Анод и катод диода: что это такое, как их определить, применение

что это такое, плюс или минус, определяем полярность

Часто возникает проблема определения, какой из электродов является катодом, а какой — анодом. Для начала нужно разобраться с терминами.

Понятие катода и анода — простое объяснение

В сложных веществах электроны между атомами в соединениях распределены неодинаково. В результате взаимодействия частицы перемещаются от атома одного вещества к атому другого. Реакция именуется окислительно-восстановительной. Потеря электронов называется окислением, элемент, отдающий электроны — восстановителем.

Присоединение электронов носит название восстановление, принимающий элемент в этом процессе — окислитель. Переход электронов от восстановителя к окислителю может протекать по внешней цепи, и тогда его можно использовать в качестве источника электрической энергии. Устройства, в которых энергия химической реакции превращается в электрическую энергию, называются гальваническими элементами.

Простейший классический пример гальванического элемента — две пластины, изготовленные из различного металла и погруженные в раствор электролита. В такой системе окисление происходит на одном металле, а восстановление — на другом.

ВАЖНО! Электрод, на котором протекает окисление, называется анодом. Электрод, на котором протекает восстановление — катодом.

Из школьных учебников химии известен пример медно-цинкового гальванического элемента, работающего за счет энергии реакции между цинком и сульфатом меди. В устройстве Якоби — Даниэля пластина из меди помещена в раствор сульфата меди (медный электрод), цинковая пластина погружена в раствор сульфата цинка (цинковый электрод). Цинковый электрод отдает катионы в раствор, создавая в нем избыточный положительный заряд, а у медного электрода раствор обедняется катионами, здесь раствор заряжен отрицательно.

Замыкание внешней цепи заставляет электроны перетекать от цинкового электрода к медному. Равновесные отношения на границах фаз прерываются. Идёт окислительно-восстановительная реакция.

Энергия самопроизвольно протекающей химической реакции превращается в электрическую.

Если химическую реакцию провоцирует внешняя энергия электрического тока, идёт процесс, называемый электролизом. Процессы, протекающие при электролизе, обратны процессам, протекающим при работе гальванического элемента.

ВНИМАНИЕ! Электрод, на котором происходит восстановление, также называется катодом, но при электролизе он заряжен отрицательно, а анод — положительно.

Применение в электрохимии

Аноды и катоды принимают участие во многих химических реакциях:

• Электролиз;
• Электроэкстракция;
• Гальваностегия;
• Гальванопластика.

Электролизом расплавленных соединений и водных растворов получают металлы, производят очистку металлов от примесей и извлечение ценных компонентов (электролитическое рафинирование). Из металла, подлежащего очистке, отливают пластины. Они помещаются в качестве анодов в электролизер. Под воздействием электрического тока металл подвергается растворению. Его катионы переходят в раствор и разряжаются на катоде, образуя осадок чистого металла. Примеси, содержащиеся в первоначальной неочищенной металлической пластине, либо остаются нерастворимыми в виде анодного шлама, либо переходят в электролите, откуда удаляются. Электролитическому рафинированию подвергают медь, никель, свинец, золото, серебро, олово.

Электроэкстракция — процесс выделения металла из раствора в ходе электролиза. Для того чтобы металл перешёл в раствор, его обрабатывают специальными реагентами. В ходе процесса на катоде происходит выделение металла, характеризующегося высокой чистотой. Так получают цинк, медь, кадмий.

Чтобы избежать коррозии, придать прочность, украсить изделие поверхность одного металла покрывают слоем другого. Этот процесс называется гальваностегией.

Гальванопластика — процесс получения металлических копий с объёмных предметов электроосаждением металла.

Применение в вакуумных электронных приборах

Принцип действия катода и анода в вакуумном приборе может продемонстрировать электронная лампа. Она выглядит как герметически запаянный сосуд с металлическими деталями внутри. Прибор используется для выпрямления, генерирования и преобразования электрических сигналов. По числу электродов выделяют:

• диоды;
• триоды;
• тетроды;
• пентоды и т.д.

Диод — вакуумный прибор с двумя электродами, катодом и анодом. Катод подключен к отрицательному полюсу источника питания, анод — к положительному. Предназначение катода — испускать электроны под действием нагрева электрическим током до определенной температуры. Посредством испущенных электронов создается пространственный заряд между катодом и анодом. Самые быстрые электроны устремляются к аноду, преодолевая отрицательный потенциальный барьер объемного заряда. Анод принимает эти частицы. Создается анодный ток во внешней цепи. Электронным потоком управляют с помощью дополнительных электродов, подавая на них электрический потенциал. Посредством диодов переменный ток преобразуется в постоянный.

Применение в электронике

Сегодня используется полупроводниковые типы диодов.

В электронике широко используется свойство диодов пропускать ток в прямом направлении и не пропускать в обратном.

Работа светодиода основана на свойстве кристаллов полупроводников светиться при пропускании через p-n переход тока в прямом направлении.

Гальванические источники постоянного тока — аккумуляторы

Химические источники электрического тока, в которых протекают обратимые реакции, называются аккумуляторами: их перезаряжают и используют многократно.

При работе свинцового аккумулятора происходит окислительно-восстановительная реакция. Металлический свинец окисляется, отдает свои электроны, восстанавливая диоксид свинца, принимающего электроны. Металлический свинец в аккумуляторе — анод, он заряжен отрицательно. Диоксид свинца — катод и заряжен положительно.

По мере разряда аккумулятора расходуются вещества катода и анода и их электролита, серной кислоты. Чтобы зарядить аккумулятор, его подключают к источнику тока (плюсом к плюсу, минусом к минусу). Направление тока теперь обратное тому, какое было при разряде аккумулятора. Электрохимические процессы на электродах «обращаются». Теперь свинцовый электрод становится катодом, на нем проходит процесс восстановления, а диоксид свинца — анодом, с протекающей процедурой окисления. В аккумуляторе вновь создаются вещества, необходимые для его работы.

Почему существует путаница?

Проблема возникает из-за того, что определенный знак заряда не может быть прочно закреплен за анодом или катодом. Часто катодом является положительно заряженный электрод, а анодом — отрицательный. Часто, но не всегда. Все зависит от процесса, протекающего на электроде.

ВНИМАНИЕ! Деталь, которую поместили в электролит, может быть и анодом и катодом. Все зависит от цели процесса: нужно нанести на нее другой слой металла или снять его.

Как определить анод и катод

В электрохимии анод — это электрод, на котором идут процессы окисления, катод — это электрод, где происходит восстановление.

У диода отводы называются анод и катод. Ток будет идти через диод, если отвод анод подключить к «плюсу», отвод «катод» — к «минусу».

У нового светодиода с необрезанными контактами анод и катод определяются визуально по длине. Катод короче.

Если контакты обрезаны, поможет батарейка, приложенная к ним. Свет появится, когда полярности совпадут.

Знак анода и катода

В электрохимии речь правильнее вести не о знаках зарядов электродов, а о процессах, на них идущих. На катоде проходит реакция восстановления, на аноде — окисления.

В электротехнике для протекания тока катод подключают к отрицательному полюсу источника тока, анод — к положительному.

Что такое анод и катод — простое объяснение

Простое объяснение понятий анод и катод. Как их легко определить и запомнить.

Среди терминов в электрике встречаются такие понятия как анод и катод. Это касается источников питания, гальваники, химии и физики. Термин встречается также в вакуумной и полупроводниковой электронике. Им обозначают выводы или контакты устройств и каким электрическим знаком они обладают. В этой статье мы расскажем, что это такое анод и катод, а также как определить где они находятся в электролизере, диоде и у батарейки, что из них плюс, а что минус. Содержание:

Электрохимия и гальваника

В электрохимии есть два основных раздела:

1. Гальванические элементы – производство электричества за счет химической реакции. К таким элементам относятся батарейки и аккумуляторы. Их часто называют химическими источниками тока.
2. Электролиз – воздействие на химическую реакцию электроэнергией, простыми словами – с помощью источника питания запускается какая-то реакция.

Рассмотрим окислительно-восстановительную реакцию в гальваническом элементе, тогда какие процессы протекают на его электродах?

• Анод – электрод на котором наблюдается окислительная реакция, то есть он отдаёт электроны. Электрод, на котором происходит окислительная реакция – называется восстановителем.
• Катод – электрод на котором протекает восстановительная реакция, то есть он принимает электроны. Электрод, на котором происходит восстановительная реакция – называется окислителем.

Отсюда возникает вопрос – где плюс, а где минус у батарейки? Исходя из определения, у гальванического элемента анод отдаёт электроны.

Важно! В ГОСТ 15596-82 дано официальное определение названий выводов химических источников тока, если кратко, то плюс на катоде, а минус на аноде.

В данном случае рассматривается протекание электрического тока по проводнику внешней цепи от окислителя (катода) к восстановителю (аноду). Так как электроны в цепи текут от минуса к плюсу, а электрический ток наоборот, тогда катод – это плюс, а анод – это минус.

Внимание: ток всегда втекает в анод!

Или то же самое на схеме:

Процесс электролиза или зарядки аккумулятора

Эти процессы похожи и обратны гальваническому элементу, поскольку здесь не энергия поступает за счет химической реакции, а наоборот – химическая реакция происходит за счет внешнего источника электричества.

В этом случае плюс источника питания всё также называется катодом, а минус анодом. Зато контакты заряжаемого гальванического элемента или электроды электролизера уже будут носить противоположные названия, давайте разберемся почему!

Важно! При разряде гальванического элемента анод – минус, катод – плюс, при зарядке наоборот.

Так как ток от плюсового вывода источника питания поступает на плюсовой вывод аккумулятора – последний уже не может быть катодом. Ссылаясь на вышесказанное можно сделать вывод, что в этом случае электроды аккумулятора при зарядке условно меняются местами.

Тогда через электрод заряжаемого гальванического элемента, в который втекает электрический ток, называют анодом. Получается, что при зарядке у аккумулятора плюс становится анодом, а минус катодом.

Гальванотехника

Процессы осаждения металлов в результате химической реакции под воздействием электрического тока (при электролизе) называют гальванотехникой. Таким образом мир получил посеребренные, золоченные, хромированные или покрытые другими металлами украшения и детали. Этот процесс используют как в декоративных, так и в прикладных целях – для улучшения стойкости к коррозии различных узлов и агрегатов механизмов.

Принцип действия установок для нанесения гальванического покрытия лежит в использовании растворов солей элементов, которыми будут покрывать деталь, в качестве электролита.

В гальванике анод также является электродом, к которому подключаются плюсовой вывод источника питания, соответственно катод в этом случае – это минус. При этом металл осаждается (восстанавливается) на минусовом электроде (реакция восстановления). То есть если вы хотите сделать позолоченное кольцо своими руками – подключите к нему минусовой вывод блока питания и поместите в ёмкость с соответствующим раствором.

В электронике

Электроды или ножки полупроводниковых и вакуумных электронных приборов тоже часто называют анодом и катодом. Рассмотрим условное графическое обозначение полупроводникового диода на схеме:

Как мы видим, анод у диода подключается к плюсу батареи. Он так называется по той же причине – в этот вывод у диода в любом случае втекает ток. На реальном элементе на катоде есть маркировка в виде полосы или точки.

У светодиода аналогично. На 5 мм светодиодах внутренности видны через колбу. Та половина, что больше — это катод.

Также обстоит ситуация и с тиристором, назначение выводов и «однополярное» применение этих трёхногих компонентов делают его управляемым диодом:

У вакуумного диода анод тоже подключается к плюсу, а катод к минусу, что изображено на схеме ниже. Хотя при приложении обратного напряжения – названия этих элементов не изменятся, несмотря на протекание электрического тока в обратном направлении, пусть и незначительного.

С пассивными элементами, такими как конденсаторы и резисторы дело обстоит иначе. У резистора не выделяют отдельно катод и анод, ток в нём может протекать в любом направлении. Вы можете дать любые названия его выводам, в зависимости от ситуации и рассматриваемой схемы. У обычных неполярных конденсаторов также. Реже такое разделение по названиям контактов наблюдается в электролитических конденсаторах.

Заключение

Итак, подведем итоги, ответив на вопрос: как запомнить где плюс, где минус у катода с анодом? Есть удобное мнемоническое правило для электролиза, заряда аккумуляторов, гальваники и полупроводниковых приборов. У этих слов с аналогичными названиями одинаковое количество букв, что проиллюстрировано ниже:

Во всех перечисленных случаях ток вытекает из катода, а втекает в анод.

Пусть вас не собьёт с толку путаница: «почему у аккумулятора катод положительный, а когда его заряжают – он становится отрицательным?». Помните у всех элементов электроники, а также электролизеров и в гальванике – в общем у всех потребителей энергии анодом называют вывод, подключаемый к плюсу. На этом отличия заканчиваются, теперь вам проще разобраться что плюс, что минус между выводами элементов и устройств.

Напоследок рекомендуем просмотреть полезное видео по теме статьи:

Теперь вы знаете, что такое анод и катод, а также как запомнить их достаточно быстро. Надеемся, предоставленная информация была для вас полезной и интересной!

Материалы по теме:

• Чем отличается переменный ток от постоянного
• Фазное и линейное напряжение в сети
• Как зарядить батарейку в домашних условиях

Нравится0)Не нравится0)

Диод. Светодиод. Стабилитрон / Хабр

Не влезай. Убьет! (с)

Постараюсь объяснить работу с диодами, светодиодами, а также стабилитронами на пальцах. Опытные электронщики могут пропустить статью, поскольку ничего нового для себя не обнаружат. Не буду вдаваться в теорию электронно-дырочной проводимости pn-перехода. Я считаю, что такой подход обучения только запутает начинающих. Это голая теория, почти не имеющая отношения к практике. Впрочем, интересующимся теорией предлагаю эту статью. Всем желающим добро пожаловать под кат.

Это вторая статья из цикла электроники. Рекомендую к прочтению также первую, которая повествует о том, что такое электрический ток и напряжение.

Диод – полупроводниковый прибор, имеющий 2 вывода для подключения. Изготавливается, упрощенно говоря, путем соединения 2х полупроводников с разным типом примеси, их называют донорной и акцепторной, n и p соответственно, поэтому диод содержит внутри pn-переход. Выводы, обычно состоящие из луженой меди, называют анод (А) и катод (К). Эти термины пошли еще со времен электронных ламп и используются в письменном виде, для обозначения направленности диода. Гораздо проще графическое обозначение. Названия выводов диода запомнятся сами собой при применении на практике.

Как я уже писал, мы не будем использовать теорию электронно-дырочной проводимости диода. Просто инкапсулируем эту теорию до черного ящика с двумя зажимами для подключения. Примерно так же программисты инкапсулируют работу со сторонними библиотеками, не вдаваясь в е… подробности их работы. Или, например, когда, пользуясь пылесосом, мы не вдаёмся в подробности, как он устроен внутри, он просто работает и нам важно одно из свойств пылесоса – сосать пыль.

Рассмотрим свойства диода, самые очевидные:

• От анода к катоду, такое направление называется прямым, диод пропускает ток.
• От катода к аноду, в обратном направлении, диод ток не пропускает. (Вообще-то нет. Но об этом позже.)
• При протекании тока, в прямом направлении, на диоде падает некоторое напряжение.

Возможно эти свойства вам и так хорошо известны. Но есть некоторые дополнения. Что же считать прямым, а что обратным направлением? Прямым называют такое включение, когда на аноде напряжение больше, чем на катоде. Обратное, наоборот. Прямое и обратное включение – это условность. В реальных схемах напряжение на одном и том же диоде может меняться с прямого на обратное и наоборот.

Кремниевый диод начинает пропускать хоть какой-либо значимый ток только тогда, когда на аноде напряжение будет больше примерно на 0,65 В, чем на катоде. Нет, не так. При протекании хоть какого-либо тока, на диоде образуется падение напряжения, примерно равное 0,65 В и выше.

Напряжение 0,65 В – называют прямым падением напряжения на pn-переходе. Это лишь примерная средняя величина, она зависит от тока, температуры кристалла и технологии изготовления диода. При изменении протекающего тока, она изменяется нелинейно. Чтобы как-то обозначить эту нелинейность графически, производители снимают вольтамперные характеристики диода. В мощных высоковольтных диодах падение напряжения может быть больше в 2, 3 и т.д. раза. Это означает, что внутри диода включено несколько pn-переходов последовательно.

Для определения падения напряжения можно использовать вольтамперную характеристику (ВАХ) диода в виде графика. Иногда эти графики приводятся в дата-листах (datasheets) на реальные модели диода, но чаще их нет. На первом мне попавшемся графике ниже приведены ВАХ КД243А, хотя это не важно, они все примерно похожи.

На графике Uпр – это прямое падение напряжения на диоде. Iпр – протекающий через диод ток. График показывает какое падение напряжения на диоде будет, при протекании n-го тока. Но чаще всего в даталистах не показываются реальные ВАХ, а приводится прямое падение напряжения, указанное при определенном токе. В английской литературе падение напряжения обозначается как forward voltage.

Как применять

Падение напряжения на диоде – для нас плохая характеристика, поскольку это напряжение не совершает полезной работы и рассеивается в виде тепла на корпусе диода. Чем меньше падение, тем лучше. Обычно падение напряжения на диоде определяют исходя из тока, протекающего через диод. Например, включим диод последовательно с нагрузкой. По сути это будет защита схемы от переплюсовки, на случай, если блок питания отсоединяемый. На рисунке ниже в качестве защищаемой схемы взят резистор 47 Ом, хотя в реальности это может быть все, что угодно, например, участок большой схемы. В качестве блока питания – батарея на 12 В.
Допустим, нагрузка без диода потребляет 255 мА. В данном случае это можно посчитать по закону Ома: I= U / R = 12 / 47 = 0,255 А или 255 мА. Хотя обычно потребление сферической схемы в вакууме уже известно, хотя бы по максимальным характеристикам блока питания. Найдем на графике ВАХ, указанный выше, падение напряжения для диода КД243А при 0,255 А протекающего тока, при 25 градусах. Оно равно примерно 0,75 В. Эти 0,75 В упадут на диоде, и для питания схемы останется 12 — 0,75 = 11,25 В — иногда может и не хватить. Как бонус, можно найти мощность, в виде тепла и потерь выделяющуюся на диоде по формуле P = I * U = 0,75 * 0,255 = 0,19 Вт, где I и U – ток через диод и падение напряжения на диоде.

Что же делать, когда график ВАХ недоступен? Например, для популярного диода 1n4007 указано только прямое напряжения forward voltage 1 В при токе 1 А. Нужно и использовать это значение, либо измерить реальное падение. А если для какого-либо диода это значение не указано, то сойдет среднее 0,65 В. В реальности проще это падение напряжения измерить вольтметром в схеме, чем выискивать в графиках. Думаю, не надо объяснять, что вольтметр должен быть включен на постоянное напряжение, если через диод течет постоянный ток, а щупы должны касаться анода и катода диода.

Немного про другие характеристики

В предыдущем примере, если перевернуть батарейку, я имею ввиду поменять полярность, см. нижний рисунок, ток не потечет и падение напряжения на диоде в худшем случае составит 12 В — напряжение батареи. Главное, чтобы это напряжение не превышало напряжение пробоя нашего диода, оно же обратное напряжение, оно же breakdown voltage. А также важно еще одно условие: ток в прямом направлении через диод не превышал номинальный ток диода, он же forward current. Это два основных параметра по которых выбирается диод: прямой ток и обратное напряжение.

Иногда в даталистах также указывается рассеиваемая мощность диодом или номинальная мощность (power dissipation). Если она указана, то ее нельзя превышать. Как ее посчитать, мы уже разобрались на предыдущем примере. Но если мощность не указана, тогда надо ориентироваться по току.

Говорят, что в обратном направлении ток через диод не течет, ну или почти не потечет. На самом деле через него протекает ток утечки, reverse current в английской литературе. Этот ток очень маленький, от нескольких наноампер у маломощных диодов до нескольких сот микроампер, у мощных. Также этот ток зависит от температуры и приложенного напряжения. В большинстве случаем ток утечки не играет никакой роли, например, в как в предыдущем примере, но, когда вы будете работать с наноамперами и поставите какой-либо защитный диод на входе операционного усилителя, тогда может случиться ой… Схема поведет себя совсем не так, как задумывалась.

У диодов так же есть некоторая маленькая паразитная емкость capacitance. Т.е., по сути, это конденсатор, параллельно включенный с диодом. Эту емкость надо учитывать при быстрых процессах при работе диода в схеме с десятками-сотнями мегагерц.

Также несколько слов по поводу термина «номинал». Обычно номинальные ток и напряжение обозначают, что при превышении этих параметров производитель не гарантирует работу изделия, если не сказано другое. И это для всех электронных компонентов, а не только для диода.

Что еще можно сделать

Применений диодов существует множество. Разработчики-радиоэлектронщики обычно выдумывают свои схемы из кусочков других схем, так называемых строительных кирпичиков. Вот несколько вариантов.

Например, схема защиты цифровых или аналоговых входов от перенапряжения:

Диоды в этой схеме при нормальной работе не пропускают ток. Только ток утечки. Но когда по входу возникает перенапряжение с положительной полуволной, т.е. напряжение входа становится больше чем Uпит плюс прямое падение напряжения на диоде, то верхний диод открывается и вход замыкается на шину питания. Если возникает отрицательная полуволна напряжения, то открывается нижний диод и вход замыкается на землю. В этой схеме, кстати, чем меньше утечки и емкость у диодов, тем лучше. Такие схемы защиты уже, как правило, стоят во всех современных цифровых микросхемах внутри кристалла. А внешними мощными сборками TVS-диодов защищают, например, USB порты на материнских платах.

Также из диодов можно собрать выпрямитель. Это очень распространённый тип схем и вряд ли кто-то из читателей про них не слышал. Выпрямители бывают однополупериодные, двухполупериодные и мостовые. С однополупериодным выпрямителем мы уже познакомились в нашем самом первом многострадальном примере, когда рассматривали защиту от переплюсовки. Никакими особыми плюсами не обладает, кроме плюса на батарейке. Один из самых важных минусов, который ограничивает применение схемы однополупериодного выпрямителя на практике: схема работает только с положительной полуволной напряжения. Отрицательное напряжение напрочь отсекает и ток при этом не течет. «Ну и что?», скажете вы, «Такой мощности мне будет достаточно!». Но нет, если такой выпрямитель стоит после трансформатора, то ток будет протекать только в одну сторону через обмотки трансформатора и, таким образом, трансформаторное железо будет дополнительно подмагничиваться. Трансформатор может войти в насыщение и греться намного больше положенного.

Двухполупериодные выпрямители этого недостатка лишены, но им необходим средний вывод обмотки трансформатора. Здесь при положительной полярности переменного напряжения открыт верхний диод, а при отрицательной – нижний. КПД трансформатора используется не полностью.

Мостовые схемы лишены обоих недостатков. Но теперь на пути тока включены два диода в любой момент времени: прямой диод и обратный. Падение напряжения на диодах удваивается и составляет не 0,65-1В, а в среднем 1,3-2В. С учетом этого падения считается выпрямленное напряжение.
Например, нам надо получить 18 вольт выпрямленного напряжения, какой трансформатор для этого выбрать? 18 вольт плюс падение на диодах, возьмем среднее 1,4 В, равно 19,4 В. Мы знаем из предыдущей статьи, что амплитудное значение переменного напряжения в корень из 2 раз больше его действующего значения. Поэтому во вторичной цепи трансформатора переменное действующее напряжение равно 19,4 / 1,41 = 13,75В. С учетом того, что напряжение в сети может гулять на 10%, а также под нагрузкой напряжение немного просядет, выберем трансформатор 230/15 В.

Мощность требуемого нам трансформатора можно посчитать от тока нагрузки. Например, мы собираемся подключать к трансформатору нагрузку в один ампер. Это если с запасом. Всегда оставляйте небольшой запас, в 20-40%. Просто по формуле мощности можно найти P = U * I = 15 * 1 = 15 ВА, где U и I – напряжение и ток вторичной обмотки. Если вторичных обмоток несколько, то их мощности складываются. Плюс потери на трансформацию, плюс запас, поэтому выберем трансформатор 20-40 ВА. Хотя часто трансформаторы продаются с указанием тока вторичных обмоток, но проверить по габаритной мощности не помешает.

После выпрямительного моста необходим сглаживающий конденсатор, на рисунке не показан. Не забывайте про него! Есть умные формулы по расчету этого конденсатора в зависимости от количества пульсаций, но порекомендую такое правило: ставить конденсатор 10000мкФ на один ампер потребления тока. Вольтаж конденсатора не меньше, чем выпрямленное без нагрузки напряжение. В данном примере можно взять конденсатор с номиналом 25В.

Диоды в этой схеме выберем на ток >=1А и обратное напряжение, с запасом, больше 19,4 В, например, 50-1000 В. Можно применить диоды Шоттки. Это те же диоды, только с очень маленьким падением напряжения, которое часто составляет десятки милливольт. Но недостаток диодов Шоттки – их не выпускают на более-менее высокие напряжения, больше 100В. Точнее с недавнего времени выпускают, но их стоимость заоблачная, а плюсы уже не так очевидны.

Светодиод

Внутри устроен совсем по другому, чем диод, но имеет те же самые свойства. Только еще и светится при протекании тока в прямом направлении.
Все отличие от диода в некоторых характеристиках. Самое важное – прямое падение напряжения. Оно гораздо больше, чем 0,65 В у обычного диода и зависит в основном от цвета светодиода. Начиная от красного, падение напряжения которого составляет в среднем 1,8 В, и заканчивая белым или синим светодиодом, падение у которых около 3,5 В. Впрочем, у невидимого спектра эти значения шире.
По сути падение напряжения здесь – минимальное напряжение зажигания диода. При меньшем напряжении, у источника питания, тока не будет и диод просто не загорится. У мощных осветительных светодиодов падение напряжения может составлять десятки вольт, но это значит лишь, что внутри кристалла много последовательно-параллельных сборок диодов.

Но сейчас поговорим об индикаторных светодиодах, как наиболее простых. Их выпускают в различных корпусах, наиболее часто в полуокруглых, диаметром 3, 5, 10 мм.

Любой диод светится в зависимости от протекающего тока. По сути это токовый прибор. Падение напряжения получается автоматически. Ток мы задаем сами. Современные индикаторные диоды более-менее начинают светиться при токе 1 мА, а при 10 мА уже выжигают глаза. Для мощных осветительных диодов надо смотреть документацию.

Применение светодиода

Имея лишь соответствующий резистор можно задать нужный ток через диод. Конечно, понадобится еще и блок питания постоянного напряжения, например, батарейка 4,5 В или любой другой БП.

Например, зададим ток 1мА через красный светодиод с падением напряжения 1,8 В.

На схеме показаны узловые потенциалы, т.е. напряжения относительно нуля. В каком направлении включать светодиод нам подскажет лучше всего мультиметр в режиме прозвонки, поскольку иногда попадаются напрочь китайские светодиоды с перепутанными ногами. При касании щупов мультиметра, в правильном направлении, светодиод должен слабо светиться.

Поскольку применен красный светодиод, то на резисторе упадет 4,5 — 1,8 = 2,7В. Это известно по второму закону Кирхгофа: сумма падений напряжения на последовательных участках схемы равно ЭДС батарейки, т.е. 2,7 + 1,8 = 4,5В. Чтобы ограничить ток в 1мА, резистор по закону Ома должен обладать сопротивлением R = U / I = 2,7 / 0,001 = 2700 Ом, где U и I – напряжение на резисторе и необходимый нам ток. Не забываем переводить величины в единицы СИ, в амперы и вольты. Поскольку выпускаемые номиналы сопротивлений стандартизованы выберем ближайший стандартный номинал 3,3кОм. Конечно, при этом ток изменится и его можно пересчитать по закону Ома I = U / R. Но зачастую это не принципиально.

В этом примере ток, отдаваемый батарейкой, мал, так что внутренним сопротивлением батареи можно пренебречь.

С осветительными светодиодами все тоже самое, только токи и напряжения выше. Но иногда им уже не требуется резистор, надо смотреть документацию.

Что-то еще про светодиод

По сути, светить – это основное назначение светодиода. Но есть и другое применение. Например, светодиод может выступать в качестве источника опорного напряжения. Они необходимы, например, для получения источников тока. В качестве источников опорного напряжения, как менее шумные, применяют красные светодиоды. Их включают в схему так же, как и в предыдущем примере. Поскольку напряжение батарейки относительно постоянное, ток через резистор и светодиод тоже постоянный, поэтому падение напряжения остается постоянным. От анода светодиода, где 1,8В, делается отвод и используется это опорное напряжение в других участках схемы.

Для более надежной стабилизации тока на светодиоде, при пульсирующем напряжении источника питания, вместо резистора в схему ставят источник тока. Но источники тока и источники опорного напряжения – это тема еще одной статьи. Возможно, когда-нибудь я ее напишу.

Стабилитрон

В английской литературе стабилитрон называется Zener diode. Все тоже самое, что и диод, в прямом включении. Но сейчас поговорим только про обратное включение. В обратном включении под действием определенного напряжения на стабилитроне возникает обратимый пробой, т.е. начинает течь ток. Этот пробой полностью штатный и рабочий режим стабилитрона, в отличие от диода, где при достижении номинального обратного напряжения диод просто выходил из строя. При этом, ток через стабилитрон в режиме пробоя может меняться, а падение напряжение на стабилитроне остается практически неизменным.
Что нам это дает? По сути это маломощный стабилизатор напряжения. Стабилитрон имеет все те же характеристики, что и диод, плюс добавляется так же напряжение стабилизации Uст или nominal zener voltage. Оно указывается при определенном токе стабилизации Iст или test current. Также в документации на стабилитроны указываются минимальный и максимальный ток стабилизации. При изменении тока от минимального до максимального, напряжение стабилизации несколько плавает, но незначительно. См. вольт-амперные характеристики.
Рабочая зона стабилитрона обозначена зеленым цветом. На рисунке видно, что напряжение на рабочей зоне практически неизменно, при широком диапазоне изменения тока через стабилитрон.

Чтобы выйти на рабочую зону, нам надо установить ток стабилитрона между [Iст. min – Iст. max] с помощью резистора точно так же, как это делалось в примере со светодиодом (кстати, можно также с помощью источника тока). Только, в отличие от светодиода, стабилитрон включен в обратном направлении.

При меньшем токе, чем Iст. min стабилитрон не откроется, а при большем, чем Iст. max – возникнет необратимый тепловой пробой, т.е. стабилитрон просто сгорит.

Расчёт стабилитрона

Рассмотрим на примере нашего рассчитанного трансформаторного БП. У нас есть блок питания, выдающий минимум 18 В (по сути там больше, из-за трансформатора 230/15 В, лучше мерить в реальной схеме, но суть сейчас не в этом), способный отдавать ток 1 А. Нужно запитать нагрузку с максимальным потреблением 50 мА стабилизированным напряжением 15 В (например, пусть это будет какой-нибудь абстрактный операционный усилитель – ОУ, у них примерно такое потребление).
Такая слабая нагрузка выбрана неспроста. Стабилитроны довольно маломощные стабилизаторы. Они должны проектироваться так, чтобы через них мог проходить без перегрева весь ток нагрузки плюс минимальный ток стабилизации Iст. min. Это необходимо, потому что ток после резистора R1 делится между стабилитроном и нагрузкой. В нагрузке ток может быть непостоянным, либо нагрузка может выключаться из схемы совсем. По сути это параллельный стабилизатор, т.е. весь ток, который не уйдет в нагрузку, примет на себя стабилитрон. Это как первый закон Кирхгофа I = I1 + I2, только здесь I = Iнагр + Iст. min.

Итак, выберем стабилитрон с напряжением стабилизации 15 В. Для установки тока через стабилитрон всегда необходим резистор (или источник тока). На резисторе R1 упадет 18 – 15 = 3 В. Через резистор R1 будет протекать ток Iнагр. + Iст. min. Примем Iст. min = 5 мА, это примерно достаточный ток для всех стабилитронов с напряжением стабилизации до 100 В. Выше 100 В можно принимать 1мА и меньше. Можно взять Iст. min и больше, но это только будет бесполезно греть стабилитрон.

Итак, через R1 течет Ir1 = Iнагр. + Iст. min = 50 + 5 = 55 мА. По закону Ома находим сопротивление R1 = U / I = 3 / 0,055 = 54,5 Ом, где U и I – напряжение на резисторе и ток через резистор. Выберем из ближайшего стандартного ряда сопротивление 47 Ом, будет чуть больше ток через стабилитрон, но ничего страшного. Его даже можно посчитать, общий ток: Ir1 = U / R = 3 / 47 = 0,063А, далее минимальный ток стабилитрона: 63 — 50 = 13 мА. Мощность резистора R1: P = U * I = 3 * 0,063 = 0,189 Вт. Выберем стандартный резистор на 0,5 Вт. Советую, кстати, не превышать мощность резисторов примерно Pmax/2, дольше проживут.

На стабилитроне тоже рассеивается мощность в виде тепла, при этом в самом худшем случае она будет равна P = Uст * (Iнагр + Iст.) = 15 * (0,050 + 0,013) = 0,945 Вт. Стабилитроны выпускают на разную мощность, ближайшая 1Вт, но тогда температура корпуса при потреблении около 1Вт будет где-то 125 градусов С, лучше взять с запасом, на 3 Вт. Стабилитроны выпускают на 0,25, 0,5, 1, 3, 5 Вт и т.д.

Первый же запрос в гугле «стабилитрон 3Вт 15В» выдал 1N5929BG. Далее ищем «datasheet 1N5929BG». По даташиту у него минимальный ток стабилизации 0,25 мА, что меньше 13 мА, а максимальный ток 100 мА, что больше 63 мА, т.е. укладывается в его рабочий режим, поэтому он нам подходит.

В общем-то, это весь расчёт. Да, стабилизатор это неидеальный, внутреннее сопротивление у него не нулевое, но он простой и дешевый и работает гарантировано в указанном диапазоне токов. А также поскольку это параллельный стабилизатор, то ток блока питания будет постоянным. Более мощные стабилизаторы можно получить, умощнив стабилитрон транзистором, но это уже тема следующей статьи, про транзисторы.

Проверить стабилитрон на пробой обычным мультиметром, как правило, нельзя. При более-менее высоковольтном стабилитроне просто не хватит напряжения на щупах. Единственное, что удастся сделать, это прозвонить его на наличие обычной диодной проводимости в прямом направлении. Но это косвенно гарантирует работоспособность прибора.

Еще стабилитроны можно использовать как источники опорного напряжения, но они шумные. Для этих целей выпускают специальные малошумящие стабилитроны, но их цена в моем понимании зашкаливает за кусочек кремния, лучше немного добавить и купить интегральный источник с лучшими параметрами.

Также существует много полупроводниковых приборов, похожих на диод: тиристор (управляемый диод), симистор (симметричный тиристор), динистор (открываемый импульсно только по достижении определенного напряжения), варикап (с изменяемой емкостью), что-то еще. Первые вам понадобятся в силовой электронике при постройки управляемых выпрямителей или регуляторов активной нагрузки. А с последними я уже лет 10 не сталкивался, поэтому оставляю эту тему для самостоятельного чтения в вики, хотя бы про тиристор.

Куда течет ток или где же этот чертов катод? / Хабр

Есть вещи, которые хочется, что называется «развидеть» — термин вполне устоявшийся и понятный.

— Евгений Гришковец, рассказывает про железнодорожников. (с) Спектакль «Одновременно»

А есть вещи которые, ну никак не получается запомнить. Это возникает от того, что новое понятие не может однозначно зацепиться за уже известные факты в сознании, никак не получается построить новую связь в семантической сети фактов.

Все знают, что у диода есть катод и анод. Все знают, как диод обозначается на электрической схеме. Но далеко не все могут правильно сказать, где же на схеме что.

Под спойлером картинка, посмотрев на которую, вы навсегда запомните, где у диода анод, а где катод. Должен предупредить, развидеть это не получится, так что тот, кто не уверен в себе, пусть не открывает.

Теперь, когда мы отпугнули слабых, продолжаем…
Да, вот так все просто. Буква К — это катод, буква А — это анод. Извините, теперь и вы это никогда не забудете.

Продолжим, и разберемся куда течет ток. Если приглядеться, обозначение диода представляет собой стрелку. Вот, не поверите — ток течет именно туда, куда показывает стрелка! Что логично, не правда ли? Дальше больше — ток течет «Аткуда» (от Анода) и «Куда» (к Катоду). В обозначениях транзисторов тоже есть стрелки, и они так же обозначают направление тока.

Ток — направленное движение заряженных частиц — это мы все знаем из школьной физики. Каких частиц? Да, любых заряженных! Это могут быть и электроны несущие отрицательный заряд и обделенные электронами частицы — атомы или молекулы, в растворах и плазме — ионы, в полупроводниках — «свободные электроны» или вообще «дырки», что бы это не значило. Так вот, во всем этом зоопарке проще всего разобраться так: ток течет от плюса к минусу, и все. Запомнить это очень просто: «плюс» — интуитивно — это там где чего-то «больше», больше в данном случае зарядов (еще раз — не важно каких!) и текут они в сторону «минуса», где их мало и ждут. Все остальные подробности, непринципиальны.

Ну, и последнее — батарейка. Обозначение тоже всем известно, две палочки подлинней потоньше и покороче потолще. Так вот покороче и потолще символизирует собой минус — эдакий «жирный минус» — как в школе, помните: «ставлю тебе четыре с жирным минусом». Я только так и запомнил, возможно, кто-то предложит вариант лучше.

Теперь, вы без труда ответите на вопрос, загорится ли лампочка в этой схеме:

Всех с 1 апреля! Улыбайтесь, господа. Улыбайтесь!

Анод и катод: что это такое

Эти физические термины затрагивают области гальваники, химии, а также источников питания, полупроводниковой и вакуумной электроники. Зная, что такое анод и катод можно, к примеру, разобраться почему греется телефон. В статье описывается, что из себя представляют анод и катод, объясняется катод и анод – это плюс или минус. Помимо этого, затрагиваются аспекты и нюансы заряда катода и анода.

Анод и катод. Что это такое

Анод – является электродом, через который электрический ток проникает в устройство. Он является противоположностью катоду, электроду, через который электрический ток покидает электрическое устройство. Направление электрического тока в цепи отличается вектора потока электронов. В связи с этим (отрицательно заряженные) электроны вытекают из анода во внешний контур. Анод в гальваническом элементе представлен электродом, где происходит реакция окисления.

Эти понятия обусловлены не полярностью напряжения электродов, а направлением тока через электрод. Если ток, который идёт через электроды, изменяет своё направление, как это происходит, например, в перезаряжаемой батарее (во время зарядки), анод и катод меняются местами.

Обычный ток зависит не только от направления движения носителей заряда, но и от электрозаряда носителей. Электрический ток вне устройства обычно переносится электронами в проводнике из металла. Так как электроны обладают зарядом со значением «минус», направление их потока противопоставляется направлению стандартного тока. Из этого следует, что электроны уходят из аппарата через анод и попадают в устройство через катод.

Полярность напряжения на аноде по отношению к связанному катоду меняется из-за разновидности аппарата и его режима работы. В представленных примерах анод является отрицательным в устройстве (обеспечивает питание) и положительным в устройстве, которое потребляет энергию. В разных областях применения анод может быть положительным или отрицательный.

Анод в гальваническом элементе

Тут он является отрицательным выводом, потому что именно там обычный ток протекает в устройство (элемент аккумулятора). Этот внутренний электрический ток переносится извне электронами, движущимися наружу. Притом отрицательный заряд, протекающий в одном направлении, электрически эквивалентен положительному заряду, который протекает противоположном направлении.

В перезаряжаемой батарее или в электролизере

Здесь же анод является положительным выводом, который получает ток от внешнего генератора. Ток через перезаряжаемую батарею противоположен направлению тока во время разряда. Иными словами, электрод, который был катодом во время разрядки батареи, становится анодом во время процесса её зарядки.

Электронно-лучевая труба

Тут является положительным выводом, через который электроны вытекают из устройства. Иначе: туда, где течет положительный электрический ток.

Вакуумная трубка анода

В электронных вакуумных устройствах, таких как электронно-лучевая трубка, анод – это положительно заряженный электронным коллектор. В трубке анод представляет собой заряженную положительную пластину, которая собирает электроны, испускаемые катодом через электрическое притяжение. Это параллельно ускоряет поток этих электронов.

В электрохимии анод находится там, где происходит окисление, и является контактом с положительной полярностью в электролизере. На аноде электрические потенциалы заставляют анионы (отрицательные ионы) вступать в химическую реакцию и испускать электроны (окисление), которые затем попадают в цепь управления.

Диодный анод

В полупроводниковом диоде анодом является легированным слоем P, который изначально создает отверстия для соединения. В области соединения отверстия, подаваемые анодом, объединяются с электронами, подаваемыми из области с N-легированием, создавая истощённую зону. Когда положительное напряжение подается на анод диода из схемы, большее количество отверстий может быть перенесено в обедненную область, и это приводит к тому, что диод становится проводящим, позволяя току протекать по цепи.

Термины «анод» и «катод» не должны применяться к стабилитрону, так как он даёт возможность протекать току в любом направлении в зависимости от полярности напряжения.

В электрохимии

Тут анод расположен там, где происходит окисление, и является контактом с положительной полярностью в электролизере. На аноде электрические потенциалы заставляют анионы (отрицательные ионы) вступать в химическую реакцию и испускать электроны (окисление), которые затем попадают в цепь управления.

Такой процесс широко применяется для рафинирования металлов. При рафинировании меди медные аноды (те промежуточные продукты из печей) претерпевают электролиз в подходящем растворе (таком как серная кислота) для получения катодов высокой чистоты. Медные катоды, полученные с использованием этого метода, также называют электролитической медью.

Катод – это электрод, от которого обычный ток покидает электрический аппарат. Тут у электронов заряд электрический заряд под знаком «минус», поэтому движение электронов противоположно движению обычного потока тока. Катодный электрический ток отходит, что также означает, что электроны поступают в катод устройства из внешней цепи.

Полярность катода и анода – это положительное или отрицательное значение, что зависит от работы устройства. Хотя положительно заряженные катионы всегда движутся к катоду (отсюда и их название), а отрицательно заряженные анионы удаляются от него, полярность катода зависит от типа устройства и может даже варьироваться в зависимости от режима работы.

В устройстве, поглощающем энергию заряда (зарядка батареи), катод является отрицательным (электроны вытекают из катода, и заряд проникает туда) и в аппарате, который снабжает энергией (используемая батарея), катод положительный (электроны втекают в него и заряд уходит). Используемая батарея обладает катодом (положительный вывод), поскольку именно там ток течет из устройства. Этот внешний ток переносится изнутри положительными ионами, движущимися от электролита к положительному катоду (химическая энергия отвечает за движение в гору). Это поддерживается электронами, которые направляются к батарее.

Например, медный электрод гальванического элемента Даниэля является положительным выводом и одновременно катодом. Это происходит тогда, когда заряд поступает в батарею. Например, изменение направления тока в гальваническом элементе Даниэля превращает его в электролизер. Тут медный электрод одновременно является как положительным выводом, так и анодом. В диоде катод является отрицательным выводом на остроконечном конце символа стрелки, откуда ток течет из устройства.

В электролизере на катоде применяется отрицательная полярность для активации элемента. Общими результатами восстановления на катоде являются газообразный водород или чистый металл из ионов металлов. Говоря об относительной восстановительной способности двух окислительно-восстановительных агентов, считается, что пара для генерирования большего количества восстанавливающих веществ является более «катодной» по сравнению с более легко восстанавливаемым реагентом.

Как определить анод и катод

Электрическая схема катода и анода:

Различие между катодом и анодом основано исключительно на токе, а не на напряжении. Металл, используемый для катода, имеет значительно большее количество электронов, чем нейтроны или протоны.

Например, один из потребителей энергии находится в прямом включении. Далее, ток по аноду из внешней цепи проникает в элемент. Во внешнюю цепь прямо через катод из элемента выходит электрический ток. Это чем-то напоминает перевёрнутое изображение. Если данные обозначения сложные, то тут разобраться с ними могут только химики. Теперь надо сделать обратное включение. В этом случае диоды полупроводникового типа почти не будут проводить электрический ток. Тем не менее, есть вероятность обратного пробоя у элементов.

Электровакуумные диоды (например, радиолампы) совсем не обладают способностью проводить ток обратного типа. Условно принято считать, что ток через них не протекает. В связи с этим формально выводы анода и катода у диодов не отвечают за выполнение этих функций.

При катодной защите металлический анод электрически связан с защищаемой системой и частично разъедает или растворяет металл защищаемой системы. Этот металлический анод большей степени реагирует на коррозионную среду защищаемой системы. Корпус железного или стального судна может быть защищен цинковым анодом, который растворяется в морской воде и предотвращает коррозию корпуса.

Менее очевидным примером такого типа защиты является процесс цинкования железа. Такой процесс покрывает железные конструкции (такие как ограждение) покрытием из металлического цинка. Пока цинк остается неповрежденным, железо защищено от коррозии. С течением времени цинковое покрытие становится поврежденным, в результате потрескивания или физического повреждения.

Знание того, что такое анод и катод, является ключевым в электрохимии и помогает понять основные принципы работы простейших аккумуляторов и гальванических элементов.