Светодиод полярность обозначения: как определить плюс и минус

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.

устройство, полярность, обозначение на схеме, характеристики, маркировка

Светодиодные светильники успешно вытесняют с рынка лампы накаливания и люминесцентные. Причина – ряд характеристик, которые делают этот прибор более выгодным в использовании и более функциональным.

Содержание

1. Общая информация о светодиодах
2. Принцип работы
3. Сфера применения
4. Разновидности и устройство
5. Индикаторные устройства
6. Осветительные светодиоды
7. Основные характеристики
8. Вольтамперная характеристика
9. Прямой номинальный ток и падение напряжения
10. Максимальное обратное
11. Световой поток
12. Угол рассеивания
13. Длина волны и цветовая температура
14. Световая отдача
15. Как определить напряжение и полярность

Светодиод – это полупроводник, который генерирует видимое излучение при прохождении сквозь него электрического тока. В этом состоит его принципиальное отличие от любой другой лампы. В обычных вариантах светится от нагрева нить накала или газ, наполняющий трубку или корпус. Полупроводник не нагревается. Излучение является реакцией материала на прохождение тока, а не на нагрев какой-то части.

Светодиод дает почти монохромное излучение с определенной цветовой температурой. Полупроводники генерируют цветное излучение любого оттенка. В отличие от обычной лампочки, которая может изменить цвет только с помощью светофильтра, полупроводник именно излучает красный или синий свет.

Важное преимущество светодиода – возможность сформировать направленный световой поток. В обычных источниках света он рассеивается во все стороны и направление можно сформировать только за счет формы светильника и плафона. Полупроводник генерирует направленное излучение под углом от 15 до 180 угловых градусов. Уличный фонарь такого рода освещает именно дорогу под ногами прохожего, а не воздух на аллее.

В 1909 году Генри Раунд и Маркони Лебс впервые описали электролюминесценцию. В 1923 году советский инженер Лосев запатентовал устройство под названием «световое реле», где источником света служит полупроводниковый переход. Но только в 1961 году разработанный Ником Холоньяком инфракрасный светодиод получил промышленное применение. Источник белого света, который можно было использовать для освещения, был разработан только в начале 90-х и появился на рынке в 1993 году.

Принцип работы

Состоит конструкция из полупроводникового кристалла на подножке. Вокруг размещается корпус с контактными выводами и оптической системой из пластиковой линзы. Размеры устройства очень малы – 3*2 мм самый большой.

При пропускании электрического тока в прямом направлении, носители заряда – электроны и дырки – движутся навстречу. Они рекомбинируются на обедненном слое диода и благодаря переходу электронов на другой энергетический уровень излучают оптический свет.

Валера

Голос строительного гуру

Задать вопрос

Не все полупроводники одинаково хорошо генерирует свет при рекомбинации. Диоды из кремния, карбида кремния, германия практически не дают света. Прямозонные полупроводники, например, соединение галлия и арсения, кадмия и теллура, генерируют излучение куда более мощное. Варьируя состав полупроводника, добиваются излучения любой длины: от ультрафиолета до среднего инфракрасного диапазона.

Сфера применения

Используются светодиоды чрезвычайно широко. Полупроводники при испускании света не нагреваются. Эта особенность вместе с минимальными размерами делает полупроводники особенно удобными.

Сферы применения светодиода:

• уличное, промышленное и бытовое освещение – выпускаются светильники, лампы, прожекторы, светодиодные ленты для любых вариантов освещения;
• индикация – в виде одиночных вариантов или буквенно-цифрового табло – цифры на часах, например;
• уличные экраны и информационное табло – основой выступает массив светодиодов;
• автомобилестроение – светодиоды применяются и как подсветка, и как лампы тормозного освещения;
• светодиоды служат источником света в оптоволоконных линиях связи, где они модулируют изучение, чтобы сформировать сигнал;
• подсветка ЖК-экранов в мониторах, телевизорах, мобильных телефонах;
• применяются для изготовления светодиодных дорожных знаков;
• используются в играх, игрушках, USB-устройствах;
• изготовление фитоламп – светильников для теплиц, оптимизированных под фотосинтез в растениях.

По интенсивности излучения и расходу электроэнергии светодиодные светильники еще несколько уступают люминесцентным. Однако они намного безопаснее и дольше служат. Последняя особенность и делает их привлекательным даже при обустройстве уличного освещения.

Высокая световая отдача – 146 люмен на ватт

Высокая прочность и стойкость к вибрациям

Низкое потребление электричества

Длительный срок службы – 30-10 тысяч часов

Количество включений и выключений не влияет на срок службы

Разная цветовая температура

Высокая спектральная чистота

Отсутствие инерционности — сразу включается на полную яркость

Регулируемый угол излучения

Безопасность

Нечувствительность к низким температурам

Отсутствие фосфора, ртути, УФ облучения

Высокая цена

Ограниченная сфера применения

Чувствительность к высоким температурам

Разновидности и устройство

Все светодиоды разделяют на категории индикаторные и осветительные.

Индикаторные устройства

Назначение состоит в индикации процессов и состояния. Также используются для подсветки приборных палений, мониторов. Мощность их сравнительно невелика – до 0,02 Вт, яркость умеренная.

Классификация диодов связана с конструкцией.

• DIP – светоизлучающий маломощный кристалл заключен в корпус, обычно с выпуклой линзой. Форма корпуса цилиндрическая с диаметром от 3 мм и прямоугольная. Выпускаются модели, излучающие свет от инфракрасного до ультрафиолетового. Могут быть одно- и многоцветными, если требуется сложная индикация. Минус устройства – небольшой угол рассеяния, не более 60 градусов.
• Super Flex «Pirahna» – сверхъяркий полупроводник в прямоугольном корпусе с 4 выводами. Конструкция легко крепится на плату. Диод используют для подсветки автомобильных приборов, рекламных вывесок холодных огней. Выпускают красный, зеленый, синий и 3 белых светодиодов. Корпусов всего 2: на 3 и 5 мм с линзой и без нее. Угол рассеивания – от 40 до 120 градусов.
• Straw Hat – по виду напоминают двухвыводные цилиндрические модели, но меньшей высоты с линзой с большим радиусом. Полупроводник здесь расположен намного ближе к стенке линзы, что обеспечивает больший угол рассеивания – 100–140 градусов. Выпускают синие, красные, зеленые, желтые и белые светодиоды. Они чаще используются в декоративных целях, так как создают рассеянный, а не направленный свет. Обычная сфера применения – места, где требуется равномерная подсветка.
• SMD – вариант для поверхностного монтажа. Кристаллы помещаются в корпуса прямоугольные и квадратные, но плоские. Размеры указаны в маркировке – 0603, 0805, где цифры обозначают длину и ширину в сотых дюйма. Есть разновидности с выпуклой линзой и без нее. Светодиоды сверхъяркие, мощность до 0,1 Вт, как цветные, так и белые. SMD-модели получили широкое применение при монтаже подсветки.

Осветительные светодиоды

Лазерный светодиод

Такие полупроводники применяются для освещения: помещений, улиц, автомобилей. Они намного мощнее и выпускаются только в белом цвете разной температуры: белый холодный, белый теплый, дневной.

На самом деле белого излучения в природе не существует. Чтобы получить генератор белого света, комбинируют три базовых цвета – красный, синий, желтый.

• SMD LED – большинство осветительных светодиодов имеет такое исполнение. От индикаторных их отличает только большая мощность. Угол рассеивания – 100–130 градусов, поэтому для равномерного освещения нужно много LED.
• COB – по сути, аналог платы, в которую интегрировано большое количество кристаллов SMD – несколько десятков. Угол рассевания – 180 градусов, так что этот вариант подходит для формирования только рассеянного излучения.
• Filament LED – спектр излучения близок к лампе накаливания. Чаще используется для освещения жилых комнат и для создания декоративного освещения. КПД модели выше, чем у SMD.

SSMD LED COB Filament LED

Выпускают еще один необычный вариант – лазерный светодиод. Полупроводниковые кристаллы в них излучают узконаправленный поток света – в 5–10 градусов. Применяются в лазерных устройствах, наподобие строительного уровня, в линиях оптоволоконной связи, в целеуказателях.

Основные характеристики

При покупке светодиодов необходимо оценить его важнейшие параметры. К ним относится величина номинала тока, напряжения, вольтамперная характеристика и другие.

Вольтамперная характеристика

Светодиод на схеме функционирует, если ток пропускают в прямом направлении. Однако вольтамперная характеристика в этом направлении нелинейная. То есть, чтобы полупроводник начал проводить ток, последний должен достичь определенного порогового напряжения.

Эта характеристика определяется материалом прибора. ВАХ позволяет только подобрать токоограничительный резистор и в точности рассчитать, какое напряжение нужно приложить к кристаллу.

Прямой номинальный ток и падение напряжения

Прямой номинальный ток – это рабочий ток, при котором светодиод не перегорит, p-n-переход не будет пробит, а прибор будет нормально работать.

Указывают в паспорте и пиковый ток – максимальный, который прибор может проводить только импульсами.

Номинальный ток светодиода вызывает падение напряжения на p-n-переходе. Величина зависит от состава полупроводника, длины волны. Так, оранжевый светодиод излучает при подаче напряжения от 2,03 до 2,1 вольт, а белый – при 3,5 вольт.

Максимальное обратное

Вольтаж, при котором происходит пробой кристалла. В среднем обратный максимум составляет 5 В. Для COB величина больше, а для инфракрасных индикаторов всего 1–2 В.

Световой поток

Сила света или интенсивность в заданном направлении источника. Чем меньше угол рассеивания, тем больше сила света при одинаковом световом потоке.

Показатели измеряются при температуре +25°С. Выражается обычно в люменах.

Угол рассеивания

Параметр изменяется от 15 до 180 градусов, а в отдельных моделях составляет даже 5 градусов. Чем шире угол излучения, тем более рассеянный свет генерирует прибор. Но обычно светодиод оснащают фокусирующей линзой, поэтому яркость света неодинаковая по углу рассеяния.

Длина волны и цветовая температура

Показатель указывает на характер излучения. Длина волны инфракрасного излучения составляет более 760 нм, видимого желтого – от 560 до 590 нм, ультрафиолетового – менее 400 нм.

Цветовая температура обычно указывается в белых светодиодах. Она точно определяет оттенков белого, например, холодный белый имеет температуру в 6000 К, дневной – 4500 К.

Световая отдача

Характеристика осветительных светодиодов, которая определяет, сколько люменов генерирует светильник при определенной мощности – в 1 Вт. В среднем для светодиодов это составляет 100 Лм/Вт. Появились модели, в которых этот показатель выше, чем у люминесцентных и достигает 150 и более Лм/Вт.

Как определить напряжение и полярность

Светодиод пропускает ток только в одном направлении. Поэтому важно подключить устройство в схему правильно. Для этого нужно определить, который из выводов корпуса является катодом, а который анодом.

• Визуально – традиционно ножка катода короткая, а анода длинная. Катод имеет знак «минус», анод – «плюс». Можно найти катод и по-другому. Внимательно посмотрев через корпус, можно увидеть кристаллик на подставке. Вывод подставки и будет катодом.
• Подключение к источнику питания – выбирают устройство, напряжение которого не выше допустимого для светодиода напряжения. Обычно это батарейка или резистор. При правильном положении светодиод светится ярче.
• Использование мультиметра – выставляют шкалу на приборе в режим измерения сопротивления и прикасаются щупами к выводам светодиода. Контакт очень короткий. При обратном подключении мультиметр ничего не показывает, при правильном – замеряет сопротивление в районе 1,7 кОм.

Напряжение светодиода измерять не нужно. Это справочный параметр, он указывается в паспорте. Но если документ утерян, можно оценить напряжение с опрометью мультиметра. Для этого прибор настраивают на режим «проверка на обрыв» и поочередно щупами касаются выводов.

Ориентация компонентов и полярность | Sierra Circuits

При размещении компонентов на печатной плате важна их правильная ориентация и полярность. При неправильном размещении это нарушит функциональность, может привести к сбоям компонентов или даже вывести плату из строя. Следовательно, очень важно определить полярность — положительный (анод) и отрицательный (катод) контакты — компонента перед его установкой на печатную плату. В этой статье мы будем использовать термины «ориентация» и «полярность» как синонимы.

Маркировка полярности для различных компонентов SMD

Что означает полярность компонента?

Для поляризованных компонентов полярность описывает положительные и отрицательные контакты, чтобы их можно было установить в правильном направлении. Печатные платы поставляются с маркировкой шелкографией, которая четко указывает направление монтажа компонентов.

Что такое положительная и отрицательная полярность?

Когда ток течет между двумя точками или полюсами, на одном из полюсов накапливается больше электронов, чем на другом. Полюс с большим количеством электронов называется отрицательной полярностью. Полюс с меньшим количеством электронов называется положительной полярностью. Электроны текут от отрицательного полюса к положительному полюсу, когда провод соединяет две точки или полюса. Этот поток электронов называется электрическим током.

Что означает полярность электрического компонента?

Компонент может быть поляризованным или неполяризованным. Неполяризованный компонент может быть подключен в любом направлении и при этом может функционировать так, как задумано. С другой стороны, поляризованный компонент может быть подключен только в определенном направлении для правильного функционирования.

Поляризованные компоненты	Неполяризованные компоненты
Диод	Резистор
Светодиод	Изолированный блок резисторов
Танталовый конденсатор	Монолитно-керамический конденсатор
Электролитический конденсатор	Катушка индуктивности
Гнездо DIP и PLCC	Кварцевый генератор/резонаторы (2-контактная версия)
Интегральная схема (ИС)
Транзистор
Кварцевый генератор/резонаторы (многоштыревая версия)

Правила определения полярности и ориентации компонентов

• Для светодиодов и конденсаторов более короткий контакт обычно является катодом (отрицательным)
• Большинство конденсаторов имеют маркировку полярности
• Всегда обращайтесь к техническому описанию компонента

Указания по размещению поляризованных компонентов

Каждый компонент имеет маркировку полярности. Здесь мы упомянули способы идентификации этих маркировок.

Резисторы: Поскольку резисторы неполяризованы, их можно подключать в любом направлении. При размещении резисторов согласуйте их номиналы со списком компонентов. Проверьте цветовой код резистора и при необходимости используйте мультиметр.

Резистор с цветовым кодом

Конденсаторы: Электролитические конденсаторы имеют белую полосу со стрелкой, указывающей отрицательную сторону. Монолитные и керамические конденсаторы неполяризованы, а танталовые конденсаторы имеют положительную маркировку с одной стороны.

Маркировка полярности на электролитических и танталовых конденсаторах

Примечание: Убедитесь, что отрицательный вывод конденсатора находится в заполненной области шелкографии конденсатора на плате.

Положительные и отрицательные стороны конденсатора

Транзисторы: Следуйте трафаретной печати, которая представляет собой вид транзистора сверху.

Диоды: В диодах ток течет от анода к катоду. Они приходят с баром, нарисованным вокруг них. Он представляет собой катодный свинец. Стабилитроны могут быть подключены обоими способами в зависимости от конструктивных требований.

Полярность диода

Светодиоды: Удлиненный контакт светодиода указывает на анодную (положительную) клемму.

Проверка полярности светодиода

Микросхема: ИС поставляются в DIP-корпусах с несколькими рядами контактов и выемкой или вытравленной точкой. Надрез указывает, какой из нескольких рядов контактов будет подключен первым. Убедитесь, что выемка на чипе совмещена с отметкой выемки, указанной на схеме шелкографии. После идентификации маркировки контакта 1 другие контакты могут быть пронумерованы против часовой стрелки вокруг чипа.

Проверка полярности для IC

Батарейки: Батарейки поставляются с положительной и отрицательной маркировкой. Загнутая сторона металла указывает на положительную клемму.

Источники питания: Они поставляются со стандартными разъемами, которые указывают полярность. Для защиты от обратной полярности питания используются диоды или МОП-транзисторы.

как определить где плюс а где минус (схема распиновки)

1. Как узнать мультиметром

2. Распиновка светодиода по средствам блока питания

3. От батареи

4. По внешнему виду

5. По технической документации

6. Полярность светодиода SMD

Как и для любого полупроводникового прибора с односторонней проводимостью, для светодиода важно правильное значение постоянного тока схема подключения. Для нормальной работы анод и катод светодиода должны быть подключены к соответствующим полюсам источника напряжения согласно принципиальной схеме. Существует несколько способов определения назначения контактов светоизлучающего элемента.

Определение мультиметром

Как и любой диод на p-n переходе, светодиод можно проверить мультиметром по его свойству проводить ток только в одном направлении. Современные цифровые тестеры имеют специальный режим проверки диодов, в котором измеряемое напряжение является оптимальным для этой процедуры.

Чтобы определить положение выводов светодиода, нужно произвольно соединить его ножки со щупами мультиметра и определить результат по дисплею.

Неверная полярность подключения светодиода к тестеру.

При неправильном подключении элемента измерение приведет к перегрузке значения сопротивления (OL — перегрузка). Необходимо поменять местами выводы мультиметра.

Правильная полярность подключения светодиода к тестеру.

Если светодиод исправен и подключен правильно, будет указано некоторое сопротивление (точное значение зависит от типа излучающего элемента). В этом случае анодом будет вывод, подключенный к плюсу мультиметра (красный провод), а катодом к минусу (черный провод).

Некоторые тестеры в режиме проверки диодов выдают достаточное напряжение, чтобы зажечь светоизлучающий элемент. В этом случае правильность подключения можно проверить по свечению.

Свечение светодиода АЛ307 при проверке тестером.

Если в обоих вариантах подключения на дисплее будет отображаться перегрузка, это может означать:

• неисправность светодиода;
• напряжения измерения недостаточно для открытия p-n перехода (тестер предназначен для «проверки» кремниевых диодов, а большинство светоизлучающих элементов выполнены на основе арсенида галлия).

В первом случае полупроводниковое устройство может быть переработано. Во втором — попробовать другой способ.

Читайте также

Проверка светодиода на работоспособность

 

Схема светодиода при включении питания падение и номинальный ток). Для этого теста лучше использовать блок питания с настройкой ограничения тока или хотя бы с его индикацией для контроля. В противном случае можно вывести чувствительный полупроводниковый прибор из строя.

Неверная полярность подключения светодиода к источнику напряжения — нет свечения.

При наличии регулируемого источника следует подключать светодиод произвольно к его выходу и напряжению питания, постепенно повышая его от нуля. Оно не должно быть выше 2-3 В, чтобы элемент не перегорел. Если он не загорается, следует снять напряжение и переключить выходы в обратном порядке.

Правильная полярность подключения светодиода к источнику напряжения — светодиод горит.

Постепенно повышая напряжение, можно визуально определить момент зажигания светодиода. В этом случае плюс источника подключается к аноду, а минус к аноду излучающего элемента.

Если нет регулируемого источника, можно попробовать использовать нерегулируемый источник питания с заведомо большим напряжением, чем напряжение питания светодиода. В этом случае проверяйте только через резистор 1-3 кОм, включенный последовательно с полупроводниковым прибором.

Если в обоих случаях светодиод не загорается, можно попробовать проверить с повышенным напряжением. Если элемент неисправен, то никакого вреда он не принесет, а если он рассчитан на повышенное напряжение, то будет шанс узнать правильное назначение выводов.

Рекомендовано: Как узнать, сколько вольт у светодиода

С помощью батарейки

Если нет источника питания, можно попытаться определить расположение контактов от гальванического элемента, но следует иметь в виду особенности такого теста:

• напряжение батареи может быть недостаточным для открытия p-n перехода.
• бытовые гальванические элементы имеют малую мощность, и выходной ток нагрузки мал — он зависит от начальной мощности аккумулятора и от остаточного заряда.

В таблице приведены параметры некоторых отечественных светодиодов. Очевидно, что обычные полувольтовые химические источники тока не смогут зажечь ни одно из перечисленных устройств.

Тип устройства	Direct voltage drop, V	Operating current, mA
AL102A	2,8	5
AL307A	2	10
AL307B	2,8	20

Для увеличения напряжения можно последовательно соединить батареи. Для увеличения мощности — параллельно (только для ячеек одного напряжения!). В результате может получиться громоздкая конструкция, не гарантирующая конечного результата. Поэтому лучше использовать этот метод в тех случаях, когда другого выхода нет.

По внешнему виду

Иногда можно определить полярность по внешнему виду. Некоторые виды светодиодов имеют на корпусе ключ — выпуклость или метку. Чтобы определить, какой штырь помечен ключом, лучше всего обратиться к справочным материалам.

Ключ на катоде светодиода АЛ102.

Назначение выводов светодиода АЛ307.

У бескаркасных светодиодов производства СССР распиновку можно узнать, посмотрев на внутреннюю структуру устройства через слой компаунда. Катодный вывод имеет большую площадь и выполнен в виде флажка . Этот принцип мог бы стать стандартом, но в настоящее время производители строго его не соблюдают, поэтому этот метод ненадежен, особенно для элементов неизвестного производителя. Поэтому использовать это определение отведений можно только для предварительной ориентировки.

Узнать назначение выводов отечественных светодиодов можно по длине ножек — вывод анода сделан короче. Но это справедливо только для неиспользуемых элементов — при установке на место выводы можно обрезать произвольно.

Для наглядности рекомендуем посмотреть видео.

Использование даташита

Другие способы определения выходов можно найти в технической документации на элементы — в справочниках или интернет-источниках. Как минимум нужно знать тип светодиода или его производителя. В документации может быть информация о габаритах и ​​цоколевке устройства.

Но даже если этой информации нет в спецификации, усилия не пропадут даром. Документация может быть источником информации о пределах возможностей электронного устройства. Эти знания помогут выбрать правильный режим работы, а также не допустить выхода из строя светодиода при проверке разводки выводов.