Não encaixe. Vai matar! c)
Vou tentar explicar o trabalho com diodos, LEDs e diodos zener nos dedos. Engenheiros eletrônicos experientes podem pular o artigo, porque não encontrarão algo novo para si. Não entrarei na teoria da condutividade de buracos de elétrons da junção pn. Acredito que essa abordagem de aprendizado confunda apenas os iniciantes. Esta é uma teoria simples, quase irrelevante para a prática. No entanto, para aqueles interessados em teoria, proponho
este artigo . Bem-vindo a todos sob gato.
Este é o segundo artigo do ciclo eletrônico. Leitura recomendada como
a primeira , que nos diz que essa corrente elétrica ea voltagem.
Um diodo é um dispositivo semicondutor com 2 pinos para conexão. Em termos simples, é fabricado conectando 2 semicondutores com diferentes tipos de impurezas, eles são chamados doador e aceitador, nep, respectivamente, portanto, o diodo contém uma junção pn no interior. Os achados, geralmente constituídos por cobre estanhado, são chamados ânodo (A) e cátodo (K). Esses termos remontam ao tempo das lâmpadas eletrônicas e são usados por escrito para indicar a direção do diodo. A designação gráfica é muito mais simples. Os nomes das conclusões do diodo serão lembrados por eles mesmos quando aplicados na prática.
Como já escrevi, não usaremos a teoria da condutividade do orifício de elétrons do diodo. Simplesmente encapsulamos essa teoria em uma caixa preta com dois grampos para conexão. Da mesma maneira, os programadores encapsulam o trabalho com bibliotecas de terceiros, sem entrar nos detalhes do seu trabalho. Ou, por exemplo, ao usar um aspirador de pó, não entramos em detalhes sobre como ele é organizado no interior, ele simplesmente funciona e é importante para nós que uma das propriedades de um aspirador de pó esteja aspirando poeira.
Considere as propriedades do diodo, as mais óbvias:
- Do ânodo ao cátodo, essa direção é chamada direta, o diodo passa a corrente.
- Do cátodo ao ânodo, na direção oposta, o diodo não passa corrente. (Na verdade não. Mas mais sobre isso mais tarde.)
- Quando a corrente flui na direção direta, uma certa tensão cai através do diodo.
Talvez essas propriedades já sejam conhecidas por você. Mas existem algumas adições. O que é considerado direto e qual é a direção oposta? Direct é chamado de inclusão, quando a tensão no ânodo é maior que no cátodo. O inverso é o oposto. A inclusão direta e reversa é uma convenção. Em circuitos reais, a tensão no mesmo diodo pode mudar de direta para reversa e vice-versa.
Um diodo de silício começa a passar pelo menos qualquer corrente significativa apenas quando a tensão no ânodo é aproximadamente 0,65 V maior que no cátodo. Não, não é assim. Quando pelo menos algumas correntes fluem, uma queda de tensão de aproximadamente 0,65 V ou mais se forma no diodo.
Uma tensão de 0,65 V é chamada de queda direta de tensão na junção pn. Este é apenas um valor médio aproximado, depende da corrente, temperatura do cristal e tecnologia de fabricação de diodos. Quando a corrente fluida muda, ela muda de maneira não linear. Para indicar de alguma forma essa não linearidade graficamente, os fabricantes removem as características de tensão de corrente do diodo. Nos diodos de alta tensão e alta potência, a queda de tensão pode ser superior a 2, 3, etc. vezes. Isso significa que várias junções pn são conectadas em série dentro do diodo.
Para determinar a queda de tensão, você pode usar a característica de tensão de corrente (CVC) do diodo na forma de um gráfico. Às vezes, esses gráficos são apresentados em folhas de dados para modelos de diodos reais, mas com mais freqüência não são. No primeiro gráfico que me ocorreu, o CVC KD243A é mostrado abaixo, embora isso não seja importante, todos são aproximadamente similares.
No gráfico, Upr é uma queda direta de tensão no diodo. Ipr - corrente fluindo através do diodo. O gráfico mostra qual será a queda de tensão no diodo quando a enésima corrente fluir. Mas, na maioria das vezes, características I-V reais não são mostradas nos datalistas, mas uma queda direta de tensão é indicada, indicada em uma determinada corrente. Na literatura inglesa, queda de tensão é referida como voltagem direta.
Como se inscrever
A queda de tensão no diodo é uma característica ruim para nós, uma vez que essa tensão não faz um trabalho útil e é dissipada como calor na caixa do diodo. Quanto menor a queda, melhor. Normalmente, a queda de tensão através do diodo é determinada com base na corrente que flui através do diodo. Por exemplo, ligue o diodo em série com a carga. Em essência, isso protegerá o circuito contra tratamento excessivo, caso a fonte de alimentação seja destacável. Na figura abaixo, um resistor de 47 Ohm é considerado o circuito protegido, embora na realidade possa ser qualquer coisa, por exemplo, uma seção de um circuito grande. A fonte de alimentação é uma bateria de 12 V.
Suponha que uma carga sem diodo consuma 255 mA. Nesse caso, isso pode ser calculado de acordo com a lei de Ohm: I = U / R = 12/47 = 0,255 A ou 255 mA. Embora geralmente o consumo de um circuito esférico no vácuo já seja conhecido, pelo menos pelas características máximas da fonte de alimentação. Encontre a queda de tensão para o diodo KD243A em 0,255 A da corrente de fluxo, a 25 graus, na curva I - V. É igual a aproximadamente 0,75 V. Esses 0,75 V cairão no diodo e, para alimentar o circuito, permanecerá 12 - 0,75 = 11,25 V - às vezes pode não ser suficiente. Como bônus, você pode encontrar a potência na forma de calor e perdas liberadas no diodo de acordo com a fórmula P = I * U = 0,75 * 0,255 = 0,19 W, onde I e U são a corrente através do diodo e a queda de tensão no diodo.
O que fazer quando a curva I-V não está disponível? Por exemplo, para o popular diodo 1n4007, apenas a tensão direta da tensão direta 1 V é indicada com uma corrente de 1 A. É necessário usar esse valor ou medir a queda real. E se esse valor não for indicado para nenhum diodo, será emitida uma média de 0,65 V. Na realidade, é mais fácil medir essa queda de tensão com um voltímetro no circuito do que procurá-la nos gráficos. Penso que não há necessidade de explicar que o voltímetro deve ser ligado a uma tensão constante se uma corrente constante fluir através do diodo, e as sondas devem tocar o ânodo e o cátodo do diodo.
Um pouco sobre outras características
No exemplo anterior, se você ligar a bateria, quero dizer alterando a polaridade, veja a figura abaixo, a corrente não flui e a queda de tensão no diodo, na pior das hipóteses, será de 12 V - a tensão da bateria. O principal é que essa tensão não exceda a tensão de ruptura do nosso diodo, é a tensão reversa, também é a tensão de ruptura. E também outra condição é importante: a corrente na direção direta através do diodo não excedeu a corrente nominal do diodo, é também corrente direta. Estes são os dois principais parâmetros pelos quais o diodo é selecionado: corrente direta e tensão reversa.
Às vezes, os datalistas também indicam a dissipação de energia pelo diodo ou a potência nominal (dissipação de energia). Se for indicado, não deve ser excedido. Como calculá-lo, já descobrimos o exemplo anterior. Mas se a energia não for indicada, você precisará navegar pela corrente.
Eles dizem que na direção oposta, a corrente através do diodo não flui, bem, ou quase não flui. De fato, uma corrente de fuga flui através dela, corrente reversa na literatura inglesa. Essa corrente é muito pequena, de alguns nanoamps para diodos de baixa potência a várias centenas de microamps, para potentes. Além disso, essa corrente depende da temperatura e da tensão aplicada. Na maioria dos casos, a corrente de fuga não desempenha nenhum papel, por exemplo, como no exemplo anterior, mas quando você trabalha com nano-amperes e coloca algum tipo de diodo de proteção na entrada do amplificador operacional, então pode ocorrer ... O circuito se comportará de maneira bastante diferente, como eu pensava.
Os diodos também possuem uma pequena capacitância dispersa. Isto é, de fato, este é um capacitor conectado em paralelo ao diodo. Essa capacitância deve ser levada em consideração durante processos rápidos quando o diodo opera em um circuito com dezenas ou centenas de megahertz.
Também algumas palavras sobre o termo "valor nominal". Normalmente, a corrente e a tensão nominais indicam que, se esses parâmetros forem excedidos, o fabricante não garante a operação do produto, salvo indicação em contrário. E isso é para todos os componentes eletrônicos, e não apenas para o diodo.
O que mais pode ser feito
Existem muitas aplicações de diodos. Os engenheiros de rádio eletrônica geralmente inventam seus circuitos a partir de peças de outros circuitos, os chamados tijolos de construção. Aqui estão algumas opções.
Por exemplo, um circuito para proteger as entradas digitais ou analógicas contra sobretensão:
Diodos neste circuito não passam corrente durante a operação normal. Somente corrente de fuga. Mas quando ocorre uma sobretensão com uma meia-onda positiva na entrada, ou seja, a tensão de entrada se torna mais do que Upit, mais uma queda direta de tensão no diodo, o diodo superior é aberto e a entrada é fechada no barramento de força. Se uma meia onda negativa de tensão ocorrer, o diodo inferior será aberto e a entrada fechará ao terra. Nesse circuito, a propósito, quanto menos vazamento e capacitância de diodos, melhor. Tais esquemas de proteção, como regra, já existem em todos os microcircuitos digitais modernos dentro do chip. E poderosos conjuntos externos de diodos TVS protegem, por exemplo, portas USB nas placas-mãe.
Você também pode montar um retificador a partir de diodos. Este é um tipo de circuito muito comum e quase nenhum dos leitores já ouviu falar deles. Os retificadores são meia onda, meia onda e ponte. Já conhecemos o retificador de meia onda em nosso primeiro exemplo de sofrimento, quando consideramos a proteção contra ultrapassagens. Não possui vantagens especiais, exceto o plus da bateria. Uma das desvantagens mais importantes que limitam a aplicação de um circuito retificador de meia onda na prática: o circuito funciona apenas com tensão positiva de meia onda. A tensão negativa corta completamente e a corrente não flui. “E daí?” Você diz: “Terei poder suficiente assim!” Mas não, se esse retificador estiver localizado após o transformador, a corrente fluirá apenas em uma direção através dos enrolamentos do transformador e, assim, o ferro do transformador será adicionalmente magnetizado. O transformador pode entrar em saturação e aquecer muito mais do que deveria.
Retificadores de duas meias ondas não têm essa desvantagem, mas precisam de uma saída média do enrolamento do transformador. Aqui, com uma polaridade positiva da tensão alternada, o diodo superior é aberto e, com uma polaridade negativa, o inferior. A eficiência do transformador não é totalmente utilizada.
Os circuitos de ponte não possuem esses dois inconvenientes. Mas agora, dois diodos são incluídos no caminho atual a qualquer momento: um diodo direto e um reverso. A queda de tensão nos diodos dobra e não é 0,65-1V, mas uma média de 1,3-2V. Dada essa queda, a tensão retificada é considerada.
Por exemplo, precisamos obter 18 volts de tensão retificada, qual transformador escolher para isso? 18 volts mais uma queda nos diodos, levam em média 1,4 V, igual a 19,4 V. Sabemos no
artigo anterior que o valor de amplitude da tensão alternada na raiz é 2 vezes maior que o seu valor real. Portanto, no circuito secundário do transformador, a tensão efetiva alternada é 19,4 / 1,41 = 13,75V. Considerando que a tensão na rede pode subir até 10%, e também sob a carga a tensão cai um pouco, escolheremos um transformador 230/15 V.
A potência do transformador de que precisamos pode ser calculada a partir da corrente de carga. Por exemplo, vamos conectar uma carga de um ampere a um transformador. Isto é se com uma margem. Deixe sempre uma pequena margem de 20 a 40%. Apenas pela fórmula de potência, você pode encontrar P = U * I = 15 * 1 = 15 VA, onde U e I são a tensão e a corrente do enrolamento secundário. Se houver vários enrolamentos secundários, suas capacidades aumentam. Mais perda de transformação, mais margem, então escolha um transformador de 20-40 VA. Embora muitas vezes os transformadores sejam vendidos com uma indicação da corrente dos enrolamentos secundários, não será necessário verificar a potência geral.
Após a ponte retificadora, é necessário um capacitor de suavização, não mostrado na figura. Não esqueça dele! Existem fórmulas inteligentes para calcular esse capacitor, dependendo do número de ondulações, mas eu recomendo esta regra: coloque um capacitor de 10000 μF por ampere de consumo atual. A tensão do capacitor não é menor que a tensão retificada sem carga. Neste exemplo, você pode usar um capacitor com um valor nominal de 25V.
Nós escolhemos diodos neste circuito para uma corrente> = 1A e uma tensão reversa com uma margem maior que 19,4 V, por exemplo, 50-1000 V. Você pode usar diodos Schottky. Estes são os mesmos diodos, apenas com uma queda de tensão muito pequena, que geralmente atinge dezenas de milivolts. Mas a desvantagem dos diodos Schottky é que eles não são produzidos com tensões mais ou menos altas, acima de 100V. Mais precisamente, eles lançaram recentemente, mas seu custo é altíssimo e as vantagens não são tão óbvias.
LED
Ele é organizado de maneira bem diferente de um diodo, mas tem as mesmas propriedades. Só brilha quando a corrente flui na direção direta.
Toda a diferença do diodo em algumas características. O mais importante é uma queda direta de tensão. É muito maior que 0,65 V para um diodo convencional e depende principalmente da cor do LED. Começando pelo vermelho, cuja queda de tensão é em média 1,8 V e terminando com um LED branco ou azul, cuja queda é de cerca de 3,5 V. No entanto, no espectro invisível, esses valores são maiores.
De fato, a queda de tensão aqui é a tensão mínima de ignição do diodo. Em uma tensão mais baixa, a fonte de energia não terá corrente e o diodo simplesmente não acenderá. Para LEDs de iluminação poderosos, a queda de tensão pode ser dezenas de volts, mas isso significa apenas que dentro do cristal existem muitos conjuntos de diodos paralelos em série.
Mas agora vamos falar sobre os LEDs indicadores, como os mais simples. São produzidos em vários casos, mais frequentemente em semicirculares, com diâmetro de 3, 5, 10 mm.
Qualquer diodo brilha dependendo da corrente que flui. De fato, é um dispositivo atual. A queda de tensão é obtida automaticamente. Nós mesmos ajustamos a corrente. Os diodos indicadores modernos mais ou menos começam a brilhar a uma corrente de 1 mA, e a 10 mA os olhos já queimam. Para diodos de iluminação poderosos, é necessário consultar a documentação.
Aplicação LED
Tendo apenas o resistor apropriado, você pode definir a corrente desejada através do diodo. Obviamente, você também precisará de uma fonte de alimentação CC, por exemplo, uma bateria de 4,5 V ou qualquer outra fonte de alimentação.
Por exemplo, configuramos uma corrente de 1 mA através de um LED vermelho com uma queda de tensão de 1,8 V.
O diagrama mostra os potenciais nodais, ou seja, tensão relativa a zero. Em que direção ligar o LED, o multímetro no modo de discagem nos dirá melhor, pois algumas vezes os LEDs chineses com pernas misturadas se deparam. Ao tocar nas pontas de prova do multímetro na direção certa, o LED deve estar pouco iluminado.
Como um LED vermelho é usado, 4,5 - 1,8 = 2,7V caem no resistor. Isso é conhecido pela segunda lei de Kirchhoff: a soma da queda de tensão nas seções sucessivas do circuito é igual à EMF da bateria, ou seja, 2,7 + 1,8 = 4,5V. Para limitar a corrente a 1 mA, o resistor de acordo com a lei de Ohm deve ter uma resistência R = U / I = 2,7 / 0,001 = 2700 Ohms, onde U e I são a tensão no resistor e a corrente que precisamos. Não se esqueça de traduzir os valores em unidades SI, em amperes e volts. Como os valores de resistência de saída são padronizados, escolhemos a classificação padrão mais próxima de 3,3 kOhm. Obviamente, a corrente mudará e poderá ser recalculada de acordo com a lei de Ohm I = U / R. Mas, muitas vezes, isso não é importante.
Neste exemplo, a corrente fornecida pela bateria é pequena, de modo que a resistência interna da bateria pode ser negligenciada.
Com os LEDs, tudo é igual, apenas correntes e tensões são mais altas. Mas, às vezes, eles não precisam mais de um resistor, é preciso examinar a documentação.
Outra coisa sobre o LED
De fato, a luz é o principal objetivo do LED. Mas há outra aplicação. Por exemplo, um LED pode atuar como uma fonte de tensão de referência. Eles são necessários, por exemplo, para obter fontes atuais. Como fontes de tensão de referência, como menos ruidosos, LEDs vermelhos são usados. Eles estão incluídos no circuito como no exemplo anterior. Como a tensão da bateria é relativamente constante, a corrente através do resistor e do LED também é constante, portanto a queda de tensão permanece constante. A partir do ânodo do LED, onde 1,8 V, é feita uma torneira e essa tensão de referência é usada em outras partes do circuito.
Para uma estabilização mais confiável da corrente no LED, com uma tensão pulsante da fonte de energia, em vez de um resistor, uma fonte de corrente é colocada no circuito. Mas fontes de corrente e fontes de referência de tensão são o tópico de outro artigo. Talvez um dia eu escreva.
Diodo Zener
Na literatura inglesa, o diodo zener é chamado diodo Zener. Tudo é igual ao diodo, em conexão direta. Mas agora vamos falar apenas sobre a troca reversa. Na inclusão reversa sob a ação de uma certa tensão no diodo zener, ocorre uma quebra reversível, isto é, corrente começa a fluir. Essa quebra é totalmente padrão e o modo de operação do diodo Zener, em contraste com o diodo, onde quando a tensão reversa nominal foi atingida, o diodo simplesmente falhou. Ao mesmo tempo, a corrente através do diodo zener no modo de interrupção pode variar, e a queda de tensão no diodo zener permanece praticamente inalterada.
O que isso nos dá? De fato, é um regulador de tensão de baixa tensão. O diodo zener tem todas as mesmas características que o diodo, além da tensão de estabilização Ust ou tensão nominal do zener também é adicionada. É indicado em uma certa corrente de estabilização Ist ou corrente de teste. Também na documentação dos diodos zener indica a corrente de estabilização mínima e máxima.
Quando a corrente muda do mínimo para o máximo, a tensão de estabilização flutua um pouco, mas um pouco. Veja as características da tensão de corrente.A área de trabalho do diodo zener está marcada em verde. A figura mostra que a tensão na área de trabalho é praticamente inalterada, com uma ampla gama de mudanças de corrente através do diodo zener.Para entrar na área de trabalho, precisamos definir a corrente zener entre [Ist. min - Ist. max] usando um resistor da mesma forma que no exemplo com o LED (a propósito, também é possível usar uma fonte de corrente). Somente, diferentemente do LED, o diodo zener é ativado na direção oposta.Em uma corrente mais baixa que Ist. min, o diodo zener não abrirá, mas com mais de Ist. max - ocorre ruptura térmica irreversível, isto é, o diodo zener simplesmente queimará.Cálculo do diodo Zener
Considere o exemplo de nossa fonte de alimentação calculada para transformadores. Temos uma fonte de alimentação que produz um mínimo de 18 V (na verdade, há mais, por causa do transformador de 230/15 V, é melhor medi-lo em um circuito real, mas esse não é o ponto agora), capaz de fornecer uma corrente de 1 A. É necessário alimentar a carga com o máximo consumo de 50 mA de tensão estabilizada de 15 V (por exemplo, seja algum tipo de amplificador operacional abstrato - op-amp, eles têm aproximadamente o mesmo consumo).