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

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

Pora, aby poznać w praktyce diody, które znaleźć można dosłownie wszędzie. W tej części naszego kursu podstaw elektroniki sprawdzimy w praktyce działanie diod prostowniczych oraz świecących.

Artykuł omawia najważniejsze informacje takie jak budowa, podział, zastosowanie diod oraz dobór rezystorów do LEDów.

Podział diod: prostownicze oraz świecące

Jako początkujący najczęściej będziesz spotykał się z dwoma rodzajami diod - prostowniczymi oraz świecącymi (LED). Już teraz powinieneś wyczuć między nimi różnice... jedne coś prostują, a drugie świecą. Zdecydowanie chętniej i częściej używać będziesz tych drugich. Pojawią się one dosłownie w 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 elementu. W najczęściej spotykanych diodach, górny, kolorowy element ma średnicę 5 mm lub 3 mm.

Przykładowe diody przedstawione zostały na poniższym zdjęciu. Po lewej znajdują się diody krzemowe, a po prawej diody świecące (LEDy).

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

Czym są 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.

Na razie, skupmy się na poznaniu podstawowych określeń oraz symbolu diody. Koniecznie zwróć uwagę, że wyprowadzenia diod nie są takie same!

Symbol diody oraz przykładowe obudowy

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 niewielki spadek napięcia (np. 0,7V), który za chwilę postaramy się zmierzyć.

Dioda może się znaleźć w dwóch stanach: przewodzenia (gdy próbujemy wymusić przepływ prądu od anody w kierunku katody i dioda "zgadza się na to", czyli przewodzi) oraz zaporowym (gdy prąd próbuje płynąć od katody do anody, ale dioda na to "nie zezwala" i prąd nie płynie).

Jak zapamiętać czym jest katoda i anoda?

Postaraj się zapamiętać, że katoda to "nóżka", do której należy podłączać masę, czyli minus. Można to skojarzyć w prosty sposób: w słowie katoda, znajduje się literka t, która u góry ma minus. Nie każdy lubi takie skojarzenia, jednak dla wielu są one najskuteczniejszą metodą nauki!

Dioda prostownicza w praktyce

Wykonajmy teraz dwa doświadczenia, które pozwolą na sprawdzenie czy dioda faktycznie przewodzi tylko w jednym kierunku. Potrzebne elementy:

  • płytka stykowa,
  • bateria 9V z przewodami,
  • diody typu 1N4148,
  • rezystor 1kΩ,
  • multimetr.
Zestaw elementów do kursu

 999+ pozytywnych opinii  Gwarancja pomocy  Wysyłka w 24h

Chcesz zrozumieć elektronikę? Zamów zestaw elementów do wykonania wszystkich ćwiczeń z kursu i przejdź do praktyki!

Zamów w Botland.com.pl »

Taniej w pakiecie: Mistrz ElektronikiMistrz Majsterkowania

Diod prostowniczych w sklepach znaleźć można bardzo dużo (praktycznie ogrom), różnią się wieloma parametrami. Diody, które zostały dodane do zestawów to popularne 1N4148, z którymi spotkał się praktycznie każdy elektronik.

Sprawdźmy w praktyce dwa warianty podłączenia diody:

Złożone układy w praktyce mogą wyglądać następująco:

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. 8,9mA. W drugiej próbie, dioda została wsadzona odwrotnie (napięcie na katodzie było wyższe niż na anodzie), przez co dioda weszła w stan zaporowy i przestała przewodzić prąd – zerowe wskazanie miliamperomierza.

Warto również przy okazji, zmierzyć jak napięcie zmienia się w układzie, do którego podłączona jest dioda w kierunku przewodzenia. Po lewej pomiar napięcia z baterii ("przed diodą"), a po prawej pomiar "za diodą". Jak widać, za diodą napięcie jest mniejsze (zgodnie z wcześniejszymi informacjami):

Najważniejsze parametry diod

Pora na omówienie podstawowych parametrów. W rzeczywistości diody cechują się znacznie większą liczbą parametrów. Tutaj skrótowo omówiono tylko 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, a nawet jej zniszczenie.

  • Maksymalny prąd przewodzenia. Największa wartość prądu, jaki może płynąć przez diodę. Przekroczenie tej wartości grozi jej zniszczeniem.
  • Maksymalna moc strat. Dioda, kiedy przewodzi, nagrzewa się. To nagrzewanie może być niezauważalne przy małych prądach, ale przy dużych (rzędu 200 mA 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. 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.
  • Napięcie przewodzenia. Napięcie, jakie będzie między zaciskami diody wtedy, gdy płynie przez nią prąd. Wartość tego napięcia jest zależna od natężenia płynącego prądu.

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

Charakterystyka prądowo-napięciowa diody.

Charakterystyka prądowo-napięciowa diody

Jak widać na powyższym wykresie, chcąc przepuścić przez diodę prąd 100mA, w temperaturze ok. 25°C, odłoży się na niej napięcie w okolicy 0,9V. Charakterystyki podawane w notach katalogowych należy traktować orientacyjnie, ponieważ poszczególne egzemplarze diod mogą się od siebie różnić.

Pomiar napięcia przewodzenia diody

Multimetry umożliwiają pomiar napięcia przewodzenia diod. Miernik należy przełączyć na pozycję oznaczona symbolem diody. Niestety, pomiar ten można traktować jedynie orientacyjnie, na zasadzie: "dioda przewodzi lub nie", bo jest on wykonywany przy nieznanym prądzie przewodzenia.

Po ustawieniu miernika na odpowiednią pozycję, pomiaru dokonujemy w sposób identyczny do tego, gdy testowaliśmy opór rezystorów. Tutaj ważna jest jednak polaryzacja, czarna sonda (podłączona do COM) musi być przyłożona do wyprowadzenia oznaczonego na obudowie diody paskiem.

Przykładowy pomiar może wyglądać następująco:

Pomiar napięcia przewodzenia diody

Dioda jako zabezpieczenie zasilania?

Połączenie diody szeregowo z zasilaniem pozwala rozwiązać 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

Diody Schottky’ego

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.


Na tym zakończymy teraz omawianie diod krzemowych. Nie zajęliśmy się tutaj jeszcze ich właściwością "prostowania" prądu (stąd druga nazwa: diody prostownicze). Kurs nie omawia jednak zagadnień prądu zmiennego, więc nie mielibyśmy czego tutaj prostować. 

LED - diody świecące w praktyce

LED (ang. Light-Emitting Diode), diody świecące, rzadziej nazywane diodami elektroluminescencyjnymi to jedne z najważniejszych i najciekawszych elementów.

Przykładowa dioda i symbol
stosowany na schematach.

Dotychczas zajmowaliśmy się diodami, których głównym zadaniem było przewodzenie prądu tylko w 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. Dokładne informacje na temat wykraczają jednak znacznie poza podstawy elektroniki. Nie ma potrzeby, aby się tym dokładniej tutaj zajmować.

Przekrój diody - element świecący

Świecące wnętrze diody jest półprzewodnikiem, czyli jest w stanie zablokować prąd, który chciałby płynąć w nieodpowiednim kierunku. Jest to widoczne nawet na schematycznym symbolu diod LED.

W związku z powyższym, odpowiednio podłączona dioda będzie się świeciła i jednocześnie będzie przez nią płynął prąd. Zaporowo podłączona dioda nie będzie świeciła i zablokuje przepływ rądu.

Brak rezystora i zbyt duży prąd uszkadza diodę

Jak rozpoznać wyprowadzenia diody świecącej?

Diody świecące (LED) nie mają czarnych pasków na obudowach. Katodę (czyli "minus") można jednak odróżnić na kilka innych sposobów. Idąc w kolejności od najpopularniejszej opcji:

  1. w nowej diodzie katoda jest krótszym wyprowadzeniem,
  2. rand soczewki diody obok katody jest ścięty na płasko,
  3. katoda łączy się w obudowie diody z "większą płytką".

Elementy charakterystyczne diody

Metody te sprawdzają się w przypadku 99,99% diod. Możesz trafić jednak na jakieś "dziwne, chińskie" LEDy lub stare elementy z demontażu, w których wszystkie oznaczenia będą wskazywały na odwrotne wyprowadzenia - takie przypadki to nie legenda, były opisywane już na naszym forum!

Istnieją również diody, które w jednej obudowie mają kilka struktur świecących. Dzięki temu możliwe jest uzyskanie wielu niestandardowych kolorów. Więcej informacji na temat takich diod poznasz, jeśli zdecydujesz się na wykonanie ćwiczeń z kursu elektroniki, poziom II:

Kurs elektroniki II – #3 – przyciski, diody RGB, kontaktron
Kurs elektroniki II – #3 – przyciski, diody RGB, kontaktron

Nasz kurs elektroniki został podzielony na części, które omawiają przeważnie… Czytaj dalej »

Parametry diod świecących

Diody świecące charakteryzują się podobnymi parametrami, co diody prostownicze, ale na inne zwraca się większą uwagę (np. barwę, jasność, kąt świecenia). Najistotniejszy jest jednak prąd przewodzenia. Dla diod takich, jak te dołączone do zestawu, maksymalny prąd przewodzenia wynosi około 20 mA. Nowoczesne diody świecą jednak bardzo jasno nawet już przy 1-2 mA. Dlatego zwykle ogranicza się ten prąd do bardzo małych wartości.

Napięcie przewodzenia zależy mocno od koloru świecenia diody. Każdy kolor uzyskuje się z innej substancji, która cechuje się innymi właściwościami elektrycznymi. Dokładnych informacji na ten temat należy szukać w dokumentacjach diod. Jednak na potrzeby hobbystycznego majsterkowania można również przyjąć przybliżone wartości z naszej tabelki:

Czy diody świecące muszą mieć kolorową soczewkę? Nie, za kolor świecenia odpowiada materiał, z którego zrobiono diodę. Często będziesz spotykał kolorowe diody w przezroczystych obudowach. Dotyczy to szczególnie tak zwanych diod jasnych, czyli takich, które dają bardzo mocne światło.

Dobieranie rezystora do diody świecącej (LED)

Diodom trzeba ograniczać prąd, najprostszym rozwiązaniem jest wstawienie rezystora szeregowo z LED. Zgodnie z prawem Kirchhoffa, część napięcia odłoży się na diodzie, a pozostała na rezystorze. Ponadto, znając (zgrubnie) napięcie, jakie „weźmie na siebie” rezystor można, zgodnie z prawem Ohma, obliczyć prąd przez niego płynący. Elementy te są połączone szeregowo, więc ten sam prąd popłynie przez diodę, a to nas głównie interesuje.

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

  • Uzas – napięcie zasilania obwodu z diodą,
  • Udiody – napięcie przewodzenia diody (z tabelki wyżej),
  • Idiody – prąd, który ma płynąć przez diodę.

LED1

Obliczmy wartość rezystora w układzie zasilanym z 9V. Załóżmy, że napięcie przewodzenia diody to 2V, a ma przez nią popłynąć 7 mA. Wypisujemy wartości:

  • Uzas = 9V
  • Udiody = 2V
  • Idiody = 7mA = 0,007A

Obliczamy wartość potrzebnego rezystora:

R = (9V - 2V) / 0,007A = 7V / 0,007A = 1000Ω = 1kΩ

Za chwilę sprawdzimy taki układ w praktyce!


Jaki prąd powinien płynąć przez diodę? Na pewno mniejszy od maksymalnego, czyli podanych już 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 1-5mA.

Świecenie diody w zależności od dobranego rezystora

Typowo, dla napięcia zasilania 5V i napięcia przewodzenia 2V, stosuje się rezystory 330Ω. Powoduje to, że przez diodę płynie ok. 9mA. 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 taki wybór będzie bardzo dobry (taki przykład był rozpatrzony wyżej do wykonania obliczeń).

Sprawdźmy teraz taki układ w praktyce:

W ramach eksperymentu sprawdź jak zachowa się dioda, gdy jeszcze bardziej ograniczysz jej prąd. Dla testu możesz wykorzystać potencjometr, który jest przecież regulowanym rezystorem. Połącz go szeregowo z rezystorem 330Ω, aby w momencie minimalnego skręcenia potencjometru w szeregu był chociaż ten mały opór.

Jasność diody powinna się zmieniać w zależności od aktualnego ustawienia potencjometru. Dla testu warto również wymienić diodę na egzemplarz w innym kolorze.

Czy rezystor musi być "przed" diodą?

Wiele osób początkujących uważa, że rezystor musi znaleźć się fizycznie przed diodą, bo inaczej zbyt duży prąd ją uszkodzi. Na szczęście nie jest to prawdą - zapamiętaj, że kolejność elementów w takim połączeniu nie ma żadnego znaczenia. Przez elementy połączone szeregowo płynie ten sam prąd, wynika to z omawianych wcześniej praw Kirchhoffa.

Temat ten jest dość "kontrowersyjny" dla wielu początkujących, którzy bardzo często nie mogą tego zrozumieć. Dlatego przygotowaliśmy osobny artykuł uzupełniający, który tłumaczy tylko to jedno, ale ekstremalnie ważne zagadnienie. Koniecznie go przeczytaj:

Czy kolejność w połączeniu szeregowym ma znaczenie?
Czy kolejność w połączeniu szeregowym ma znaczenie?

Co powinno być pierwsze? Dioda, czy rezystor? Czy kolejność w… Czytaj dalej »

Jak zasilać wiele diod świecących?

Chcąc zasilać kilka diod z jednego źródła możemy zastosować jedno z dwóch rozwiązań:

  1. każdej diodzie można zapewnić własny rezystor, obliczony według wskazówek dobranych wcześniej, po czym takie szeregi (dioda + rezystor) dołączyć równolegle do zasilania,
  2. można też połączyć po kilka diod w szereg 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.

Dla testu podłącz teraz kilka diod według pierwszego zaproponowanego rozwiązania, pamiętaj jednak, aby każdy LED miał swój rezystor - inaczej możesz uszkodzić swój układ! Przykładowy schemat:

Kilka elementów wystarczy, aby uzyskać naprawdę ciekawy efekt:

Różne kolory diod świecących w praktyce

Naprawdę warto zapamiętać wzór podany w tej części kursu i opanować sposób dobierania rezystora. Wiemy, że wiele osób ma z tym problemy. Dlatego przygotowaliśmy osobny, obszerny artykuł, który omawiania tylko ten temat. Znaleźć można w nim również bardziej zawiłe przykłady i dobre praktyki.

Jak dobrać rezystor do diody? Różne metody zasilania LED!
Jak dobrać rezystor do diody? Różne metody zasilania LED!

Diody znajdują zastosowanie w wielu projektach. Niestety nie wszyscy potrafią… Czytaj dalej »

Zadanie domowe

Porównaj jasność diod o różnych kolorach. Która z diod świeci 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. O diodach można napisać naprawdę grubą książkę i nadal nie wyczerpie ona tematu, artykuł ten potraktuj jako wprowadzenie w zagadnienie. W razie problemów śmiało pytaj w komentarzach. Będzie nam również bardzo miło, jeśli podzielisz się wynikami swoich eksperymentów i napiszesz czy wszystko przebiegło bez problemów!

Czy artykuł był pomocny? Oceń go:

Średnia ocena / 5. Głosów łącznie:

As you found this post useful...

Follow us on social media!

Najważniejsze, abyś po tej lekcji umiał dobrać odpowiednie rezystory do zasilania diody świecącej. Poznane części będziesz spotykał bardzo często. LEDy są najpopularniejszym elementem pozwalającym na sygnalizacje tego, co dzieje się w układzie.

Nawigacja kursu

PS jeśli czujesz się na siłach, możesz powoli zacząć czytać również nasz kurs programowania Arduino, które niewątpliwe będzie kolejnym krokiem w Twojej elektronicznej edukacji!

Aktualna wersja kursu:
redakcja: Damian Szymański
ilustracje: Piotr Adamczyk

Autor pierwszej wersji kursu:
Michał Kurzela

diody, krzemowe, kursElektroniki, led, półprzewodniki, świecące, zaporowe