Как определить параметры светодиода

История появления

Так вышло, что работать над созданием диодов стало сразу два ученых: британец и немец. Следует заметить, что их открытия немного отличались. Первый основал изобретение на ламповых триодах, а второй — на твердотельных.

К сожалению, в то время наука не смогла сделать прорыв в этой сфере, однако для размышлений было дано очень много поводов.

Через несколько лет снова были открыты диоды (формально). Томас Эдисон запатентовал это изобретение. К сожалению, во всех своих работах при жизни это ему не пригодилось. Поэтому подобную технологию развивали другие ученые в разные годы. До начала XX века эти изобретения были названы выпрямителями. И только спустя время Вильям Иклз использовал два слова: di и odos. Первое слово переводится как два, а второе – путь. Язык, на котором было дано название, является греческим. И если переводить выражение полностью, то «диод» означает «два пути».

Теория

Цель работы

Ознакомиться с основными фотометрическими
величинами; ознакомиться с принципом работы
фотометра; проверить
выполнение закона Ламберта для источника света

Полупроводниковые диоды и стабилитроны

Выпрямительные диоды и стабилитроны представляют
собой полупроводниковые
приборы с одним электронно-дырочным переходом
(p–n-переходом).

Одним из свойств p–n-перехода является способность
изменять свое сопротивление в зависимости от
полярности
напряжения внешнего источника. Причем разница
сопротивлений при прямом и обратном направлениях тока
через
p–n-переход может быть
настолько велика, что в ряде случаев, например для
силовых диодов, можно считать, что
ток протекает через диод только в одном направлении –
прямом, а в обратном направлении ток настолько мал,
что им
можно пренебречь. Прямое направление – это когда
электрическое поле внешнего источника направлено
навстречу
электрическому полю p–n-
перехода, а обратное – когда направления этих
электрических полей совпадают.
Полупроводниковые диоды, использующие вентильное
свойство p–n-перехода, называются выпрямительными
диодами и
широко используются в различных устройствах для
выпрямления переменного тока.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) идеализированного
p–n-перехода описывается известным уравнением

где \(I_0\) – обратный ток p–n-перехода; \(q\) –
заряд электрона \(q=1,6\cdot 10^{-19}\ Кл\); \(k\) –
постоянная
Больцмана \(k = 1,38⋅10^{-23} Дж\cdot град\); \(T\) –
температура в градусах Кельвина.

Графическое изображение этой зависимости
представлено на рис. 1.1.

Вольт-амперная характеристика имеет явно выраженную
нелинейность, что предопределяет зависимость
сопротивления
диода от положения рабочей точки.

Различают сопротивление статическое \(R_{ст}\) и
динамическое \(R_{дин}\). Статическое сопротивление
\(R_{ст}\),
например в точке А (рис. 1.1), определяется как
отношение напряжения \(U_A\) и тока \(I_A\),
соответствующих этой точке: \(R_{ст} =
\frac{U_A}{I_A} = tg{\alpha}\)

Динамическое сопротивление определяется как отношение
приращений напряжения и тока (рис. 1.1):
\(R_{дин} = \frac{\Delta U}{\Delta I}\);

Рис. 1.1

При малых значениях отклонений \(∆U\) и \(ΔI\)
можно пренебречь нелинейностью
участка АВ характеристики и считать его гипотенузой
прямоугольного треугольника
АВС, тогда \(R_{дин} = tgβ\).

Если продолжить линейный участок прямой ветви
вольт-амперной характеристики
до пересечения с осью абсцисс, то получим точку
\(U_0\) – напряжение отсечки, которое
отделяет начальный пологий участок характеристики,
где динамическое сопротивление
\(R_{дин}\) сравнительно велико от круто
изменяющегося участка, где \(R_{дин}\) мало.

При протекании через диод прямого тока
полупроводниковая структура нагревается,
и если температура превысит при этом предельно
допустимое значение, то произойдет
разрушение кристаллической решетки полупроводника и
диод выйдет из строя. Поэтому
величина прямого тока диода ограничивается предельно
допустимым значением
\(I_{пр.max}\) при заданных условиях охлаждения.

Если увеличивать напряжение, приложенное в обратном
направлении к диоду, то
сначала обратный ток будет изменяться незначительно,
а затем при определенной величине
\(U_{проб}\) начнется его быстрое увеличение (рис.
1.2), что говорит о наступлении пробоя p–n-перехода.
Существуют несколько видов пробоя p–n-перехода в
зависимости от
концентрации примесей в полупроводнике, от ширины
p–n-перехода и температуры:

  • обратимый (электрический пробой);
  • необратимые (тепловой и поверхностный пробои).

Необратимый пробой для полупроводникового прибора
является нерабочим и недопустимым режимом.

Рис. 1.2

Поэтому в паспортных данных диода всегда
указывается предельно допустимое
обратное напряжение \(U_{проб}\) (напряжение
лавинообразования), соответствующее началу
пробоя p–n-перехода. Обратное номинальное значение
напряжения составляет обычно
\(0,5\ U_{проб}\) и определяет класс прибора по
напряжению. Так, класс 1 соответствует 100 В
обратного напряжения, класс 2 – 200 В и т. д.

В некоторых случаях этот режим пробоя используют
для получения круто нарастающего
участка ВАХ, когда малому приращению напряжения
\(∆U\) соответствует большое изменение тока
\(ΔI\) (рис. 1.2). Диоды, работающие в таком режиме,
называются
стабилитронами, т. к. в рабочем диапазоне при
изменении обратного тока от \(i_{обр. min}\) до
\(i_{обр. max}\) напряжение на диоде остается почти
неизменным, стабильным. Поэтому для
стабилитронов рабочим является участок пробоя на
обратной ветви ВАХ, а напряжение
пробоя (напряжение стабилизации) является одним из
основных параметров.

Тестирование диода без выпаивания

При проверке элементов внутри схем возникают некоторые трудности с определением их характеристик, так как измерительный прибор тестирует все части схемы, включенные между его измерительными щупами. Таким образом, нужно исключить возможные варианты протекания тока в схеме, в которую установлен нужный элемент. Самый простой вариант — выпаять один из выводов нужного вам для проверки диода. Тогда результаты измерения будут достоверными. После проведения выпаивания одного из выводов элемента можно проверить его любым из перечисленных выше способов.

Если выпаять один из выводов проблематично, отключите источник питания схемы и попробуйте проверить диод, не выпаивая его. При этом в схеме не должно быть элементов, шунтирующих проверяемый элемент. Результаты проверки также должны быть достоверны.

Дифференциальное сопротивление — диод

Вольтамперная характеристика германиевого диода.

Дифференциальное сопротивление диода при обратных напряжениях очень велико и находится в пределах от нескольких десятков килоомов до сотен мегоомов. Величина обратного тока при увеличении температуры на каждые 10 С увеличивается в 2 раза у германиевых и в 2 5 раза у кремниевых диодов. Полупроводниковые вентили в некоторых схемах играют роль переменных сопротивлений. Такие вентили для дополнительного контроля помещают в термостат и снимают их вольтамперные характеристики при средней температуре 20 С и предельных значениях температуры окружающей среды. Во время проведения испытаний к выводам диода следует подключать проводники такого же типа, как в рабочей схеме; длина выводов внутри термостата должна быть не менее 100 — 150 мм.

Анодная характеристика ( а, график анодного напряжения ( б, график анодного тока ( в.

Дифференциальное сопротивление диода на разных участках характеристики имеет разные значения. Однако средняя часть характеристики диода почти прямолинейна, и поэтому на этой части ее дифференциальное сопротивление практически постоянно. Оно часто и применяется для характеристики лампы.

Схема резервирования источников электропитания цепей микрофонов.| Защищенная схема резервирования источников электропитания цепей микрофонов.

Дифференциального сопротивления диодов 5 и 6 в рабочей точке оказывается достаточно для того, чтобы заметно снизить величину переходного затухания. Но одного этого недостаточно, так как если хотя бы один из выходных конденсаторов ( 7 или 8 выйдет из строя при коротком замыкании, то это вызовет полное прекращение работы всей станции.

Значение дифференциального сопротивления диода также определяют для среднего, почти линейного участка его характеристики.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода ( и и зависимость дифференциального сопротивления диода от приложенного напряжения ( б.

Наибольшее изменение дифференциального сопротивления диода наблюдается при изменении напряжения от минус 5 — 10 до плюс 0 5 — 1 0 в. Например, у диодов Д9 при изменении приложенного напряжения в указанных пределах q равно 1 500 — 2 ОШ.

Вольтамперные характери — 4 стики ЛПД в прямом направ — рисз лении.

С ростом напряжения дифференциальное сопротивление диодов этой группы уменьшается.

Иллюстрация механизма работы тиристора.

На этом участке дифференциальное сопротивление диода снова становится положительным.

Распределение диодов.| Экспериментальная зависимость коэффициента лавинного умножения обратного тока от напряжения для диода с мягким ( — — и с резким ( О, А, П пробоем.

При дальнейшем росте тока дифференциальное сопротивление диодов остается постоянным, пока температура перехода не достигает — 100 С. После этого величина Rap уменьшается с ростом тока, достигая нулевого значения при токе, соответствующем температуре перехода / np200 240 C.

Проверка измерителем

Перед началом работы любые типы элементов нуждаются в проверке. Не пренебрегайте этим правилом. Существует несколько способов проверить диод:

  • Основной способ проверки — с помощью мультиметра. Встроенная в измеритель проверка. Большинство мультиметров имеют режим прозвонки p-n перехода. Этот режим обычно обозначен значком диода на их передней панели. Чтобы прозвонить мультиметром диод, установите ручку регулятора вашего измерительного прибора на обозначение диода либо нажмите кнопку с этим обозначением на передней панели прибора. Далее подключите красный измерительный щуп к аноду проверяемого элемента, а черный щуп — к катоду. Узнать, какой из выводов анод, а какой катод, можно в интернете, прочитав описание на используемый вами диод. В описаниях обычно указывается маркировка. При подключении описанным способом мультиметр должен показать пороговое прямое напряжение тестируемого диода. Если элемент неисправен, то прибор покажет ноль или сильно отличающееся от порогового показание. При обратном подключении (черный щуп мультиметра к аноду, красный щуп — к катоду) мультиметр должен показать нулевое напряжение.
  • Вам нужно прозвонить диод, если ваш мультиметр не поддерживает режим проверки полупроводниковых приборов. Соберите простую схему. Соедините последовательно источник питания постоянного тока номинальным напряжением 5 вольт, резистор сопротивлением 100 Ом и проверяемый полупроводник. Катод соедините с минусом источника питания, а анод — с резистором. Далее переключите мультиметр в режим определения постоянного напряжения. Красный щуп мультиметра соедините с анодом тестируемого диода, а черный щуп — с катодом. При исправности элемента измеритель покажет пороговое прямое напряжение на нем.
  • Проверка диода в случае отсутствия у мультиметра режима прозвонки полупроводников. Выберите на мультиметре режим измерения сопротивления, диапазон измеряемого сопротивления до 2 кОм. Подсоедините красный щуп прибора к аноду, черный щуп к катоду элемента. При этом измерительный прибор должен показать сопротивление порядка сотен Ом. Если подсоединить мультиметр к полупроводнику наоборот (черный щуп к аноду, красный — к катоду), то он должен показать бесконечное сопротивление или разрыв цепи. Если выдаются другие показания, значит, элемент неисправен.

Особенности включения светодиода

Работая по одинаковому принципу с выпрямительными диодами, светоизлучающие элементы, тем не менее, имеют отличительные особенности. Наиболее важные из них:

  1. Крайне отрицательная чувствительность к напряжению обратной полярности. Светодиод, включенный в цепь с нарушением правильной полярности, выходит из строя практически мгновенно.
  2. Узкий диапазон допустимого рабочего тока через p-n переход.
  3. Зависимость сопротивления перехода от температуры, что свойственно большинству полупроводниковых элементов.

На последнем пункте следует остановиться подробнее, поскольку он является основным для расчета гасящего резистора. В документации на излучающие элементы указывается допустимый диапазон номинального тока, при котором они сохраняют работоспособность и обеспечивают заданные характеристики излучения. Занижение величины не является фатальным, но приводит к некоторому снижению яркости. Начиная с некоторого предельного значения, прохождение тока через переход прекращается, и свечение будет отсутствовать.

Превышение тока сначала приводит к увеличению яркости свечения, но срок службы при этом резко сокращается. Дальнейшее повышение приводит к выходу элемента из строя. Таким образом, подбор резистора для светодиода преследует цель ограничить максимально допустимый ток в наихудших условиях.

Напряжение на полупроводниковом переходе ограничено физическими процессами на нем и находится в узком диапазоне около 1-2 В. Светоизлучающие диоды на 12 Вольт, часто устанавливаемые на автомобили, могут содержать цепочку последовательно соединенных элементов или ограничительную схему, включенную в конструкцию.

Watch this video on YouTube

Домашнее задание:

3.1. По одному из рекомендованных литературных источников изучить:

3.1.1. Устройство, принцип работы, ВАХ полупроводникового диода.

3.1.2. Основные параметры диода: крутизна Sд,; сопротивление переменному току Rдиф (дифференциальное сопротивление); сопротивление постоянному току Ro(при заданном значении напряжения), обратное сопротивление Rобр.; коэффициент выпрямления Квыпр. и методы их определения по ВАХ.

3.1.3. Схемы практического использования выпрямительного полупроводникового диода.

3.2. Проверить свои знания путем устного ответа на контрольные вопросы.

Подготовить отчет по лабораторной работе.

Устройство и принцип работы

Если понять, как работает диод, то разобраться в устройстве этого полупроводникового прибора будет довольно просто. Основу детали составляет токовый переход, соединенный с двумя контактами (положительным — анодом и отрицательным — катодом). При прямом включении напряжения открывается переход, сопротивление которого небольшое. В результате через изделие проходит ток, называемый прямым.

Современные диоды имеют принципиальное отличие от первых моделей, активно используемых во время радиоламп. В полупроводниковых радиодеталях токовый переход изготавливается из кремния или германия и носит название р-n-переход. Основное различие между этими материалами заключается в показателях прямого напряжения, при которых происходит открытие.

Так как полупроводниковый кристалл может эффективно работать в любых условиях, то необходимость создания особой среды исчезла.

«Пороги» прямого напряжения

Как показано на графике выше, связь между током и напряжением диода не является дискретной. Эта связь экспоненциальна, а не линейна; ток плавно увеличивается от нуля до больших значений. Таким образом, если мы интерпретируем «порог» как своего рода мгновенный переход из одного состояния (например, «непроводящий») в другое состояние (например, «проводящий»), то в электрическом поведении диода нет настоящих «порогов».

При этом экспоненциальный характер ВАХ диода приводит к значениям напряжения, которые в контексте практических инженерных задач очень похожи на пороговые значения. Таким образом, часто бывает удобно говорить о двух напряжениях, обозначенных на диаграмме ниже, как если бы они были пороговыми.

Рисунок 2 – Пороговые напряжения диода

Первый порог, 0,5 В, определяет переход от незначительно малого тока к не незначительно малому току. Таким образом, когда мы обсуждаем практические схемы вместо точных научных подробностей, мы можем сказать, что обычный кремниевый диод не позволяет току течь, пока прямое напряжение не превысит 0,5 В.

Второй порог, 0,7 В, определяет точку, в которой наклон кривой ВАХ стал чрезвычайно высоким; мы можем использовать 0,7 В в качестве аппроксимации напряжения, падающего на кремниевом диоде в режиме полной проводимости, поскольку напряжения, значительно превышающие 0,7 В, соответствуют очень большим значениям тока.

Что такое диодная защита от обратной полярности?

На самом деле вы можете получить защиту от обратной полярности с помощью одного лишь диода. Да, всё, что вам нужно, это один диод. Это действительно работает, но, конечно, более сложное решение может обеспечить лучшую эффективность.

Идея здесь состоит в том, чтобы поставить в линию питания последовательно диод.

Защита от обратной полярности с помощью диода

Если вы не знакомы с этим методом, он может показаться немного странным. Может ли диод изменить полярность приложенного напряжения? Может ли он действительно «изолировать» схему, расположенную ниже, от приложенного напряжения?

Он, конечно, не сможет «отменить» обратную полярность, но он может изолировать остальную часть схемы от этого условия просто потому, что он не будет проводить ток, когда напряжение катода выше напряжения анода. Таким образом, в случае обратной полярности наносящие повреждения обратные токи не смогут протекать, и напряжение на нагрузке не будет таким же, как обратное напряжение источника питания, потому что диод работает подобно разрыву в цепи.

Схема LTspice, показанная выше, позволяет нам исследовать переходное и установившееся поведение схемы защиты на основе диода. Первоначально напряжение составляет 0В, затем оно резко изменяется до –3В. Моя идея здесь заключается в том, чтобы имитировать эффект неправильной установки двух аккумуляторов 1,5В (или одной батареи 3В). Моделирование включает в себя сопротивление нагрузке (соответствующее схеме, которая потребляет около 3 мА) и емкость нагрузки (соответствующая блокировочным конденсаторам у нескольких микросхем).

Результаты моделирования схемы защиты от обратной полярности с помощью диода

Вы можете видеть, что через диод протекает некоторый обратный ток (т.е. от катода к аноду). Переходной ток очень мал, а ток в установившемся состоянии незначителен. Однако ток течет, и, следовательно, диод со стороны катода не совсем «оторван» от цепи питания; вместо этого в цепи нагрузки имеется очень малое обратное напряжение. Однако это не является установившимся состоянием. Если мы продолжим моделирование до 300 мс, мы увидим следующее:

Результаты моделирования схемы защиты от обратной полярности с помощью диода (продолжительность 300 мс)

Так как емкость нагрузки заряжается и становится разрывом в цепи, ток падает до нуля (точнее, до 0,001 фемтоампера, в соответствии с LTspice), и, следовательно, на нагрузке нет никакого обратного напряжения. Вывод здесь заключается в том, что диод не идеален, но, насколько мне известно, его достаточно, потому что я не могу себе представить, что на какую-то реальную схему могут негативно повлиять ~100 мс напряжения обратной полярности в несколько микровольт.

Краткие теоретические сведения.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода изображена на рис. 1.

Главным параметром выпрямительного диода является коэффициент выпрямления «Квыпр.

Квыпр. — показывает во сколько раз величина прямого тока диода (Iпр.) при прямом напряжении Uпр. = 1В больше величины обратного тока (Iобр.) при обратном напряжении Uобр. = 1В. (Uпр. = Uобр. = 1В)

При выборе режима работы выпрямительного диода надо знать его предельные параметры:

Uобр max максимально допустимое обратное напряжение;

Iпр max максимально допустимый прямой ток;

fmax максимальная частота выпрямления.

Кроме того, необходимо учитывать:

R – сопротивление диода постоянному току. Вследствие нелинейности ВАХ диода, величина в разных точках нелинейной части характеристики будет различной. Поэтому вводится понятие — дифференциальное сопротивление диода.

Rдиф. – дифференциальное сопротивление диода переменному току.

Дифференциальное сопротивление диода можно рассчитать, графически используя линейный участок ВАХ.

При работе диода в области высоких частот и в импульсных режимах следует учитывать ёмкость диода – С

Крутизна характеристики диода – Sд показывает, изменение величины Iпр диода при изменении Uпр на линейном участке ВАХ. Крутизна характеристики является важным параметром диода. Крутизна характеристики диода — величина обратно пропорциональная дифференциальному сопротивлению диода.

Uпор. – пороговое напряжение диода это минимальное прямое напряжение, при котором диод открывается. У кремниевых диодов Uпор. выше, чем у германиевых.

При комнатной температуре электрический пробой у германиевого диода наступает обычно при Uo6p.= 150В, а у кремниевого — при Uo6p.=300В.

С повышением температуры напряжение пробоя у германиевого диода резко падает, а у кремниевого даже несколько возрастает. Таким образом, кремниевые диоды могут работать при более высоких обратных напряжениях и с меньшими обратными токами, чем германиевые. Именно поэтому в настоящее время выпрямительные диоды, как правило, изготавливаются на базе кремния.

Прямой ток диода при повышении температуры возрастает, поскольку в результате генерации увеличивается число носителей заряда в «р» и «n» — областях.

Именно благодаря односторонней электрической проводимости «р-n» перехода стало возможным использовать это свойство в виде выпрямительных диодов, предназначенных для пропускания тока только в одном заданном направлении.

Область применения

Сфера использования этих деталей в современной радиотехнике высока. Сложно найти устройство, которое работает без этих деталей. Чтобы понять, для чего нужен диод, можно привести несколько примеров:

  • Диодные мосты — содержат от 4 до 12 полупроводниковых устройств, которые соединяются между собой. Основной задачей диодных мостов является выпрямление тока, и они активно используются, например, при создании генераторов для автомобилей.
  • Детекторы — создаются при сочетании диодов и конденсаторов. В результате появляется возможность выделить низкочастотную модуляцию из различных сигналов. Применяются при изготовлении радио- и телеприемников.
  • Защитные устройства — позволяют обезопасить электрическую схему от возможных перегрузок. Несколько изделий подключаются в обратном направлении. Когда схема работает нормально, то они остаются в закрытом положении. Как только входное напряжение достигает критических показателей, устройство активируются.
  • Переключатели — такие системы на основе этих изделий позволяют осуществлять коммутацию высокочастотных сигналов.
  • Системы искрозащиты — создание шунт-диодного барьера позволяет ограничить показатель напряжения в электроцепи. Для увеличения степени защиты вместе с полупроводниковыми деталями используются специальные токоограничивающие резисторы.

Это лишь несколько примеров использования диодов. Они являются достаточно надежными устройствами, с помощью которых можно решать большое количество задач. Чаще всего эти радиодетали выходят из строя по причине естественного старения либо из-за перегрева.

Основные выводы

Варианты, как проверить диод мультиметром, довольно просты и доступны даже непрофессионалам.

  1. Перед проверкой необходимо определить тип полупроводника.
  2. Для дома удобнее приобрести цифровой мультиметр с более точными измерениями.
  3. Новейшие модели тестеров снимают сразу несколько параметров.
  4. При проведении проверки необходимо следить за правильным поднесением щупов к соответствующим электродам.
  5. Оценка работоспособности дается на основе 2-ух параметров: соответствии величины напряжения типу диодов при прямом подключении и нулевом значении при обратном.
  6. Произвести проверку можно не выпаивая полупроводник.

Главное, в ходе процедуры правильно произвести все подключения и верно истолковать полученные данные. Это позволит вовремя произвести замену комплектующей и решить проблему в кратчайший срок и с минимальными затратами.

Предыдущая
СветодиодыКак проверять исправность светодиодов мультиметром
Следующая
Лампы и светильникиВредны ли светодиодные лампы для здоровья человека: польза и вред диодного света

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Андрей Измаилов
Наш эксперт
Написано статей
116
Добавить комментарий