Ne correspond pas. Va tuer! (c)
Je vais essayer d'expliquer le travail avec les diodes, les LED, ainsi que les diodes zener sur les doigts. Les ingénieurs en électronique expérimentés peuvent sauter l'article, car ils ne trouveront rien de nouveau pour eux-mêmes. Je n'entrerai pas dans la théorie de la conductivité électron-trou de la jonction pn. Je crois que cette approche d'apprentissage ne fera que confondre les débutants. Il s'agit d'une théorie nue, presque hors de propos pour la pratique. Cependant, pour ceux qui s'intéressent à la théorie, je propose
cet article . Bienvenue à tous sous cat.
Il s'agit du deuxième article du cycle électronique. Je recommande également de lire le
premier , qui explique ce que sont le courant et la tension électriques.
Une diode est un dispositif semi-conducteur ayant 2 broches pour la connexion. En termes simples, il est fabriqué en connectant 2 semi-conducteurs avec différents types d'impuretés, ils sont respectivement appelés donneur et accepteur, n et p, donc la diode contient une jonction pn à l'intérieur. Les découvertes, généralement constituées de cuivre étamé, sont appelées anode (A) et cathode (K). Ces termes remontent à l'époque des lampes électroniques et sont utilisés par écrit pour indiquer la direction de la diode. La désignation graphique est beaucoup plus simple. Les noms des conclusions de la diode seront mémorisés par eux-mêmes lorsqu'ils seront appliqués dans la pratique.
Comme je l'ai déjà écrit, nous n'utiliserons pas la théorie de la conductivité électron-trou de la diode. Nous encapsulons simplement cette théorie dans une boîte noire avec deux pinces pour la connexion. De la même manière, les programmeurs encapsulent le travail avec des bibliothèques tierces, sans entrer dans les détails de leur travail. Ou, par exemple, lorsque vous utilisez un aspirateur, nous n'entrons pas dans les détails sur la façon dont il est disposé à l'intérieur, il fonctionne simplement et il est important pour nous que l'une des propriétés d'un aspirateur suce la poussière.
Considérez les propriétés de la diode, les plus évidentes:
- De l'anode à la cathode, cette direction est dite directe, la diode fait passer le courant.
- De la cathode à l'anode, en sens inverse, la diode ne fait pas passer de courant. (En fait non. Mais plus à ce sujet plus tard.)
- Lorsque le courant circule vers l'avant, une certaine tension chute à travers la diode.
Peut-être que ces propriétés sont déjà bien connues de vous. Mais il y a quelques ajouts. Qu'est-ce qui est considéré comme direct et quelle est la direction opposée? Direct est appelé une telle inclusion, lorsque la tension à l'anode est supérieure à celle de la cathode. L'inverse est le contraire. L'inclusion directe et inverse est une convention. Dans les circuits réels, la tension sur la même diode peut passer de directe à inverse et vice versa.
Une diode au silicium commence à passer au moins tout courant significatif uniquement lorsque la tension à l'anode est environ 0,65 V plus élevée qu'à la cathode. Non, pas comme ça. Lorsqu'au moins une partie du courant circule, une chute de tension d'environ 0,65 V ou plus se forme sur la diode.
Une tension de 0,65 V est appelée chute de tension directe à la jonction pn. Il ne s'agit que d'une valeur moyenne approximative, elle dépend du courant, de la température du cristal et de la technologie de fabrication des diodes. Lorsque le courant circulant change, il change de façon non linéaire. Pour indiquer graphiquement cette non-linéarité, les fabricants suppriment les caractéristiques courant-tension de la diode. Dans les diodes haute tension haute puissance, la chute de tension peut être supérieure à 2, 3, etc. fois. Cela signifie que plusieurs jonctions pn sont connectées en série à l'intérieur de la diode.
Pour déterminer la chute de tension, vous pouvez utiliser la caractéristique courant-tension (CVC) de la diode sous la forme d'un graphique. Parfois, ces graphiques sont donnés dans des fiches techniques pour de vrais modèles de diodes, mais le plus souvent ils ne le sont pas. Sur le premier graphique qui m'est apparu, le CVC KD243A est illustré ci-dessous, bien que ce ne soit pas important, ils sont tous approximativement similaires.
Sur le graphique, Upr est une chute de tension directe à travers la diode. Ipr - courant traversant la diode. Le graphique montre la chute de tension aux bornes de la diode lors du passage du nième courant. Mais le plus souvent, les caractéristiques I-V réelles ne sont pas affichées dans les listes de données, mais une chute de tension directe est indiquée, indiquée à un certain courant. Dans la littérature anglaise, la chute de tension est appelée tension directe.
Comment postuler
La chute de tension à travers la diode est une mauvaise caractéristique pour nous, car cette tension ne fait pas de travail utile et est dissipée sous forme de chaleur sur le boîtier de la diode. Plus la goutte est petite, mieux c'est. Typiquement, la chute de tension aux bornes de la diode est déterminée en fonction du courant traversant la diode. Par exemple, allumez la diode en série avec la charge. Essentiellement, cela protégera le circuit contre le sur-traitement, au cas où l'alimentation serait détachable. Dans la figure ci-dessous, une résistance de 47 Ohms est considérée comme le circuit protégé, bien qu'en réalité il puisse s'agir de n'importe quoi, par exemple, une section d'un grand circuit. L'alimentation est une batterie 12 V.
Supposons qu'une charge sans diode consomme 255 mA. Dans ce cas, cela peut être calculé selon la loi d'Ohm: I = U / R = 12/47 = 0,255 A ou 255 mA. Bien que la consommation d'un circuit sphérique sous vide soit généralement connue, au moins par les caractéristiques maximales de l'alimentation. Trouvez la chute de tension pour la diode KD243A à 0,255 A du courant circulant, à 25 degrés, sur la courbe I - V. Elle est égale à environ 0,75 V. Ces 0,75 V tomberont sur la diode, et pour alimenter le circuit il restera 12 - 0,75 = 11,25 V - parfois cela peut ne pas être suffisant. En prime, vous pouvez trouver la puissance sous forme de chaleur et de pertes libérées sur la diode selon la formule P = I * U = 0,75 * 0,255 = 0,19 W, où I et U sont le courant à travers la diode et la chute de tension à travers la diode.
Que faire lorsque la courbe I-V n'est pas disponible? Par exemple, pour la diode populaire 1n4007, seule la tension directe de la tension directe 1 V est indiquée à un courant de 1 A. Il est nécessaire d'utiliser cette valeur ou de mesurer la chute réelle. Et si cette valeur n'est indiquée pour aucune diode, une moyenne de 0,65 V. s'éteindra.En réalité, il est plus facile de mesurer cette chute de tension avec un voltmètre dans le circuit que de la rechercher dans les graphiques. Je pense qu'il n'est pas nécessaire d'expliquer que le voltmètre doit être allumé à une tension constante si un courant constant traverse la diode, et que les sondes doivent toucher l'anode et la cathode de la diode.
Un peu plus sur les autres caractéristiques
Dans l'exemple précédent, si vous retournez la batterie, je veux dire changer la polarité, voir la figure du bas, le courant ne passera pas et la chute de tension à travers la diode dans le pire des cas sera de 12 V - la tension de la batterie. L'essentiel est que cette tension ne dépasse pas la tension de claquage de notre diode, c'est la tension inverse, c'est aussi la tension de claquage. Et aussi une autre condition est importante: le courant dans le sens direct à travers la diode n'a pas dépassé le courant nominal de la diode, c'est aussi du courant direct. Ce sont les deux principaux paramètres par lesquels la diode est sélectionnée: courant direct et tension inverse.
Parfois, les listes de données indiquent également la dissipation de puissance par la diode ou la puissance nominale (dissipation de puissance). S'il est indiqué, il ne doit pas être dépassé. Comment le calculer, nous avons déjà compris l'exemple précédent. Mais si la puissance n'est pas indiquée, vous devez parcourir le courant.
Ils disent que dans le sens opposé, le courant à travers la diode ne circule pas, bien, ou presque ne circule pas. En fait, un courant de fuite le traverse, courant inverse dans la littérature anglaise. Ce courant est très faible, de quelques nanoampères pour les diodes de faible puissance à plusieurs centaines de microampères, pour les puissants. De plus, ce courant dépend de la température et de la tension appliquée. Dans la plupart des cas, le courant de fuite ne joue aucun rôle, par exemple, comme dans l'exemple précédent, mais lorsque vous travaillez avec des nano-amplis et que vous mettez une sorte de diode de protection à l'entrée de l'amplificateur opérationnel, alors oh peut arriver ... Le circuit se comportera très différemment, comme je le pensais.
Les diodes ont également une petite capacité parasite. C'est-à-dire qu'il s'agit en fait d'un condensateur connecté en parallèle avec la diode. Cette capacité doit être prise en compte lors de processus rapides lorsque la diode fonctionne dans un circuit de dizaines ou centaines de mégahertz.
Également quelques mots sur le terme «valeur nominale». En règle générale, le courant et la tension nominaux indiquent que si ces paramètres sont dépassés, le fabricant ne garantit pas le fonctionnement du produit, sauf indication contraire. Et c'est pour tous les composants électroniques, et pas seulement pour la diode.
Que peut-on faire d'autre
Il existe de nombreuses applications des diodes. Les ingénieurs en radioélectronique inventent généralement leurs circuits à partir de morceaux d'autres circuits, les soi-disant briques de construction. Voici quelques options.
Par exemple, un circuit de protection des entrées numériques ou analogiques contre les surtensions:
Les diodes de ce circuit ne passent pas de courant pendant le fonctionnement normal. Seul courant de fuite. Mais lorsqu'une surtension avec une demi-onde positive se produit à l'entrée, c'est-à-dire la tension d'entrée devient supérieure à Upit plus une chute de tension directe à travers la diode, la diode supérieure s'ouvre et l'entrée se ferme sur le bus d'alimentation. Si une demi-onde de tension négative se produit, la diode inférieure s'ouvre et l'entrée se ferme à la terre. Dans ce circuit, au fait, moins il y a de fuite et de capacité des diodes, mieux c'est. De tels schémas de protection, en règle générale, existent déjà dans tous les microcircuits numériques modernes à l'intérieur de la puce. Et les puissants ensembles externes de diodes TVS protègent, par exemple, les ports USB des cartes mères.
Vous pouvez également assembler un redresseur à partir de diodes. Il s'agit d'un type de circuit très courant et presque aucun lecteur n'en a entendu parler. Les redresseurs sont demi-onde, demi-onde et pont. Nous avons déjà rencontré le redresseur demi-onde dans notre tout premier exemple de longue souffrance, lorsque nous avons envisagé la protection contre les dépassements. Il ne présente aucun avantage particulier, à l'exception du plus sur la batterie. L'un des inconvénients les plus importants qui limite l'application d'un circuit redresseur demi-onde en pratique: le circuit ne fonctionne qu'avec une tension demi-onde positive. La tension négative se coupe complètement et le courant ne circule pas. "Et alors?" Vous dites: "J'aurai assez de pouvoir comme ça!" Mais non, si un tel redresseur est situé après le transformateur, le courant ne circulera que dans une direction à travers les enroulements du transformateur et, par conséquent, le fer du transformateur sera en outre magnétisé. Le transformateur peut entrer en saturation et se prélasser beaucoup plus qu'il ne le devrait.
Les redresseurs à deux demi-ondes n'ont pas cet inconvénient, mais ils nécessitent une sortie moyenne de l'enroulement du transformateur. Ici, avec une polarité positive de la tension alternative, la diode supérieure est ouverte, et avec une polarité négative, la inférieure. L'efficacité du transformateur n'est pas pleinement utilisée.
Les circuits en pont ne présentent pas ces deux inconvénients. Mais maintenant, deux diodes sont incluses dans le trajet actuel à tout moment: une diode directe et une inverse. La chute de tension aux bornes des diodes double et n'est pas de 0,65 à 1 V, mais d'une moyenne de 1,3 à 2 V. Compte tenu de cette baisse, la tension redressée est prise en compte.
Par exemple, nous devons obtenir 18 volts de tension redressée, quel transformateur choisir pour cela? 18 volts plus une baisse sur les diodes, prennent une moyenne de 1,4 V, égale à 19,4 V. On sait d'après l'
article précédent que la valeur d'amplitude de la tension alternative à la racine est 2 fois supérieure à sa valeur réelle. Par conséquent, dans le circuit secondaire du transformateur, la tension alternative efficace est de 19,4 / 1,41 = 13,75V. En considérant que la tension dans le réseau peut aller jusqu'à 10%, et aussi sous la charge la tension baisse un peu, nous choisirons un transformateur 230/15 V.
La puissance du transformateur dont nous avons besoin peut être calculée à partir du courant de charge. Par exemple, nous allons connecter une charge d'un ampère à un transformateur. C'est le cas avec une marge. Laissez toujours une petite marge de 20 à 40%. Juste par la formule de puissance, vous pouvez trouver P = U * I = 15 * 1 = 15 VA, où U et I sont la tension et le courant de l'enroulement secondaire. S'il y a plusieurs enroulements secondaires, leurs capacités s'additionnent. Plus la perte de transformation, plus la marge, alors choisissez un transformateur 20-40 VA. Bien que les transformateurs soient souvent vendus avec une indication du courant des enroulements secondaires, cela ne fera pas de mal de vérifier la puissance globale.
Après le pont redresseur, un condensateur de lissage est nécessaire, non illustré sur la figure. Ne l'oublie pas! Il existe des formules intelligentes pour calculer ce condensateur en fonction du nombre d'ondulations, mais je recommande cette règle: mettez un condensateur de 10000 μF par ampère de consommation de courant. La tension du condensateur n'est pas inférieure à la tension redressée sans charge. Dans cet exemple, vous pouvez prendre un condensateur avec une valeur nominale de 25V.
Nous choisissons des diodes dans ce circuit pour un courant> = 1A et une tension inverse avec une marge supérieure à 19,4 V, par exemple 50-1000 V. Vous pouvez utiliser des diodes Schottky. Ce sont les mêmes diodes, mais avec une très faible chute de tension, ce qui équivaut souvent à des dizaines de millivolts. Mais l'inconvénient des diodes Schottky est qu'elles ne sont pas produites à des tensions plus ou moins élevées, supérieures à 100V. Plus précisément, ils ont récemment publié, mais leur coût est exorbitant et les avantages ne sont pas si évidents.
LED
Elle est disposée à l'intérieur d'une manière très différente d'une diode, mais elle a les mêmes propriétés. Il ne brille que lorsque le courant circule vers l'avant.
Toute la différence de la diode dans certaines caractéristiques. Le plus important est une chute de tension directe. Elle est beaucoup plus grande que 0,65 V pour une diode conventionnelle et dépend principalement de la couleur de la LED. Partant du rouge, dont la chute de tension est en moyenne de 1,8 V, et se terminant par une LED blanche ou bleue, dont la chute est d'environ 3,5 V.Cependant, dans le spectre invisible, ces valeurs sont plus larges.
En fait, la chute de tension est ici la tension minimale d'allumage de la diode. À une tension inférieure, la source d'alimentation n'aura pas de courant et la diode ne s'allumera tout simplement pas. Pour les LED d'éclairage puissantes, la chute de tension peut être de plusieurs dizaines de volts, mais cela signifie seulement qu'à l'intérieur du cristal, il existe de nombreux ensembles de diodes série-parallèle.
Mais maintenant, parlons des voyants, comme les plus simples. Ils sont produits dans divers cas, le plus souvent en demi-cercle, avec un diamètre de 3, 5, 10 mm.
Toute diode brille en fonction du courant qui coule. En fait, c'est un appareil actuel. La chute de tension est obtenue automatiquement. Nous fixons nous-mêmes le courant. Les diodes indicatrices modernes commencent plus ou moins à briller à un courant de 1 mA, et à 10 mA, les yeux s'éteignent déjà. Pour les diodes d'éclairage puissantes, vous devez consulter la documentation.
Application LED
N'ayant que la résistance appropriée, vous pouvez régler le courant souhaité à travers la diode. Bien sûr, vous aurez également besoin d'une alimentation CC, par exemple, une batterie de 4,5 V ou toute autre alimentation.
Par exemple, nous définissons un courant de 1 mA à travers une LED rouge avec une chute de tension de 1,8 V.
Le diagramme montre les potentiels nodaux, c'est-à-dire tension par rapport à zéro. Dans quelle direction allumer la LED, le multimètre en mode numérotation nous le dira le mieux, car parfois des LED chinoises avec des jambes mixtes se rencontrent parfois. Lorsque vous touchez les sondes multimètre dans la bonne direction, la LED doit être faiblement allumée.
Puisqu'une LED rouge est utilisée, 4,5 - 1,8 = 2,7V tombera sur la résistance. Ceci est connu par la deuxième loi de Kirchhoff: la somme des chutes de tension dans les sections successives du circuit est égale à la batterie EMF, c'est-à-dire 2,7 + 1,8 = 4,5 V. Pour limiter le courant à 1 mA, la résistance selon la loi d'Ohm doit avoir une résistance R = U / I = 2,7 / 0,001 = 2700 Ohms, où U et I sont la tension aux bornes de la résistance et le courant dont nous avons besoin. N'oubliez pas de traduire les valeurs en unités SI, en ampères et en volts. Étant donné que les valeurs de résistance de sortie sont normalisées, nous choisissons la valeur standard la plus proche de 3,3 kOhm. Bien sûr, le courant va changer et il peut être recalculé selon la loi d'Ohm I = U / R. Mais souvent ce n'est pas important.
Dans cet exemple, le courant fourni par la batterie est faible, de sorte que la résistance interne de la batterie peut être négligée.
Avec les LED, tout est pareil, seuls les courants et les tensions sont plus élevés. Mais parfois, ils n'ont plus besoin d'une résistance, vous devez consulter la documentation.
Autre chose à propos des LED
En fait, la lumière est l'objectif principal de la LED. Mais il y a une autre application. Par exemple, une LED peut servir de source de tension de référence. Ils sont nécessaires, par exemple, pour obtenir des sources actuelles. Comme sources de tension de référence, comme moins bruyantes, des LED rouges sont utilisées. Ils sont inclus dans le circuit comme dans l'exemple précédent. Étant donné que la tension de la batterie est relativement constante, le courant traversant la résistance et la LED est également constant, de sorte que la chute de tension reste constante. À partir de l'anode de la LED, où 1,8 V, un robinet est fait et cette tension de référence est utilisée dans d'autres parties du circuit.
Pour une stabilisation plus fiable du courant sur la LED, avec une tension de pulsation de la source d'alimentation, au lieu d'une résistance, une source de courant est placée dans le circuit. Mais les sources de courant et les sources de référence de tension font l'objet d'un autre article. Peut-être qu'un jour je l'écrirai.
Diode Zener
Dans la littérature anglaise, la diode Zener est appelée diode Zener. Tout est identique à la diode, en connexion directe. Mais maintenant, nous ne parlerons que de la commutation inverse. Dans l'inclusion inverse sous l'action d'une certaine tension sur la diode zener, un claquage réversible se produit, c'est-à-dire le courant commence à couler. Cette panne est entièrement standard et le mode de fonctionnement de la diode Zener, contrairement à la diode, où lorsque la tension inverse nominale a été atteinte, la diode a simplement échoué. Dans le même temps, le courant traversant la diode Zener en mode de claquage peut varier et la chute de tension aux bornes de la diode Zener reste presque inchangée.
Qu'est-ce que cela nous donne? En fait, c'est un régulateur de tension basse tension. La diode zener a toutes les mêmes caractéristiques que la diode, plus la tension de stabilisation Ust ou la tension zener nominale est également ajoutée. Elle est indiquée à un certain courant de stabilisation Ist ou courant d'essai. Toujours dans la documentation des diodes zener, indiquez le courant de stabilisation minimum et maximum.
Lorsque le courant passe du minimum au maximum, la tension de stabilisation flotte quelque peu, mais légèrement. Voir les caractéristiques courant-tension.La zone de travail de la diode Zener est marquée en vert. La figure montre que la tension sur la zone de travail est presque inchangée, avec une large gamme de changements de courant à travers la diode Zener.Pour entrer dans la zone de travail, nous devons régler le courant zener entre [Ist. min - Ist. max] en utilisant une résistance de la même manière que dans l'exemple avec une LED (au fait, il est également possible d'utiliser une source de courant). Seulement, contrairement à la LED, la diode zener est allumée dans le sens opposé.À un courant inférieur à Ist. min la diode zener ne s'ouvrira pas, mais avec plus de Ist. max - une rupture thermique irréversible se produit, c'est-à-dire la diode zener brûlera simplement.Calcul de diode Zener
Prenons l'exemple de notre alimentation calculée du transformateur. Nous avons une alimentation qui produit un minimum de 18 V (en fait, il y en a plus, à cause du transformateur 230/15 V, il vaut mieux la mesurer dans un circuit réel, mais ce n'est pas le point maintenant), capable de délivrer un courant de 1 A. Il faut alimenter la charge au maximum consommation de 50 mA tension stabilisée de 15 V (par exemple, que ce soit une sorte d'amplificateur opérationnel abstrait - ampli-op, ils ont approximativement la même consommation).