Tidak cocok Akan membunuh! (c)
Saya akan mencoba menjelaskan pekerjaan dengan dioda, LED, serta dioda zener pada jari. Insinyur elektronik yang berpengalaman dapat melewatkan artikel tersebut, karena mereka tidak akan menemukan sesuatu yang baru untuk diri mereka sendiri. Saya tidak akan membahas teori konduktivitas lubang elektron pada sambungan pn. Saya percaya bahwa pendekatan pembelajaran ini hanya akan membingungkan pemula. Ini adalah teori telanjang, hampir tidak relevan dengan praktik. Namun, bagi mereka yang tertarik dengan teori, saya mengusulkan
artikel ini . Selamat datang di semua orang di bawah kucing.
Ini adalah artikel kedua dari siklus elektronik. Saya juga merekomendasikan membaca yang
pertama , yang menceritakan tentang apa arus listrik dan tegangan.
Dioda adalah perangkat semikonduktor yang memiliki 2 pin untuk koneksi. Secara sederhana, itu dibuat dengan menghubungkan 2 semikonduktor dengan berbagai jenis pengotor, mereka masing-masing disebut donor dan akseptor, n dan p, oleh karena itu dioda berisi persimpangan pn di dalamnya. Temuan, biasanya terdiri dari tembaga kaleng, disebut anoda (A) dan katoda (K). Istilah-istilah ini kembali ke zaman lampu elektronik dan digunakan secara tertulis untuk menunjukkan arah dioda. Penunjukan grafik jauh lebih sederhana. Nama-nama kesimpulan dioda akan diingat sendiri ketika diterapkan dalam praktik.
Seperti yang sudah saya tulis, kita tidak akan menggunakan teori konduktivitas lubang elektron dioda. Kami hanya merangkum teori ini ke kotak hitam dengan dua klem untuk koneksi. Dalam cara yang hampir sama, programmer merangkum kerja dengan perpustakaan pihak ketiga, tanpa masuk ke ... detail pekerjaan mereka. Atau, misalnya, ketika menggunakan penyedot debu, kami tidak membahas secara terperinci bagaimana cara mengaturnya di dalam, itu hanya berfungsi dan penting bagi kami bahwa salah satu sifat penyedot debu adalah menyedot debu.
Pertimbangkan sifat-sifat dioda, yang paling jelas:
- Dari anoda ke katoda, arah ini disebut langsung, dioda melewati arus.
- Dari katoda ke anoda, di arah yang berlawanan, dioda tidak melewati arus. (Sebenarnya tidak. Tapi lebih dari itu nanti.)
- Ketika arus mengalir ke arah maju, tegangan tertentu turun melintasi dioda.
Mungkin properti ini sudah terkenal bagi Anda. Namun ada beberapa tambahan. Apa yang dianggap langsung dan apa arah yang berlawanan? Langsung disebut inklusi seperti itu, ketika tegangan di anoda lebih besar daripada di katoda. Kebalikannya adalah sebaliknya. Maju dan mundur inklusi adalah sebuah konvensi. Dalam rangkaian nyata, tegangan pada dioda yang sama dapat berubah dari langsung ke mundur dan sebaliknya.
Dioda silikon mulai melewati setidaknya setiap arus signifikan hanya ketika tegangan pada anoda sekitar 0,65 V lebih tinggi daripada di katoda. Tidak, tidak seperti itu. Ketika setidaknya beberapa arus mengalir, penurunan tegangan sekitar 0,65 V atau lebih tinggi terbentuk pada dioda.
Tegangan 0,65 V disebut penurunan tegangan langsung di persimpangan pn. Ini hanya nilai rata-rata perkiraan, itu tergantung pada saat ini, suhu kristal dan teknologi manufaktur dioda. Ketika arus yang mengalir berubah, ia berubah secara nonlinier. Entah bagaimana menunjukkan nonlinier ini secara grafis, pabrikan menghapus karakteristik tegangan arus dari dioda. Dalam daya tinggi dioda tegangan tinggi, penurunan tegangan bisa lebih dari 2, 3, dll. kali. Ini berarti bahwa beberapa persimpangan pn terhubung secara seri di dalam dioda.
Untuk menentukan penurunan tegangan, Anda dapat menggunakan karakteristik tegangan-arus (CVC) dari dioda dalam bentuk grafik. Kadang-kadang grafik ini diberikan dalam lembar data untuk model dioda nyata, tetapi lebih sering tidak. Pada bagan pertama yang saya temui, CVC KD243A ditunjukkan di bawah ini, meskipun ini tidak penting, semuanya hampir serupa.
Pada grafik, Upr adalah penurunan tegangan langsung di dioda. Ipr - arus yang mengalir melalui dioda. Grafik menunjukkan berapa drop tegangan di diode akan ketika arus ke-n mengalir. Tetapi lebih sering daripada tidak, karakteristik I-V nyata tidak ditunjukkan pada datalists, tetapi penurunan tegangan langsung ditunjukkan, ditunjukkan pada arus tertentu. Dalam literatur bahasa Inggris, penurunan tegangan disebut sebagai tegangan maju.
Bagaimana cara mendaftar
Penurunan tegangan melintasi dioda adalah karakteristik buruk bagi kami, karena tegangan ini tidak berfungsi dengan baik dan hilang sebagai panas pada kasing dioda. Semakin kecil dropnya, semakin baik. Biasanya, penurunan tegangan dioda ditentukan berdasarkan arus yang mengalir melalui dioda. Misalnya, nyalakan dioda secara seri dengan beban. Intinya, ini akan melindungi sirkuit dari perawatan yang berlebihan, jika catu daya dapat dilepas. Pada gambar di bawah ini, resistor 47 Ohm diambil sebagai sirkuit yang dilindungi, meskipun dalam kenyataannya dapat berupa apa saja, misalnya, bagian dari sirkuit besar. Catu daya adalah baterai 12 V.
Misalkan sebuah beban tanpa dioda mengkonsumsi 255 mA. Dalam hal ini, ini dapat dihitung menurut hukum Ohm: I = U / R = 12/47 = 0,255 A atau 255 mA. Meskipun biasanya konsumsi sirkuit bola dalam ruang hampa sudah diketahui, setidaknya dengan karakteristik maksimum dari catu daya. Temukan penurunan tegangan untuk dioda KD243A pada 0,255 A dari arus yang mengalir, pada 25 derajat, pada kurva I - V. Itu sama dengan sekitar 0,75 V. 0,75 V ini akan jatuh pada dioda, dan untuk menghidupkan rangkaian akan tetap ada 12 - 0,75 = 11,25 V - kadang-kadang mungkin tidak cukup. Sebagai bonus, Anda dapat menemukan kekuatan dalam bentuk panas dan kerugian yang dilepaskan pada dioda sesuai dengan rumus P = I * U = 0,75 * 0,255 = 0,19 W, di mana I dan U adalah arus melalui dioda dan penurunan tegangan melintasi dioda.
Apa yang harus dilakukan ketika kurva I-V tidak tersedia? Misalnya, untuk dioda populer 1n4007, hanya tegangan maju tegangan maju 1 V ditunjukkan pada arus 1 A. Perlu untuk menggunakan nilai ini, atau mengukur penurunan nyata. Dan jika nilai ini tidak diindikasikan untuk dioda apa pun, maka rata-rata 0,65 V akan terlepas.Dalam kenyataannya, lebih mudah untuk mengukur penurunan tegangan ini dengan voltmeter di sirkuit daripada mencarinya di grafik. Saya pikir tidak perlu menjelaskan bahwa voltmeter harus dihidupkan pada tegangan konstan jika arus konstan mengalir melalui dioda, dan probe harus menyentuh anoda dan katoda dioda.
Sedikit tentang karakteristik lain
Dalam contoh sebelumnya, jika Anda membalikkan baterai, maksud saya mengubah polaritasnya, lihat gambar di bawah, arus tidak akan mengalir dan penurunan tegangan melintasi dioda dalam kasus terburuk adalah 12 V - tegangan baterai. Yang utama adalah bahwa tegangan ini tidak melebihi tegangan rusak dioda kita, itu adalah tegangan balik, juga tegangan rusak. Dan juga kondisi lain yang penting: arus dalam arah maju melalui dioda tidak melebihi arus pengenal dioda, juga arus maju. Ini adalah dua parameter utama di mana dioda dipilih: arus maju dan tegangan balik.
Kadang-kadang datalists juga menunjukkan disipasi daya oleh dioda atau daya terukur (disipasi daya). Jika ditunjukkan, maka itu tidak boleh dilampaui. Bagaimana cara menghitungnya, kita sudah menemukan contoh sebelumnya. Tetapi jika daya tidak ditunjukkan, maka Anda harus menavigasi arus.
Mereka mengatakan bahwa dalam arah yang berlawanan, arus melalui dioda tidak mengalir, baik, atau hampir tidak mengalir. Bahkan, arus bocor mengalir melaluinya, arus balik dalam literatur bahasa Inggris. Arus ini sangat kecil, dari beberapa nanoamp untuk dioda daya rendah hingga beberapa ratus mikroamp, untuk yang kuat. Juga, arus ini tergantung pada suhu dan tegangan yang diberikan. Dalam kebanyakan kasus, arus bocor tidak memainkan peran apa pun, misalnya, seperti pada contoh sebelumnya, tetapi ketika Anda bekerja dengan nano-amp dan meletakkan semacam dioda pelindung pada input penguat operasional, maka oh mungkin terjadi ... Rangkaian akan berperilaku sangat berbeda, seperti yang saya pikirkan.
Dioda juga memiliki beberapa kapasitansi liar kecil. Artinya, ini adalah kapasitor yang terhubung paralel dengan dioda. Kapasitansi ini harus diperhitungkan selama proses cepat ketika dioda beroperasi dalam rangkaian dengan puluhan atau ratusan megahertz.
Juga beberapa kata tentang istilah "nilai nominal". Biasanya, arus dan tegangan pengenal menunjukkan bahwa jika parameter ini terlampaui, pabrikan tidak menjamin pengoperasian produk, kecuali dinyatakan lain. Dan ini untuk semua komponen elektronik, dan bukan hanya untuk dioda.
Apa lagi yang bisa dilakukan
Ada banyak aplikasi dioda. Insinyur elektronik radio biasanya menciptakan sirkuit mereka dari potongan sirkuit lain, yang disebut batu bata bangunan. Berikut ini beberapa opsi.
Misalnya, sirkuit untuk melindungi input digital atau analog terhadap tegangan lebih:
Dioda dalam rangkaian ini tidak melewati arus selama operasi normal. Hanya arus bocor. Tetapi ketika tegangan lebih dengan setengah gelombang positif terjadi pada input, mis. tegangan input menjadi lebih dari Upit ditambah penurunan tegangan langsung di dioda, dioda atas terbuka dan input menutup ke bus daya. Jika tegangan setengah gelombang negatif terjadi, maka dioda bawah terbuka dan input menutup ke ground. Di sirkuit ini, omong-omong, semakin sedikit kebocoran dan kapasitansi dioda, semakin baik. Skema perlindungan seperti itu, sebagai suatu peraturan, sudah ada di semua sirkuit mikro digital modern di dalam chip. Dan rakitan kuat eksternal dari dioda TVS melindungi, misalnya, port USB pada motherboard.
Anda juga dapat merakit penyearah dari dioda. Ini adalah tipe sirkuit yang sangat umum dan hampir tidak ada pembaca yang pernah mendengarnya. Penyearah adalah setengah gelombang, setengah gelombang, dan jembatan. Kami sudah bertemu dengan penyearah setengah-gelombang dalam contoh lama kami yang panjang, ketika kami mempertimbangkan perlindungan terhadap penyalinan. Itu tidak memiliki kelebihan khusus, kecuali untuk plus pada baterai. Salah satu kelemahan terpenting yang membatasi penerapan sirkuit penyearah setengah gelombang dalam praktiknya: sirkuit hanya bekerja dengan tegangan setengah gelombang positif. Tegangan negatif sepenuhnya terputus dan arus tidak mengalir. "Jadi apa?" Kamu berkata, "Aku akan memiliki kekuatan yang cukup seperti itu!" Tetapi tidak, jika penyearah seperti itu terletak setelah transformator, maka arus akan mengalir hanya dalam satu arah melalui belitan transformator dan, dengan demikian, besi transformator juga akan dimagnetisasi. Trafo bisa menjadi saturasi dan berjemur lebih dari yang seharusnya.
Penyearah gelombang dua setengah tidak memiliki kelemahan ini, tetapi mereka membutuhkan keluaran rata-rata dari belitan transformator. Di sini, dengan polaritas positif dari tegangan bolak-balik, dioda atas terbuka, dan dengan polaritas negatif, yang lebih rendah. Efisiensi transformator tidak sepenuhnya digunakan.
Sirkuit jembatan tidak memiliki kedua kelemahan ini. Tapi sekarang, dua dioda dimasukkan dalam jalur saat ini setiap saat: dioda langsung dan sebaliknya. Penurunan tegangan melintasi dioda berlipat ganda dan tidak 0,65-1V, tetapi rata-rata 1,3-2V. Mengingat penurunan ini, tegangan yang diperbaiki dipertimbangkan.
Sebagai contoh, kita perlu mendapatkan 18 volt dari tegangan yang diperbaiki, transformator mana yang harus dipilih untuk ini? 18 volt ditambah setetes pada dioda, ambil rata-rata 1,4 V, sama dengan 19,4 V. Kita tahu dari
artikel sebelumnya bahwa nilai amplitudo dari tegangan bolak-balik pada root adalah 2 kali lebih besar dari nilai aktualnya. Oleh karena itu, dalam rangkaian sekunder transformator, tegangan efektif bolak-balik adalah 19,4 / 1,41 = 13,75V. Mengingat bahwa tegangan dalam jaringan dapat naik hingga 10%, dan juga di bawah beban, tegangannya akan turun sedikit, kami akan memilih transformator 230/15 V.
Kekuatan transformator yang kita butuhkan dapat dihitung dari arus beban. Sebagai contoh, kita akan menghubungkan muatan satu ampere ke transformator. Ini jika dengan margin. Selalu sisakan margin kecil 20-40%. Hanya dengan rumus daya, Anda dapat menemukan P = U * I = 15 * 1 = 15 VA, di mana U dan I adalah tegangan dan arus belitan sekunder. Jika ada beberapa gulungan sekunder, maka kapasitasnya bertambah. Ditambah kerugian transformasi, plus margin, jadi pilih transformator 20-40 VA. Meskipun sering transformer dijual dengan indikasi arus gulungan sekunder, tidak ada salahnya untuk memeriksa daya keseluruhan.
Setelah jembatan penyearah, kapasitor penghalus diperlukan, tidak ditunjukkan pada gambar. Jangan lupakan dia! Ada rumus pintar untuk menghitung kapasitor ini tergantung pada jumlah riak, tetapi saya merekomendasikan aturan ini: letakkan kapasitor 10.000 ΞΌF per ampere konsumsi saat ini. Tegangan kapasitor tidak kurang dari tegangan yang diperbaiki tanpa beban. Dalam contoh ini, Anda dapat mengambil kapasitor dengan nilai nominal 25V.
Kami memilih dioda dalam rangkaian ini untuk arus> = 1A dan tegangan balik dengan margin lebih besar dari 19,4 V, misalnya, 50-1000 V. Anda dapat menggunakan dioda Schottky. Ini adalah dioda yang sama, hanya dengan penurunan voltase yang sangat kecil, yang sering berjumlah puluhan millivolt. Tetapi kelemahan dari dioda Schottky adalah bahwa mereka tidak diproduksi pada tegangan lebih atau kurang tinggi, lebih dari 100V. Lebih tepatnya, mereka baru saja merilis, tetapi biayanya sangat tinggi, dan keuntungannya tidak begitu jelas.
LED
Itu diatur di dalam sangat berbeda dari dioda, tetapi memiliki sifat yang sama. Itu hanya bersinar ketika arus mengalir ke arah depan.
Semua perbedaan dari dioda dalam beberapa karakteristik. Yang paling penting adalah penurunan tegangan langsung. Ini jauh lebih besar dari 0,65 V untuk dioda konvensional dan terutama tergantung pada warna LED. Mulai dari merah, penurunan tegangan yang rata-rata 1,8 V, dan diakhiri dengan LED putih atau biru, penurunannya sekitar 3,5 V. Namun, dalam spektrum tak terlihat nilai-nilai ini lebih luas.
Bahkan, drop tegangan di sini adalah tegangan minimum pengapian dioda. Pada tegangan yang lebih rendah, sumber listrik tidak akan memiliki arus dan dioda tidak akan menyala. Untuk pencahayaan LED yang kuat, penurunan voltase bisa puluhan volt, tetapi ini hanya berarti bahwa di dalam kristal ada banyak rakitan seri-paralel dioda.
Tapi sekarang mari kita bicara tentang indikator LED, sebagai yang paling sederhana. Mereka diproduksi dalam berbagai kasus, paling sering dalam kasus setengah lingkaran, dengan diameter 3, 5, 10 mm.
Setiap dioda bersinar tergantung pada arus yang mengalir. Bahkan, itu adalah perangkat saat ini. Penurunan tegangan diperoleh secara otomatis. Kami mengatur arus sendiri. Dioda indikator modern kurang lebih mulai bersinar pada arus 1 mA, dan pada 10 mA mata sudah terbakar. Untuk dioda pencahayaan yang kuat, Anda perlu melihat dokumentasi.
Aplikasi LED
Hanya memiliki resistor yang sesuai, Anda dapat mengatur arus yang diinginkan melalui dioda. Tentu saja, Anda juga akan memerlukan catu daya DC, misalnya, baterai 4,5 V atau catu daya lainnya.
Sebagai contoh, kami mengatur arus 1 mA melalui LED merah dengan drop tegangan 1,8 V.
Diagram menunjukkan potensi nodal, yaitu tegangan relatif ke nol. Di mana arah untuk menyalakan LED, multimeter dalam mode panggilan akan memberi tahu kita yang terbaik, karena kadang-kadang LED Cina dengan kaki campuran kadang-kadang menemukan. Saat menyentuh probe multimeter ke arah yang benar, LED harus menyala redup.
Karena LED merah digunakan, 4,5 - 1,8 = 2,7V akan jatuh pada resistor. Ini dikenal oleh hukum Kirchhoff kedua: jumlah tegangan turun di bagian berturut-turut dari sirkuit sama dengan baterai EMF, yaitu 2.7 + 1.8 = 4.5V. Untuk membatasi arus hingga 1 mA, resistor menurut hukum Ohm harus memiliki resistansi R = U / I = 2,7 / 0,001 = 2700 Ohm, di mana U dan I adalah tegangan melintasi resistor dan arus yang kita butuhkan. Jangan lupa menerjemahkan nilainya menjadi satuan SI, menjadi ampere dan volt. Karena nilai resistansi keluaran distandarisasi, kami memilih peringkat standar terdekat 3,3 kOhm. Tentu saja, saat ini akan berubah dan dapat dihitung ulang sesuai dengan hukum Ohm I = U / R. Tetapi seringkali ini tidak penting.
Dalam contoh ini, arus yang disuplai oleh baterai kecil, sehingga resistansi internal baterai dapat diabaikan.
Dengan LED, semuanya sama, hanya arus dan tegangan yang lebih tinggi. Tetapi kadang-kadang mereka tidak lagi membutuhkan resistor, Anda perlu melihat dokumentasi.
Sesuatu yang lain tentang LED
Padahal, cahaya adalah tujuan utama LED. Tetapi ada aplikasi lain. Misalnya, LED dapat bertindak sebagai sumber tegangan referensi. Mereka perlu, misalnya, untuk mendapatkan sumber saat ini. Sebagai sumber tegangan referensi, karena kurang berisik, LED merah digunakan. Mereka termasuk dalam rangkaian seperti pada contoh sebelumnya. Karena tegangan baterai relatif konstan, arus melalui resistor dan LED juga konstan, sehingga penurunan tegangan tetap konstan. Dari anoda LED, di mana 1,8V, keran dibuat dan tegangan referensi ini digunakan di bagian lain dari rangkaian.
Untuk stabilisasi arus yang lebih andal pada LED, dengan voltase sumber daya yang berdenyut, alih-alih resistor, sumber arus ditempatkan di sirkuit. Tetapi sumber arus dan sumber referensi tegangan adalah topik dari artikel lain. Mungkin suatu hari nanti saya akan menulisnya.
Dioda zener
Dalam literatur bahasa Inggris, dioda zener disebut dioda Zener. Semuanya sama dengan dioda, dalam koneksi langsung. Tapi sekarang kita hanya akan berbicara tentang switching terbalik. Dalam pemasukan terbalik di bawah aksi dari tegangan tertentu pada dioda zener, terjadi kerusakan yang dapat dibalik, mis. arus mulai mengalir. Kerusakan ini sepenuhnya standar dan mode operasi dioda Zener, berbeda dengan dioda, di mana ketika tegangan balik pengenal tercapai, dioda gagal. Pada saat yang sama, arus melalui dioda zener dalam mode breakdown dapat bervariasi, dan penurunan tegangan melintasi dioda zener tetap hampir tidak berubah.
Apa yang ini berikan pada kita? Bahkan, itu adalah regulator tegangan tegangan rendah. Dioda zener memiliki semua karakteristik yang sama dengan dioda, ditambah tegangan stabilisasi Ust atau tegangan zener nominal juga ditambahkan. Hal ini ditunjukkan pada arus stabilisasi tertentu atau arus uji. Juga dalam dokumentasi untuk dioda zener menunjukkan arus stabilisasi minimum dan maksimum.
Ketika arus berubah dari minimum ke maksimum, tegangan stabilisasi agak mengambang, tetapi sedikit. Lihat karakteristik tegangan arus.Area kerja dioda zener ditandai dengan warna hijau. Gambar tersebut menunjukkan bahwa tegangan pada area kerja hampir tidak berubah, dengan berbagai perubahan arus melalui dioda zener.Untuk memasuki area kerja, kita perlu mengatur arus zener antara [Ist. min - Ist. maks] menggunakan resistor dengan cara yang sama seperti yang dilakukan pada contoh dengan LED (by the way, dimungkinkan juga menggunakan sumber arus). Hanya, tidak seperti LED, zener diode dinyalakan dengan arah yang berlawanan.Pada arus yang lebih rendah dari Ist. min dioda zener tidak akan terbuka, tetapi dengan lebih dari Ist. maks - kerusakan termal yang ireversibel terjadi, mis. dioda zener hanya akan terbakar.Perhitungan dioda zener
Perhatikan contoh catu daya transformator kami yang dihitung. Kami memiliki catu daya yang menghasilkan minimum 18 V (pada kenyataannya, ada lebih banyak, karena transformator 230/15 V, lebih baik untuk mengukurnya dalam rangkaian nyata, tetapi bukan itu intinya sekarang), yang mampu menghasilkan arus 1 A. Perlu untuk memberi daya pada beban dengan maksimum konsumsi 50 mA tegangan stabil 15 V (misalnya, biarlah semacam penguat operasional abstrak - op-amp, mereka memiliki konsumsi kira-kira sama).