No encajar Matará! (c)
Trataré de explicar el trabajo con diodos, LED, así como diodos zener en los dedos. Los ingenieros electrónicos experimentados pueden omitir el artículo porque no encontrarán nada nuevo por sí mismos. No entraré en la teoría de la conductividad del agujero de electrones de la unión pn. Creo que este enfoque de aprendizaje solo confundirá a los principiantes. Esta es una teoría simple, casi irrelevante para la práctica. Sin embargo, para aquellos interesados en la teoría, propongo
este artículo . Bienvenidos a todos bajo gato.
Este es el segundo artículo del ciclo electrónico. También recomiendo leer el
primero , que informa sobre la corriente eléctrica y el voltaje.
Un diodo es un dispositivo semiconductor que tiene 2 pines para la conexión. En términos simples, se fabrica conectando 2 semiconductores con diferentes tipos de impurezas, se denominan donante y aceptor, n y p, respectivamente, por lo tanto, el diodo contiene una unión pn en su interior. Los hallazgos, que generalmente consisten en cobre estañado, se denominan ánodo (A) y cátodo (K). Estos términos se remontan a la época de las lámparas electrónicas y se usan por escrito para indicar la dirección del diodo. La designación gráfica es mucho más simple. Los nombres de las conclusiones del diodo serán recordados por ellos mismos cuando se apliquen en la práctica.
Como ya escribí, no usaremos la teoría de la conductividad de los agujeros de electrones del diodo. Simplemente encapsulamos esta teoría en una caja negra con dos abrazaderas para la conexión. De la misma manera, los programadores encapsulan el trabajo con bibliotecas de terceros, sin entrar en e ... los detalles de su trabajo. O, por ejemplo, cuando usamos una aspiradora, no entramos en detalles sobre cómo está organizada en el interior, simplemente funciona y es importante para nosotros que una de las propiedades de una aspiradora sea aspirar polvo.
Considere las propiedades del diodo, las más obvias:
- Desde el ánodo al cátodo, esta dirección se llama directa, el diodo pasa corriente.
- Del cátodo al ánodo, en la dirección opuesta, el diodo no pasa corriente. (En realidad no. Pero más sobre eso más adelante).
- Cuando la corriente fluye en dirección hacia adelante, una cierta tensión cae a través del diodo.
Quizás estas propiedades ya son bien conocidas por usted. Pero hay algunas adiciones. ¿Qué se considera directo y cuál es la dirección opuesta? Direct se llama tal inclusión, cuando el voltaje en el ánodo es mayor que en el cátodo. Lo contrario es lo contrario. La inclusión directa e inversa es una convención. En circuitos reales, el voltaje en el mismo diodo puede cambiar de directo a inverso y viceversa.
Un diodo de silicio comienza a pasar al menos cualquier corriente significativa solo cuando el voltaje en el ánodo es aproximadamente 0.65 V más alto que en el cátodo. No, no asi. Cuando fluye al menos algo de corriente, se forma una caída de voltaje de aproximadamente 0,65 V o más en el diodo.
Un voltaje de 0,65 V se llama caída de voltaje directa en la unión pn. Este es solo un valor promedio aproximado, depende de la temperatura actual, la temperatura del cristal y la tecnología de fabricación de diodos. Cuando la corriente que fluye cambia, cambia de forma no lineal. Para indicar gráficamente esta no linealidad, los fabricantes eliminan las características de voltaje de corriente del diodo. En diodos de alto voltaje de alta potencia, la caída de voltaje puede ser más de 2, 3, etc. tiempos Esto significa que varias uniones pn están conectadas en serie dentro del diodo.
Para determinar la caída de voltaje, puede usar la característica de voltaje de corriente (CVC) del diodo en forma de gráfico. A veces, estos gráficos se dan en hojas de datos para modelos de diodos reales, pero a menudo no lo son. En el primer cuadro que se me ocurrió, el CVC KD243A se muestra a continuación, aunque esto no es importante, todos son aproximadamente similares.
En el gráfico, Upr es una caída de voltaje directa a través del diodo. Ipr - corriente que fluye a través del diodo. El gráfico muestra qué caída de voltaje a través del diodo será cuando fluya la enésima corriente. Pero la mayoría de las veces, las características reales de I-V no se muestran en los datalistas, pero se indica una caída de voltaje directa, indicada a una cierta corriente. En la literatura inglesa, la caída de voltaje se conoce como voltaje directo.
Cómo aplicar
La caída de voltaje a través del diodo es una mala característica para nosotros, ya que este voltaje no hace un trabajo útil y se disipa como calor en la caja del diodo. Cuanto más pequeña sea la gota, mejor. Típicamente, la caída de voltaje a través del diodo se determina en base a la corriente que fluye a través del diodo. Por ejemplo, encienda el diodo en serie con la carga. En esencia, esto protegerá el circuito del sobretratamiento, en caso de que la fuente de alimentación sea desmontable. En la figura siguiente, se toma una resistencia de 47 ohmios como circuito protegido, aunque en realidad puede ser cualquier cosa, por ejemplo, una sección de un circuito grande. La fuente de alimentación es una batería de 12 V.
Supongamos que una carga sin diodo consume 255 mA. En este caso, esto se puede calcular de acuerdo con la ley de Ohm: I = U / R = 12/47 = 0.255 A o 255 mA. Aunque generalmente ya se conoce el consumo de un circuito esférico en el vacío, al menos por las características máximas de la fuente de alimentación. Encuentre la caída de voltaje para el diodo KD243A a 0.255 A de la corriente que fluye, a 25 grados, en la curva I - V. Es igual a aproximadamente 0.75 V. Estos 0.75 V caerán sobre el diodo, y para alimentar el circuito permanecerá 12 - 0.75 = 11.25 V - a veces puede no ser suficiente. Como beneficio adicional, puede encontrar la potencia en forma de calor y pérdidas liberadas en el diodo de acuerdo con la fórmula P = I * U = 0.75 * 0.255 = 0.19 W, donde I y U son la corriente a través del diodo y la caída de voltaje a través del diodo.
¿Qué hacer cuando la curva I-V no está disponible? Por ejemplo, para el popular diodo 1n4007, solo el voltaje directo del voltaje directo 1 V se indica a una corriente de 1 A. Es necesario usar este valor o medir la caída real. Y si este valor no se indica para ningún diodo, entonces saldrá un promedio de 0.65 V. En realidad, es más fácil medir esta caída de voltaje con un voltímetro en el circuito que buscarlo en los gráficos. Creo que no hay necesidad de explicar que el voltímetro se debe encender a un voltaje constante si una corriente constante fluye a través del diodo, y las sondas deben tocar el ánodo y el cátodo del diodo.
Un poco sobre otras características
En el ejemplo anterior, si gira la batería, me refiero a cambiar la polaridad, vea la figura inferior, la corriente no fluirá y la caída de voltaje a través del diodo en el peor de los casos será de 12 V: el voltaje de la batería. Lo principal es que este voltaje no excede el voltaje de ruptura de nuestro diodo, es el voltaje inverso, también es el voltaje de ruptura. Y también otra condición es importante: la corriente en la dirección directa a través del diodo no excedió la corriente nominal del diodo, también es corriente directa. Estos son los dos parámetros principales por los cuales se selecciona el diodo: corriente directa y voltaje inverso.
A veces, los datalistas también indican la disipación de potencia por el diodo o la potencia nominal (disipación de potencia). Si se indica, no se debe exceder. Cómo calcularlo, ya hemos descubierto el ejemplo anterior. Pero si no se indica la potencia, entonces necesita navegar por la corriente.
Dicen que en la dirección opuesta, la corriente a través del diodo no fluye, bueno, o casi no fluye. De hecho, una corriente de fuga fluye a través de ella, corriente inversa en la literatura inglesa. Esta corriente es muy pequeña, desde unos pocos nanoamperios para diodos de baja potencia hasta varios cientos de microamperios, para los potentes. Además, esta corriente depende de la temperatura y el voltaje aplicado. En la mayoría de los casos, la corriente de fuga no desempeña ningún papel, por ejemplo, como en el ejemplo anterior, pero cuando trabaja con nanoamplificadores y coloca algún tipo de diodo protector en la entrada del amplificador operacional, entonces puede suceder oh ... El circuito se comportará de manera bastante diferente, como yo pensaba
Los diodos también tienen una pequeña capacitancia parásita. Es decir, de hecho, este es un condensador conectado en paralelo con el diodo. Esta capacitancia debe tenerse en cuenta durante los procesos rápidos cuando el diodo opera en un circuito con decenas o cientos de megahercios.
También algunas palabras sobre el término "valor nominal". Por lo general, la corriente y el voltaje nominales indican que si se exceden estos parámetros, el fabricante no garantiza el funcionamiento del producto, a menos que se indique lo contrario. Y esto es para todos los componentes electrónicos, y no solo para el diodo.
¿Qué más se puede hacer?
Hay muchas aplicaciones de diodos. Los ingenieros de radioelectrónica suelen inventar sus circuitos a partir de piezas de otros circuitos, los llamados ladrillos de construcción. Aquí hay algunas opciones.
Por ejemplo, un circuito para proteger entradas digitales o analógicas contra sobretensión:
Los diodos en este circuito no pasan corriente durante el funcionamiento normal. Solo fuga de corriente. Pero cuando se produce una sobretensión con una media onda positiva en la entrada, es decir el voltaje de entrada se convierte en más de Upit más una caída de voltaje directo a través del diodo, el diodo superior se abre y la entrada se cierra al bus de alimentación. Si ocurre una media onda negativa de voltaje, entonces el diodo inferior se abre y la entrada se cierra a tierra. En este circuito, por cierto, cuanto menos fugas y capacitancia de los diodos, mejor. Tales esquemas de protección, como regla, ya existen en todos los microcircuitos digitales modernos dentro del chip. Y los conjuntos externos potentes de diodos TVS protegen, por ejemplo, los puertos USB en las placas base.
También puede ensamblar un rectificador a partir de diodos. Este es un tipo de circuito muy común y casi ninguno de los lectores ha oído hablar de ellos. Los rectificadores son de media onda, media onda y puente. Ya conocimos el rectificador de media onda en nuestro primer ejemplo sufrido, cuando consideramos la protección contra el adelantamiento. No tiene ninguna ventaja especial, excepto por el plus en la batería. Una de las desventajas más importantes que limita la aplicación de un circuito rectificador de media onda en la práctica: el circuito solo funciona con voltaje positivo de media onda. El voltaje negativo se corta por completo y la corriente no fluye. "¿Y qué?" Dices: "¡Tendré suficiente poder como ese!" Pero no, si dicho rectificador se encuentra después del transformador, entonces la corriente fluirá solo en una dirección a través de los devanados del transformador y, por lo tanto, el hierro del transformador se magnetizará adicionalmente. El transformador puede entrar en saturación y disfrutar mucho más de lo que debería.
Los rectificadores de dos medias ondas no tienen este inconveniente, pero necesitan una salida promedio del devanado del transformador. Aquí, con una polaridad positiva de la tensión alterna, el diodo superior está abierto, y con una polaridad negativa, el inferior. La eficiencia del transformador no se utiliza por completo.
Los circuitos de puente carecen de estos dos inconvenientes. Pero ahora, se incluyen dos diodos en la ruta actual en cualquier momento: un diodo directo y uno inverso. La caída de voltaje en los diodos se duplica y no es 0.65-1V, sino un promedio de 1.3-2V. Dada esta caída, se considera el voltaje rectificado.
Por ejemplo, necesitamos obtener 18 voltios de voltaje rectificado, ¿qué transformador elegir para esto? 18 voltios más una caída en los diodos, toman un promedio de 1.4 V, igual a 19.4 V. Sabemos por el
artículo anterior que el valor de amplitud del voltaje alterno en la raíz es 2 veces mayor que su valor real. Por lo tanto, en el circuito secundario del transformador, el voltaje efectivo alterno es 19.4 / 1.41 = 13.75V. Teniendo en cuenta que el voltaje en la red puede subir hasta el 10%, y también bajo la carga el voltaje cae un poco, elegiremos un transformador de 230/15 V.
La potencia del transformador que necesitamos se puede calcular a partir de la corriente de carga. Por ejemplo, vamos a conectar una carga de un amperio a un transformador. Esto es si con un margen. Siempre deje un pequeño margen de 20-40%. Simplemente con la fórmula de potencia, puede encontrar P = U * I = 15 * 1 = 15 VA, donde U e I son el voltaje y la corriente del devanado secundario. Si hay varios devanados secundarios, entonces sus capacidades se suman. Más pérdida de transformación, más margen, así que elija un transformador de 20-40 VA. Aunque a menudo los transformadores se venden con una indicación de la corriente de los devanados secundarios, no está de más comprobar la potencia general.
Después del puente rectificador, se necesita un condensador de suavizado, que no se muestra en la figura. ¡No te olvides de él! Existen fórmulas inteligentes para calcular este condensador dependiendo del número de ondas, pero recomiendo esta regla: coloque un condensador de 10000 μF por amperio de consumo de corriente. El voltaje del condensador no es menor que el voltaje rectificado sin carga. En este ejemplo, puede tomar un condensador con un valor nominal de 25V.
Elegimos diodos en este circuito para una corriente> = 1A y un voltaje inverso con un margen mayor a 19.4 V, por ejemplo, 50-1000 V. Puede usar diodos Schottky. Estos son los mismos diodos, solo con una caída de voltaje muy pequeña, que a menudo asciende a decenas de milivoltios. Pero la desventaja de los diodos Schottky es que no se producen a voltajes más o menos altos, más de 100V. Más precisamente, han lanzado recientemente, pero su costo es altísimo, y las ventajas no son tan obvias.
LED
Está dispuesto en el interior de manera bastante diferente a un diodo, pero tiene las mismas propiedades. Solo se ilumina cuando la corriente fluye hacia adelante.
Toda la diferencia del diodo en algunas características. Lo más importante es una caída de tensión directa. Es mucho más grande que 0,65 V para un diodo convencional y depende principalmente del color del LED. Comenzando desde el rojo, cuya caída de voltaje es en promedio 1.8 V, y terminando con un LED blanco o azul, cuya caída es de aproximadamente 3.5 V. Sin embargo, en el espectro invisible estos valores son más amplios.
De hecho, la caída de voltaje aquí es el voltaje mínimo de ignición del diodo. A un voltaje más bajo, la fuente de alimentación no tendrá corriente y el diodo simplemente no se encenderá. Para los LED de iluminación potentes, la caída de voltaje puede ser de decenas de voltios, pero esto solo significa que dentro del cristal hay muchos conjuntos de diodos en serie.
Pero ahora hablemos de los LED indicadores, como los más simples. Se producen en varios casos, con mayor frecuencia en semicirculares, con un diámetro de 3, 5, 10 mm.
Cualquier diodo se ilumina dependiendo de la corriente que fluye. De hecho, es un dispositivo actual. La caída de voltaje se obtiene automáticamente. Nosotros establecemos la corriente nosotros mismos. Los diodos indicadores modernos comienzan a brillar más o menos a una corriente de 1 mA, y a 10 mA los ojos ya se queman. Para diodos de iluminación potentes, debe consultar la documentación.
Aplicación LED
Al tener solo la resistencia adecuada, puede establecer la corriente deseada a través del diodo. Por supuesto, también necesitará una fuente de alimentación de CC, por ejemplo, una batería de 4.5 V o cualquier otra fuente de alimentación.
Por ejemplo, establecemos una corriente de 1 mA a través de un LED rojo con una caída de voltaje de 1.8 V.
El diagrama muestra los potenciales nodales, es decir voltaje relativo a cero. En qué dirección encender el LED, el multímetro en el modo de marcación nos dirá lo mejor, ya que a veces se encuentran LED chinos con patas mixtas. Al tocar las sondas del multímetro en la dirección correcta, el LED debe estar débilmente iluminado.
Como se usa un LED rojo, 4.5 - 1.8 = 2.7V caerán en la resistencia. Esto se conoce por la segunda ley de Kirchhoff: la suma de las caídas de voltaje en las secciones sucesivas del circuito es igual a la EMF de la batería, es decir. 2.7 + 1.8 = 4.5V. Para limitar la corriente a 1 mA, la resistencia de acuerdo con la ley de Ohm debe tener una resistencia R = U / I = 2.7 / 0.001 = 2700 Ohms, donde U e I son el voltaje a través de la resistencia y la corriente que necesitamos. No olvide traducir los valores en unidades SI, en amperios y voltios. Dado que los valores de resistencia de salida están estandarizados, elegimos la clasificación estándar más cercana de 3.3 kOhm. Por supuesto, la corriente cambiará y se puede volver a calcular de acuerdo con la ley de Ohm I = U / R. Pero a menudo esto no es importante.
En este ejemplo, la corriente suministrada por la batería es pequeña, por lo que se puede despreciar la resistencia interna de la batería.
Con los LED, todo es igual, solo las corrientes y los voltajes son más altos. Pero a veces ya no necesitan una resistencia, debes mirar la documentación.
Algo más sobre LED
De hecho, la luz es el objetivo principal del LED. Pero hay otra aplicación. Por ejemplo, un LED puede actuar como fuente de voltaje de referencia. Son necesarios, por ejemplo, para obtener fuentes actuales. Como fuentes de voltaje de referencia, como menos ruidosas, se utilizan LED rojos. Se incluyen en el circuito como en el ejemplo anterior. Como el voltaje de la batería es relativamente constante, la corriente a través de la resistencia y el LED también es constante, por lo que la caída de voltaje permanece constante. Desde el ánodo del LED, donde 1.8V, se hace un toque y este voltaje de referencia se usa en otras partes del circuito.
Para una estabilización más confiable de la corriente en el LED, con un voltaje pulsante de la fuente de alimentación, en lugar de una resistencia, se coloca una fuente de corriente en el circuito. Pero las fuentes de corriente y las fuentes de referencia de voltaje son el tema de otro artículo. Quizás algún día lo escriba.
Diodo Zener
En la literatura inglesa, el diodo zener se llama diodo Zener. Todo es igual que el diodo, en conexión directa. Pero ahora solo hablaremos sobre el cambio inverso. En la inclusión inversa bajo la acción de un cierto voltaje en el diodo zener, se produce una falla reversible, es decir, La corriente comienza a fluir. Este desglose es completamente estándar y el modo de funcionamiento del diodo Zener, en contraste con el diodo, donde cuando se alcanzó el voltaje inverso nominal, el diodo simplemente falló. Al mismo tiempo, la corriente a través del diodo zener en el modo de ruptura puede variar, y la caída de voltaje a través del diodo zener permanece casi sin cambios.
¿Qué nos da esto? De hecho, es un regulador de voltaje de bajo voltaje. El diodo zener tiene todas las mismas características que el diodo, más el voltaje de estabilización Ust o el voltaje zener nominal también se agrega. Se indica a una cierta corriente de estabilización Ist o corriente de prueba. También en la documentación para diodos zener indique la corriente de estabilización mínima y máxima.
Cuando la corriente cambia de mínimo a máximo, el voltaje de estabilización flota un poco, pero ligeramente. Ver características de corriente-voltaje.El área de trabajo del diodo zener está marcada en verde. La figura muestra que el voltaje en el área de trabajo casi no ha cambiado, con una amplia gama de cambios de corriente a través del diodo zener.Para ingresar al área de trabajo, necesitamos establecer la corriente zener entre [Ist. min - Ist. max] usando una resistencia de la misma manera que se hizo en el ejemplo con un LED (por cierto, también es posible usando una fuente de corriente). Solo que, a diferencia del LED, el diodo zener se enciende en la dirección opuesta.A una corriente más baja que Ist. min el diodo zener no se abrirá, pero con más de Ist. max: se produce una ruptura térmica irreversible, es decir el diodo zener simplemente se quemará.Cálculo del diodo Zener
Considere el ejemplo de nuestra fuente de alimentación de transformador calculada. Tenemos una fuente de alimentación que produce un mínimo de 18 V (de hecho, hay más, debido al transformador de 230/15 V, es mejor medirlo en un circuito real, pero ese no es el punto ahora), capaz de entregar una corriente de 1 A. Es necesario alimentar la carga con el máximo Consumo de 50 mA de voltaje estabilizado de 15 V (por ejemplo, que sea algún tipo de amplificador operacional abstracto - amplificador operacional, tienen aproximadamente el mismo consumo).