Kurs elektroniki – #6 – diody krzemowe oraz świecące (LED)

Kurs elektroniki – #6 – diody krzemowe oraz świecące (LED)

Pora na przejście do kolejnych elementów. W tej części nasszego kursu elektroniki zajmiemy się podstawowymi półprzewodnikami, czyli diodami (prostowniczymi oraz świecącymi).

Artykuł omawia najważniejsze informacje takie jak budowa, podział i zastosowania diod.

Diody prostownicze oraz świecące

Jako początkujący najczęściej będziesz spotykał się z dwoma rodzajami diod - prostowniczymi oraz świecącymi. Już teraz powinieneś wyczuć między nimi różnice... jedne coś prostują, a drugie świecą. Zdecydowanie chętniej i częściej używać będziesz tych drugich. Pojawią się one w 99,99% Twoich elektronicznych projektów.

Typ diody (prostownicza/świecąca) można bardzo łatwo rozpoznać po wyglądzie danego elementu. Diody prostownicze, to walce o różnych rozmiarach, przez które osiowo przechodzi drut. Natomiast elementy świecące wyróżnia soczewka (przezroczysta lub kolorowa) oraz wyprowadzenia, które znajdują się tylko po jednej stronie. W najczęściej spotykanych diodach górny, kolorowy element ma średnicę 5 mm  lub 3 mm.

Przykładowe diody przedstawione zostały na poniższym zdjęciu:

1

Po lewej znajdują się diody krzemowe w różnych obudowach, po prawej diody świecące.

Czy już teraz potrafisz wybrać odpowiednie części z zestawu elementów bez czytania opisów, które są na etykietach? Wyciągnij je i przejdź dalej, czyli do praktyki!

Zestaw elementów do kursu

Gwarancja pomocy na forum Błyskawiczna wysyłka

Zestaw ponad 90 elementów do przeprowadzenia wszystkich ćwiczeń z kursu dostępny jest u naszych dystrybutorów już od 47zł!

Kup w Botland.com.pl

Diody krzemowe (prostownicze)

Diody krzemowe (prostownicze) wzięły swoją nazwę od materiału półprzewodnika, jakim jest krzem. W diodach świecących role półprzewodnika spełniają inne substancje (o czym później).

Diody mają jedno, główne zadanie: przepuszczać prąd w jedną stronę, a w drugą już nie, o czym przekonasz się dalej. Na razie, omówmy podstawowe określenia oraz symbol diody. Zwróć uwagę, że wyprowadzenia diod nie są takie same! Tak jak w przypadku niektórych kondensatorów bardzo ważny jest sposób podłączenia elementu.

diody

Symbol diody oraz przykładowa obudowa. (Na podstawie materiałów z Wikipedii)

Z samego symbolu diody można wywnioskować jej zasadę działania: prąd płynie od anody do katody, czyli w kierunku wskazywanym przez „strzałkę”. Prąd, przepływając przez diodę, traci część swojej energii, co skutkuje zmniejszeniem napięcia. Prościej mówiąc, jeżeli dioda przewodzi to występuje na niej spadek napięcia (przykładowo 0,7V).

W praktyce objawia się to tym, że gdy podłączysz diodę szeregowe ze źródłem zasilania, to "za diodą" będzie niższe napięcie. Jest to cecha diod (elementów półprzewodnikowych), o której należy pamiętać.

Dioda może się znaleźć w dwóch stanach:

  • przewodzenia (próbujemy wymusić przepływ prądu od anody w kierunku katody i dioda „zgadza się na to”, czyli przewodzi)
  • zaporowym (kiedy prąd „próbuje” płynąć od katody do anody, ale  dioda na to nie zezwala i prąd nie płynie)

Wykonajmy teraz dwa doświadczenia, które pozwolą na sprawdzenie, czy dioda faktycznie przewodzi tylko w jednym kierunku. Może uda nam się ją oszukać?

Potrzebować będziesz:

  • płytki stykowej
  • baterii 9V z przewodami
  • diody typu 1N4148
  • rezystora o oporności 1kΩ
  • multimetru ustawionego jako miliamperomierz

Oczywiście komplet niezbędnych elementów znajduje się w zestawie. Diod prostowniczych w sklepach znaleźć można bardzo dużo, praktycznie ogrom... Różnią się wieloma parametrami (część z nich została opisana w dalszej części tego kursu). Diody, które zostały dodane do tego kursu do bardzo popularne, małe 1N4148, z którymi spotkał się praktycznie każdy elektroniki.

Poniższe zdjęcia przedstawiają zbudowany układ na płytce stykowej oraz testy w dwóch pozycjach diody. Jak możesz zauważyć zdjęcia różnią się od schematu podłączeniem amperomierza. W praktyce został on wstawiony pomiędzy rezystor, a diodę. Czy to jakaś różnica?

Mam nadzieję, że z pierwszych części kursu zapamiętałeś, że prąd mierzymy szeregowo, czyli nie ma różnicy, w którym miejscu "oczka" go sprawdzimy.

W pierwszej próbie, dioda została wprawiona w stan przewodzenia. Napięcie na jej anodzie było wyższe niż na katodzie, więc otworzyła się i umożliwiła przepływ prądu o wartości ok. 9mA.

W drugiej próbie, dioda została włożona odwrotnie (napięcie na katodzie było wyższe niż na anodzie), przez co dioda weszła w stan zaporowy i przestała przewodzić prąd – zerowe wskazanie miliamperomierza.

Najważniejsze parametry diod

Pora na omówienie podstawowych parametrów diod. W rzeczywistości cechują się one znacznie większą ilością parametrów. Tutaj zostanie skrótowo omówionych kilka najważniejszych.

Maksymalne napięcie wsteczne. Napięcie, jakie można przyłożyć między zaciski diody przy polaryzacji zaporowej bez ryzyka jej uszkodzenia. Większe napięcie może spowodować przebicie diody i nawet jej zniszczenie.

Maksymalny prąd przewodzenia. Największa wartość prądu, jaka może płynąć przez diodę. Przekroczenie tej wartości grozi zniszczeniem diody.

Napięcie przewodzenia. Napięcie, jakie będzie między zaciskami diody wtedy, gdy płynie przez nią prąd. Wartość tego napięcia jest zależna od natężenia płynącego prądu. Typowo przyjmuje się, że przewodząca dioda krzemowa odkłada na sobie napięcie około 0,7V.

Jednak jak zostanie pokazane dalej, nie do końca jest to prawdą. Przy przepływie dużych prądów, napięcie to może wynosić 1-1,2V. Poniżej fragment noty katalogowej diody 1N4148 (prod. NXP), który przedstawia wykres zależności między napięciem przewodzenia, a prądem przewodzenia.

Charakterystyka prądowo-napięciowa diody.

Charakterystyka prądowo-napięciowa diody.

Wykres ten należy odczytywać następująco: chcąc "przepuścić" przez diodę prąd ok. 100mA, w temperaturze ok. 25°C, odłoży się na niej napięcie ok. 0,9V.

Multimetry umożliwiają pomiar napięcia przewodzenia diod - należy przełączyć je na pozycję oznaczona symbolem diody, na tej samej pozycji najczęściej dostępny jest również brzęczyk do testowania ciągłości obwodu.

Niestety, pomiar ten można traktować jedynie orientacyjnie, na zasadzie: dioda przewodzi lub nie, ponieważ jest on wykonywany przy nieznanym prądzie przewodzenia, do tego nieregulowanym. Poniżej znajduje się zdjęcie multimetru w czasie takiego pomiaru – zmierzono 420mV, co jest wartością znacząco mniejszą od umownej granicy 0,7V.

Pomiar napięcia przewodzenia diody multimetrem.

Pomiar napięcia przewodzenia diody multimetrem.

Wbrew pozorom, znajomość tego parametru jest istotna, ponieważ diod można używać, między innymi, do zabezpieczania układów przed zniszczeniem w razie odwrotnego podłączenia zasilania (zamiany plusa i minusa).

Dioda jako zabezpieczenie

Wlutowanie diody szeregowo z zasilaniem pozwala rozwiązać ten problem (odwrotnego zasilania), ponieważ, przy próbie zamiany biegunów baterii, wejdzie ona w stan zaporowy i nie przepuści prądu. Niestety, podczas przewodzenia będzie się na niej odkładało pewne napięcie. Ten spadek należy uwzględnić dobierając zasilanie do układu.

diodaZasilanie

Charakterystyki rysowane w notach katalogowych należy traktować orientacyjnie, ponieważ poszczególne egzemplarze diod mogą się od siebie różnić.

Oprócz diod krzemowych, dostępne są także tzw. diody Schottky’ego. Są one przeważnie produkowane na napięcia niższe niż diody krzemowe (typowo od 20V do 100V), ale charakteryzują się mniejszym spadkiem napięcia w kierunku przewodzenia. Tymi elementami nie zajmujemy się szerzej w naszym kursie podstaw elektroniki.

Maksymalna moc strat. Dioda, kiedy przewodzi, nagrzewa się. To nagrzewanie może być niezauważalne przy małych prądach, ale przy dużych (rzędu 200mA i więcej) powinno być wyczuwalne po dotknięciu obudowy palcem. Dzieje się tak, ponieważ na diodzie odkłada się pewne napięcie i płynie przez nią prąd, zatem wydziela się moc.

P = U * I

Nie można dopuścić do tego, aby wartość tego iloczynu przekroczyła parametr podany w nocie katalogowej, ponieważ struktura przegrzeje się i spali. Dla wspomnianej 1N4148, wynosi ona 0,5W.

Zadanie domowe 6.1

Połącz wszystkie diody 1N4148 z zestawu (5szt.) szeregowo. Następnie podłącz je do jednego bieguna baterii. Sprawdź jakie napięcie zmierzysz bezpośrednio na baterii, a jakie z diodami. Spostrzeżeniami podziel się w komentarzach! Schemat poglądowy poniżej. Pierwszy pomiar zaznaczony został na niebiesko, natomiast drugi na żółto.

Schemat do zadania domowego 6.1. Łączenie szeregowe diod.

Schemat do zadania domowego 6.1. Łączenie szeregowe diod.

Na tym zakończymy omawianie diod krzemowych. Nie zajęliśmy się tutaj ich właściwością "prostowania" prądu (stąd druga nazwa: diody prostownicze), ponieważ kurs nie omawia zagadnień prądu zmiennego, czyli takiego, w którym "plus" i "minus" (w dużym uproszczeniu) bardzo szybko zamienia się miejscami.

Jednak w ramach zadania domowego możesz zastanowić się, co stanie się z prądem zmiennym, który po drodze napotyka diodę krzemową, która przepuszcza prąd tylko w jednym kierunku.

Diody świecące - LEDy

Diody świecące (polska nazwa: diody elektroluminescencyjne) są zwane popularnie LED, czyli Light-Emitting Diode. Ten skrót zawiera w sobie słowo „dioda”, więc sformułowanie „dioda LED” jest nieprawidłowe - jednak bardzo często używane...

podlaczenie_led

Dotychczas zajmowaliśmy się diodami, których podstawowym zadaniem jest przewodzenie prądu w tylko jedną stronę. Tymczasem, istnieje równie liczna (jeśli nie liczniejsza) grupa diod, które dodatkowo świecą. Zawierają one w swojej strukturze mały kryształek substancji, która świeci po przyłożeniu do niej napięcia.

Jednocześnie, substancja ta zachowuje się jak półprzewodnik, czyli jest w stanie zablokować prąd, który chciałby płynąć w nieodpowiednim kierunku. Jest to widoczne nawet w schematycznym symbolu diod świecących. Poniższa grafika przedstawia najważniejsze informacje dotyczące LED:

diodyled

Grafika zawiera również praktyczne informacje na temat rozróżniania katody oraz anody w takich elementach. Należy jednak zapamiętać, że długość nóżek oraz ścięcie na obudowie sprawdzą się w 99% przypadków. Zdarzają się jednak producenci, którzy stosują inne/odwrotne oznaczenia.

Jedyną metodą, która pozwala na rozróżnienie anod oraz katody ze 100% skutecznością* to sprawdzenie wielkości płytki wewnątrz struktury diody. Katoda zawsze będzie większa - wynika to z technologii produkcji oraz zasady działania LED.

*Aktualizacja. Jak podają nasi czytelnicy rozróżnianie polaryzacji diody na postawie wielkości płytek znajdujących się wewnątrz struktury może być również mylące. Szczególnie w przypadku diod z demontażu! Więcej informacji na ten temat znajduje się w komentarzach. W takim razie jedynym skutecznym (na 100%) sposobem rozróżniania polaryzacji jest miernik cyfrowy lub podłączenie diody do źródła zasilania (przez rezystor).

Czy diody świecące muszą mieć kolorową soczewkę/obudowę? Otóż nie - za kolor świecenia odpowiada materiał, z którego zrobiono diodę. Przykładowo często będziesz spotykał kolorowe diody w przezroczystych obudowach. Dotyczy to szczególnie tak zwanych diod jasnych. Czyli taki, które dają bardzo mocne światło.

Parametry diod świecących

Diody świecące charakteryzują się podobnymi parametrami, co diody prostownicze, ale na inne zwraca się największą uwagę (chociażby barwę, jasność, kąt świecenia). Najistotniejszy jest jednak prąd przewodzenia. Dla diod takich, jak dołączone do zestawu, maksymalny prąd przewodzenia wynosi 20mA.

Napięcie przewodzenia zależy od koloru świecenia diody. Każdy kolor uzyskuje się z innej substancji, która cechuje się innymi właściwościami elektrycznymi. Dla koloru czerwonego, żółtego i zielonego można przyjmować napięcie ok. 2V, dla białych i niebieskich ok. 3,5V.

Dobieranie rezystora dla diody świecącej

Ponieważ diodom trzeba ograniczać prąd, najprostszym rozwiązaniem jest wstawienie w szereg rezystora. Zgodnie z napięciowym prawem Kirchhoffa, część napięcia odłoży się na diodzie, a pozostała część na rezystorze.

Ponadto, znając (zgrubnie) napięcie, jakie „weźmie na siebie” rezystor można, zgodnie z prawem Ohma, obliczyć prąd przez niego płynący. Ponieważ elementy te są połączone szeregowo, ten sam prąd popłynie przez diodę.

Wzór pozwalający obliczyć rezystancję rezystora do zasilania diody LED wygląda następująco:

R_dioda

  • Uzas – napięcie zasilania obwodu z diodą; w mikrokontrolerach zasilanych z 5V należy przyjmować właśnie 5V, w przypadku naszych testów 9V,
  • Udiody – napięcie przewodzenia diody, 2V lub 3,5V (omówione wcześniej),
  • Idiody – założony prąd płynący przez diodę.

LED1Jaki prąd powinien płynąć przez diodę? Na pewno mniejszy od maksymalnego, czyli 20mA. Produkowane dzisiaj diody świecą wystarczająco jasno, jeśli płynie przez nie prąd 10mA. W układach zasilanych z baterii, gdzie zależy nam na niskim zużyciu energii, można przyjąć 5mA.

Typowo, dla napięcia zasilania 5V i napięcia przewodzenia 2V, stosuje się rezystory 330Ω. Powoduje to, że przez diodę płynie ok. 9mA.

diodyled

Możesz spróbować zasilić diodę z napięcia innego niż 5V – dla przykładu, zestaw zawiera baterię o napięciu 9V. Chcąc zasilić diodę czerwoną, która potrzebuje ok. 2V, na rezystorze odłoży się napięcie 7V. Używając rezystora 1kΩ, przez diodę popłynie prąd ok. 7mA – czyli bardzo dobry.

Poniżej znajduje się układ, zmontowany na płytce stykowej według tego opisu:

Zasilanie diody napięciem 9V z baterii.

Zasilanie diody napięciem 9V z baterii.

A gdyby zmniejszyć prąd płynący przez diodę? Sprawdź to, włączając w szereg z tym rezystorem drugi, na przykład o tej samej wartości. Jaka będzie wtedy, w przybliżeniu, wartość tego prądu?

Dla testu możesz również podłączyć diodę, po kolei, przez rezystory o różnym oporze, dla przypomnienia w zestawie znajdziesz: 100 Ω, 330Ω, 1 kΩ, 10 kΩ.

Na koniec, ważna uwaga praktyczna:

Chcąc zasilać kilka diod z jednego źródła, są dwa poprawne rozwiązania:

  • każdej diodzie zapewnić własny rezystor, obliczony według wskazówek dobranych wcześniej, po czym takie szeregi (dioda + rezystor) dołączyć do zasilania,
  • połączyć po kilka diod w szereg (anoda z katodą) i rezystor dobrać do takiego szeregu. Wtedy napięcie Udiody we wzorze należy przyjąć tyle razy większe, ile jest diod. Napięcie zasilające Uzas musi być, co najmniej, kilka woltów wyższe niż założone Udiody.

Zadanie domowe 6.2

Połącz szeregowo dwie diody - dobierz najlepszy rezystor z zestawu. Powtórz zadanie kolejno dla czterech, pięciu oraz sześciu LEDów. Czy za każdym razem byłeś w stanie osiągnąć odpowiednią jasność?

Zadanie domowe 6.3

Zbuduj na płytce stykowej obwód, który połączy z baterią równolegle dwie diody (przez osobne rezystory). Zmierz prąd płynący w całym układzie. Następnie zasil dwie diody przez jeden rezystor (połączenie szeregowe). Ponownie zmierz prąd płynący w całym układzie. Jakie wartości zanotowałeś? Wnioskami podziel się w komentarzach!

Zadanie domowe 6.4

Porównaj jasność diod o różnych kolorach. Która dioda świecić najlepiej przy małym prądzie, a która najgorzej? Eksperyment warto powtórzyć w jasnym oraz ciemnym otoczeniu.

Podsumowanie

To była garść praktycznych wskazówek dotyczących diod. Poznałeś ich podstawowe parametry oraz zastosowania praktyczne. W rzeczywistości, o diodach można napisać grubą książkę i nadal nie wyczerpie ona tematu, artykuł potraktuj jako wprowadzenie w zagadnienie.

Najważniejsze, że po tej lekcji będziesz umiał dobrać odpowiednie rezystory do zasilania diod świecących. Poznane części będziesz spotykał bardzo często. LEDy są najpopularniejszym elementem pozwalającym na sygnalizacje tego, co dzieje się w układzie. Pamiętaj, aby rozwiązać wszystkie zadania domowe, swoimi odpowiedziami pochwal się w komentarzach!

diodyLED

W następnym odcinku – tranzystory, czyli najważniejsze elementy! Szykuj się na połączenie kondensatorów, rezystorów i diod w jednym układzie! Jeśli czujesz się na siłach, możesz powoli zacząć czytać również nasz kurs programowania Arduino, które niewątpliwe będzie kolejnym krokiem w Twojej elektronicznej edukacji!

Nie zapomnij również, że elektronikę trzeba sprawdzać w praktyce. Nie oszczędzaj czasu na eksperymenty. Wszystkie testy przeprowadzisz dzięki garstce tanich elementów. Gwarantuję Ci, że kilkanaście minut poświęcone na testy praktyczne zaowocuje lepszym poznaniem tematu!

Nawigacja kursu

Autor: Michał Kurzela
Edycja: Damian (Treker) Szymański

P.S. Nie chcesz przeoczyć kolejnych części naszego darmowego kursu podstaw elektroniki? Skorzystaj z poniższego formularza i zapisz się na powiadomienia o nowych publikacjach!

diody, krzemowe, kursElektroniki, półprzewodniki, świecące, zaporowe

Komentarze

Dodaj komentarz