижения максимально допустимого уровня запускается процесс разрушения кристалла.

Чтобы предотвратить сокращение сроков работы, необходимо следить за температурой среды и чистотой приборов. При необходимости следует организовать дополнительную систему отвода тепла. Повышение температуры в переходе предотвращается соблюдением требований к уровню вольтажа и тока, определенному для конкретного прибора. Даже при малейшем превышении существует вероятность разрушения кристалла.

Светодиоды: виды и схема подключения

Светодиодами называют полупроводниковые приборы, которые при подаче напряжения создают оптическое излучение. Их международное буквенное обозначение – LED (LightEmittingDiode).

Содержание статьи

Устройство светодиода
Как работает светодиод?
Виды и основные параметры светодиодов
Применение светодиодов
Основные правила подключения светодиодов
Основные характеристики светодиодов
Способы подключения
Как подключить светодиоды к сети переменного тока 220 В через блок питания
Способы создания схем из нескольких светодиодов – последовательное и параллельное соединение

Устройство светодиода

Хотя и существует множество светодиодов, самая распространённая форма состоит из 5-миллиметрового полимерного корпуса с линзой, медного или алюминиевого основания, катода, параболического рефлектора (отражателя) и кристалла, который соединяется с анодом при помощи тонкой золотой проволоки.

Как работает светодиод?

Принцип работы изделия основывается на взаимодействии двух полупроводников, положительного и отрицательного типа (p-n-переход). Когда электрический ток проходит через полупроводники, в месте соприкосновения выделяется энергия, излучающая свет. Это обусловлено переходом от одного типа проводимости к другому, когда ионы положительно заряженных дырок соединяются с отрицательными зарядами электронов.

Виды и основные параметры светодиодов

На схеме светодиод обозначается как обычный диод с двумя параллельными стрелками, направленными наружу и указывающими на его излучающий характер. В продаже имеется большое количество типов светодиодов, которые различаются между собой функциональным назначением, конструкцией, мощностью, цветом свечения и другими свойствами.

По назначению светодиоды разделяют на два вида – индикаторные и осветительные.

светодиоды SMD;
сверхъяркие Super Flux “Piranha”;
DIP светодиоды (Direct In-line Package);
Straw Hat («соломенная шляпа»).

COB (Chip On Board) светодиоды;
SMD LED;
филаментные (Filament LED).

Индикаторные светодиоды отличаются малой мощностью и умеренной яркостью свечения. Используются для цветовой индикации режимов работы различных приборов и оборудования, а также для подсветки дисплеев и приборных щитов. Разновидности индикаторных светодиодов:

DIP-светодиоды. Кристалл-излучатель находится в выводном корпусе, который чаще всего представляет собой выпуклую линзу. Минус – малый угол рассеивания излучения.
«Пиранья» – излучатель сверхвысокой яркости с четырьмя выводами, обеспечивающими его удобное крепление на плате. Востребован для подсветки приборов в автомобилях и в рекламных вывесках.
«Соломенная шляпа». Цилиндрический двухвыводный прибор со значительным углом рассеивания излучения и увеличенным диаметром линзы. Применяется в декоративных конструкциях и светосигналах тревоги.
SMD-светодиоды. Приборы сверхвысокой яркости располагаются в корпусах, рассчитанных на SMT-монтаж. В их маркировке указываются размеры в дюймах (их сотых долях) или в мм. На базе SMD-светодиодов изготавливаются светодиодные ленты.

Осветительные светодиоды встречаются в конструкции фонарей, фар, лент. Отличаются мощностью и яркостью свечения. Большинство осветительных приборов размещают в корпусах для SMT-монтажа. Изготавливаются в двух разновидностях белого цвета:

cool white – холодный;
warm white – теплый.

Осветительный SMD-светодиод представляет собой теплоотводящую подложку, на которой смонтирован излучающий кристалл, обработанный люминофорным составом.

Применение светодиодов

Такая продукция активно применяется в разных областях: световая реклама, домашние и промышленные осветительные приборы, автомобильная светотехника, светофоры и дорожные знаки, дизайн помещений, ландшафтная и архитектурная подсветка, а также многое другое.

значительная длительность эксплуатации;
экологическая безопасность;
высокая надежность и безотказность;
экономия электроэнергии;
высокое качество освещения;
низкие эксплуатационные расходы.

Основные правила подключения светодиодов

Конструкция светодиодов рассчитана на их подключение только к источникам постоянного тока с соблюдением полярности. Существует три варианта определения полярности:

По длине ножки (кроме SMD). Более длинная ножка является катодом, а короткая – анодом. В SMD-светодиодах имеется срез (ключ), который всегда располагается ближе к катоду.
С помощью мультиметра. Прибор устанавливают в режим «Прозвонка». Красный и черный щупы устанавливают на выводы. Если прибор засветился, то, значит, что красный щуп был подключен к аноду, а черный – к катоду. Если свечение не возникло, значит, надо поменять положение щупов. Если результат не изменился (свечение отсутствует), значит, прибор вышел из строя.

Основные характеристики светодиодов

Две главные характеристики, указываемы в паспорте светоизлучающего прибора:

Падение напряжения на приборе. Типичное значение – 3,2 В. Также для каждого светодиода существуют максимально допустимые напряжения Umax и Umaxобр – для прямого и обратного включений.
Номинальный ток. Обычно эти приборы рассчитаны на силу тока в 20 мА.

Способы подключения

Простейший вариант – подключение к низковольтному источнику постоянного тока.

Самый удобный и безопасный вариант – подключить светодиод к батарейке или аккумулятору с помощью включения в схему маломощного резистора. Его функция – ограничение тока, протекающего через p-n-переход, определенным значением. Без этого элемента LED быстро утратит рабочие свойства.

Резистор выбирают по сопротивлению и мощности. Расчет сопротивления по формуле:

R = (Uпитания – Uпаспорт.)/Iном., Ом, в которой:

Uпитания – напряжение электропитания, В;
Uпаспорт. – падение напряжения, паспортное значение, В;
Iном. – номинальный ток.

Полученное значение округляют в большую сторону до ближайшей номинальной величины из ряда Е24. После этого рассчитывают мощность, которую должен рассеивать резистор.

P = Iном. 2 х R, где R – выбранное по таблице значение сопротивления.

Провести все эти действия можно быстро и просто с использованием онлайн-калькулятора.

Как подключить светодиоды к сети переменного тока 220 В через блок питания

Существует несколько типов блоков питания:

Стабилизированные источники постоянного напряжения для светодиодов на 5 Вольт и 12 Вольт. При колебаниях параметров сети напряжение на выходе такого источника питания остается постоянным и равным заявленной в паспорте величине. LED-светильники подсоединяют через резисторы.
Драйвер – импульсный блок питания со стабилизированным током. Характеристики, которые учитывают при его выборе: максимальное и минимальное выходное напряжение, выходной (рабочий) ток. В драйвере присутствует схема, стабилизирующая ток при скачках входного напряжения 220 В. При подключении светодиодного излучателя к драйверу резистор не требуется.

Способы создания схем из нескольких светодиодов – последовательное и параллельное соединение

При подключении нескольких светоизлучающих приборов к источнику питания может использоваться два варианта соединения – последовательное и параллельное.

Последовательное соединение представляет цепь полупроводниковых приборов, в которой катод первого излучателя спаян с анодом следующего – и так далее. Через все элементы последовательной цепи протекает ток одного значения, а падение напряжения суммируется. Мощность БП выбирается равной или превышающей сумму мощностей каждого элемента.

Минусы последовательного соединения:

При значительном количестве элементов цепи необходимо выбирать БП большого вольтажа.
При выходе из строя одного LED-диода перестает работать вся цепь.

В длинных лентах на 60-70 диодов на каждом элементе происходит падение напряжения примерно на 3 В, то есть такие ленты можно присоединять к сети 220 В через выпрямитель.

При параллельном подсоединении напряжение на всех элементах цепи будет равным, а суммируются токи каждого LED. Основная проблема в данном случае состоит в том, что LED-светильники, даже из одной партии, часто имеют различные характеристики. Поэтому, если поставить один общий резистор, на лампочки может подаваться ток разного значения, вследствие чего некоторые элементы будут светить слишком ярко, а некоторые – тускло. Решение проблемы – установка отдельных резисторов для каждого диода.

Минусы параллельного подключения:

большое количество элементов цепи из-за необходимости использования индивидуальных резисторов для каждого диода;
существенный рост нагрузки при перегорании одного LED-диода (если используется один мощный резистор на всю цепь).

Это самый подходящий вариант соединения светодиодов, поскольку он позволяет хотя бы частично скомпенсировать недостатки последовательного и параллельного подключений. В этом случае параллельно соединяются цепочки последовательно расположенных элементов. Этот способ применяется в современных елочных гирляндах или лентах. Преимущество такого решения: если даже выйдут из строя одна или несколько параллельных цепочек, остальные будут исправно светить.