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

[Leander]

Bardzo Ci dziękuję za te szczegółowe wyjaśnienia. Cały czas jest to dla mnie duża dawka teorii i - niestety - mniejsza dawka praktyki (braki czasu głównie), ale wieczorem czasem uda się powtykać druciki w płytkę.

A co do moich wniosków - głupi błąd. Spojrzałem na charakterystykę diody, która była w jednym z wcześniejszych dokumentacji podawanych przez Ciebie, ale skupiłem się na kształcie wykresu, zamiast na tym, co jest w górnej części osi Y. A skala była logarytmiczna :). Teraz (i po obejrzeniu tych diod RGB) już wiem i potwierdzam - wnioski odwrotne :).

[Leander]

Pytanie dodatkowe w klimacie świątecznym. W tym wątku przewijała się kwestia, jak podłączać duże ilości diod do niskiego napięcia, czy rezystor jest potrzebny itd. To jak to jest z takimi światełkami świątecznymi? Zasilanie bateryjne 3V, 20 diodek, 15mA. Czy one są tu (wiem, że nie widzicie konkretnego przypadku, pytam bardziej o zasadę, jak to jest rozwiązywane) szeregowo? Czy to jakieś drobiazgi, które mają zupełnie inne napięcie przewodzenia? Czy w takich sytuacjach też daje się opornik (tu wychodzi 200)?

[marek1707]

Kurcze, znowu ja. Hm, "dobrą praktyką inżynierską" jest unikanie łączenia wszelkich struktur półprzewodnikowych równolegle. Zapewne pamiętasz naszą dyskusję o diodach LED, gdzie napięcia przewodzenia były w granicach 2..3.6V. Napięcie odkładające się na takiej diodzie zależy nie tylko od koloru ( czyt: materiału i domieszkowania), ale także od prądu (nieliniowo) i temperatury (tu liniowość jest i nawet diody często są czujnikami temperatury). A ponieważ nie da się zrobić dwóch identycznych przedmiotów, tak samo nie da się zrobić dwóch identycznych diodek. W ramach jednej serii produkcyjnej różnice nie będą duże, ale o ile w przypadku np. równoległego łączenia oporników prąd dzieli się odwrotnie proporcjonalnie do rezystancji i spoko, tak jest zawsze, w sensie różnych napięć, o tyle ze złączami tak nie jest. Nawet jeśli znajdziesz dwie diodki które w połączeniu równoległym (pracując na wspólnym oporniku szeregowym) będą przewodzić ten sam prąd (czyli mieć tę samą jasność - bo ona całkiem liniowo zależy od prądu, inaczej niż np. w żarówkach) to wcale nie musi tak być przy innym napięciu zasilającym. Co gorsza, współczynnik temperaturowy napięcia przewodzenia jest ujemny, tj. cieplejsza dioda ma to napięcie mniejsze. To oznacza, że będzie przewodziła większy prąd niż jej zimniejsza sąsiadka (a mają to samo napięcie z definicji, bo są równolegle) a to spowoduje kolejny wzrost temperatury... No i teraz pytanie czy robisz wojskowe urządzenie, które ma pracować w warunkach -40..+85C, czy biurowe 0..+50C, czy supermegatani łańcuszek LED z pudełeczkiem na dwa paluszki, na którym każdy po drodze musi zarobić 20 centów. Jeśli to ostatnie, to w ogóle nie przejmujesz się jakimiś różnicami napięć przewodzenia, jakimś rozjazdem prądów czy jasności. Bierzesz białe diody:

https://www.tme.eu/Document/ed33eff6558f86d2e73e4a4b27fb39e4/CL-194S.pdf

które przy 3V przewodzą jakieś 8mA (to tylko przykład z tego konkretnego pdfa - znajdź tam odpowiedni wykres), łączysz je równolegle tyle ile tam potrzebujesz, podłączasz do dwóch paluszków bez żadnego opornika, zamawiasz tego 100 tys. sztuk i jedziesz. Najpierw baterie będą miały powiedzmy 3.1V więc przez każdą diodę do tego podpietą będzie płynęło 15mA, po 2 dniach świecenia zostanie 2.8V i 2mA, ale kogo to obchodzi? No świeci ciemniej, to trzeba wymienić baterie, proste. Jeśli tak dobierzesz struktury (kolor), by ich ch-ka była bardziej płaska, to nie dość, że możesz ten prąd zrobić mniejszy to i różnice prądu będą mniejsze przy zmianach napięcia baterii. To musi być proste jak cep i tanie jak barszcz. I jest  

BTW: Jak Ci wyszedł opornik 200R, skoro z zasilania 3V chcesz popędzić diodę LED o U_F=3V? Przecież na opornik zostaje 0V.

Znajdź też wykres zmian napięcia przewodzenia od temperatury.

Edytowano Grudzień 22, 2020 przez marek1707

[Gieneq]

6 godzin temu, marek1707 napisał:

Kurcze, znowu ja.

@marek1707 Za co bardzo dziękujemy  

6 godzin temu, marek1707 napisał:

nawet diody często są czujnikami temperatury

Ciekawe 

[Leander]

9 godzin temu, marek1707 napisał:

Kurcze, znowu ja

Ale nie masz obowiązku :), zwłaszcza tak kompleksowo. Dziękuję. Z opornikiem to pomyślałem o całkiem hipotetycznej sytuacji, nie ważne. Natomiast dwie rzeczy istotne. Pierwsza - można bez opornika (czyli robimy mega tani gadżet), bo nawet takie miniaturowe diodki mają podobne do "normalnych" napięcie przewodzenia (myślałem, że może tu jest pole manewru). Druga - w tej sytuacji (i teraz już) dość oczywiste, że to wszystko idzie równolegle.

[marek1707]

3 godziny temu, Gieneq napisał:

Ciekawe

Nie wiem, jakaś kolejna opcja po prostu. O ile jako samodzielne czujniki temperatury diody występują raczej rzadko (choć zdarza się) o tyle już w scalakach są stosowane nagminnie. Wiele dużych chipów (procesory, FPGA) ma wyprowadzony pin "wewnętrznej sondy temperatury", gdzie w środku siedzi dioda (albo tranzystor bipolarny w połączeniu diodowym) podpięta do masy. Na tej podstawie zewnętrzny kontroler (temperatury, zasilania) może nadzorować stanu systemu. Zrobienie diody w technologii bipolarnej lub CMOS jest trywialne a umieszczenie na strukturze np. termistora byłoby skrajnie trudne.

https://www.ti.com/lit/an/sboa277a/sboa277a.pdf

https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/how-to-use-a-diode-as-a-thermometer/

W najprostszej aplikacji źródło prądowe można zastąpić opornikiem a im zasilanie wyższe tym lepiej. No i zmiany napięcia U_F są niewielkie więc jakiś wzmacniacz (lub wejście ADC ze wzmocnieniem) by się przydał.

W niektórych procesorkach AVR (np. mega328), gdzie masz kanał ADC mierzący temperaturę raczej korzysta się z wyjścia temperaturowego z modułu bandgap. To przede wszystkim źródło napięcia odniesienia dla całego ADC, ale z definicji w topologii bandgap występuje taki węzeł (tzw. PTAT - Proportional To Absolute Temperature) gdzie napięcie jest, no właśnie, proporcjonalne do temperatury.

https://www.latticesemi.com/-/media/LatticeSemi/Documents/ApplicationNotes/PT/TemperatureSensingDiodeinLatticeSCDevices.ashx?document_id=21985

BTW: To "kurcze" było wyrazem radości z kolejnej szansy  

---------------------------------------

EDIT: A tu jest "dla opornych", jak zbudować (w scalaku - to trochę inne podejście, ale także normalnie - z tranzystorów i oporników) i jak działa bandgap:

https://www.renesas.com/eu/en/document/whp/how-make-bandgap-voltage-reference-one-easy-lesson-paul-brokaw

Edytowano Grudzień 22, 2020 przez marek1707

[Sabre]

16 godzin temu, Leander napisał:

Pytanie dodatkowe w klimacie świątecznym. W tym wątku przewijała się kwestia, jak podłączać duże ilości diod do niskiego napięcia, czy rezystor jest potrzebny itd. To jak to jest z takimi światełkami świątecznymi? Zasilanie bateryjne 3V, 20 diodek, 15mA. Czy one są tu (wiem, że nie widzicie konkretnego przypadku, pytam bardziej o zasadę, jak to jest rozwiązywane) szeregowo? Czy to jakieś drobiazgi, które mają zupełnie inne napięcie przewodzenia? Czy w takich sytuacjach też daje się opornik (tu wychodzi 200)?

Hmm, to i ja się wypowiem w tym świątecznym klimacie. Te lampki mają zazwyczaj jeden rezystor w szeregu. Moje miały jak się nie mylę 10Ω do tego diodki połączone równolegle w ilości sztuk 20. Prawdę mówiąc nie chce mi się tego liczyć ale na 3 świeżo naładowanych akumulatorkach NiMH te lampki pobierały 9,9mA (po 0,5mA na diodę wychodzi) i świeciły naprawdę dość jasno.

Mam drugi podobny łańcuszek, który świeci na biały ciepły kolor (i nie jest to kolor żółty) a jest zasilany tylko z dwóch akumulatorków NiMH. Co prawda nigdy nie chciało mi się go pomierzyć bo klapka, pod którą jest rezystor, jest zgrzana z tworzywem koszyka.

[Treker (Damian Szymański)]

Informacyjnie (dla wszystkich osób, które śledzą ten temat) - do kursu dodany został nowy quiz, który dotyczy części 4-6:

 

[Artuee]

Cześć, zastanawiaa mnie jedna rzecz. W jaki sposób wyliczyć ile maksymalnie możemy zrobić  połączeń równoległym z pojedynczą diodą i rezystorem na każdym rozgałęzieniu mając do dyspozycji baterie 9v? Rozumiem że w takim połączeniu jedynym ograniczeniem będzie wartość prądu?

[Gieneq]

10 godzin temu, Artuee napisał:

Rozumiem że w takim połączeniu jedynym ograniczeniem będzie wartość prądu?

@Artuee Zgadza się, wyznacz jaki jest prąd który będziesz w stanie pobrać przez dłuższy czas i dobierz liczbę gałęzi. Oczywiście prąd oraz napięcie spadają wraz z rozładowaniem baterii i te obliczenia będą pokrywać się z rzeczywistością dość krótko. Dlatego dobrym rozwiązaniem jest dać stabilizator, o którym poczytasz dalej w kursie  

[pawelmb]

Pytanie: czy diody dołączone do zestawu szybko się zużywają?

Pytam, bo zacząłem robić kurs Arduino i zauważyłem, że dioda czerwona świeci jakoś słabo.

Początkowo myślałem, żę to różnica napięcia (Arduino 5V vs bateria 9V), ale nie. Ta konkretna dioda czerwona, z którą zrobiłem cały kurs elektroniki I, świeci wyraźnie słabiej od innych. Na zdjęciu porównanie dwóch czerwonych, podłączony przez rezystor 330 do baterii 9V.

Dodam, że (raczej) nie podłączałem diody bez rezystora, mam wrażenie, że "samo się zepsuło". Jakiś pomysł czemu?

[Gieneq]

@pawelmb Ciężko coś napisać, jeżeli pozostałe LEDy są ok, a tylko ten przestał jasno świecić i widać to w różnych warunkach to coś jest z nim nie tak. Możliwe, że nie tyle zużył się, bo LEDy są bardzo trwałe ale może coś jednak go uszkodziło.

[Mukat]

Witam,

Mam zamiar wykonać kontrolkę zasilania z diody świecącej. Zasilanie układu jest z baterii 42V. Przyjąłem Uz=42v, Ud=2V, Id=0,01A. Wynik R = 4 k. Spadek napięcia na rezystorze 40V i prąd jaki przez niego popłynie I=0,01A wygeneruje stratę mocy 0,4W. 

Czy wystarczy rezystor o mocy 0,5 W.

Czy jest jakieś prostsze rozwiązanie, aby nie obciążać niepotrzebnie baterii?

Edytowano Luty 8, 2021 przez Mukat

[pawelmb]

@Gieneq dzięki za odpowiedź. Po przemyśleniach też stwierdzam, że jednak za którymś razem coś źle widać podłączyłem, bo różnica jest znaczna. Na szczęście w zestawie jest kilka

[marek1707]

@Mukat 0.5W to moc maksymalna, jaką możesz wydzielić w tym rezystorze w dobrych warunkach chłodzenia. Jeśli zostawisz mu długie nóżki i będzie wisiał w swobodnie przepływającym powietrzu, to OK, 0.4W wytrzyma. Ale jeśli wepchniesz go do jakiejś rurki albo oprawki z diodą, to stopi każdy plastik dookoła razem z soczewką LEDa a i sam w końcu się przegrzeje. Przecież on tej mocy nie pochłania, to musi gdzieś odpływać, bo inaczej wzrost temperatury jest nieunikniony. Będzie coraz cieplej, odbiór energii będzie się poprawiał aż bilans się wyrówna, może na poziomie +70 a może +120°C.

W zasadzie masz dwa wyjścia: albo kupić dobrą diodę albo szukać układu impulsowego, przetwarzającego moc w indukcyjności. Pierwsze jest łatwe, bo typowa dioda z soczewką barwioną/matową ma jasność rzędu kilkudziesięciu mcd (@10-20mA), za to w każdą stronę. Jeśli dioda jest w oprawce, wmontowana w panel to i tak wszystko co świeci na boki wtedy marnuje się, a nawet to co leci do przodu jest słabe. Jeśli weźmiesz w takim przypadku dobrą diodę z optyką 20 czy nawet 10°, to nie dość że struktura sama z siebie jest sprawniejsza, to jeszcze 95% światła jakie produkuje leci do przodu. Taka dioda ma jasność np. 10000mcd w osi (przy tym samym prądzie) i taką samą jasność sygnalizacji jak przy poprzedniej diodce tutaj dostaniesz przy prądzie np. 0.5mA. W rozwiązania impulsowe (switching current source/led driver) chyba nie ma w tym przypadku co brnąć. To zamienia opornik za 2 grosze na płyteczkę za 10-20zł (w detalu) i w świetle możliwości wymiany diody na lepszą nie ma sensu.

https://www.tme.eu/pl/details/os5rkp5111a/diody-led-tht-5mm/optosupply/