Расчитываем резистор для светодиода, драйвер и гасящий конденсатор

Что такое конденсатор, как он работает и для чего его назначение

Конденсатор — это вторая по популярности радиодеталь после резистора. Он важен и незаменим, участвует в формировании сигналов и фильтрации питания. А ведь изначально, самым первым конденсатором была лейденская банка, которая была изобретена в 1745 году. С тех пор конденсаторы стали неотъемлемой частью электроники.

Общая концепция

Конденсатор состоит из двух проводящих обкладок и диэлектрика между ними. И все, больше ничего. С виду простая радиодеталь, но работает на высоких и низких частотах по-разному.

Обозначается на схеме двумя параллельными линиями.

Принцип работы

Эта радиодеталь хорошо демонстрирует явление электростатической индукции. Разберем на примере.

Если подключить к конденсатору постоянный источник тока, то в начальный момент времени ток начнет скапливаться на обкладках конденсатора. Это происходит за счет электростатической индукции. Сопротивление практически равно нулю.


Электрическое поле за счет электростатической индукции притягивает разноименные заряды на две противоположные обкладки. Это свойство материи называется емкостью. Емкость есть у всех материалов. И даже у диэлектриков, но у проводников она значительно больше. Поэтому обкладки конденсатора выполнены из проводника.

Чем больше емкость— тем больше может накопиться зарядов на обкладках конденсатора, т.е. электрического тока.

Основное свойство конденсатора это емкость.

По мере накопления зарядов, поле начинает ослабевать, а сопротивление нарастает. Почему так происходит? Места на обкладках все меньше, одноименные заряды на них действуют друг на друга, а напряжение на конденсаторе становится равным источнику тока. Такое сопротивление называется реактивным, или емкостным. Оно зависит от частоты тока, емкости радиодеталей и проводов.

Когда на обкладках не останется места для электрического тока, то и ток в цепи прекратиться. Электростатическая индукция пропадает. Теперь остается электрическое поле, которое держит заряды на своих обкладках и не отпускает их. А электрическому току некуда деваться. Напряжение на конденсаторе станет равным ЭДС (напряжению) источнику тока.

А что будет, если повысить ЭДС (напряжение) источника тока? Электрическое поле начнет все сильнее давить на диэлектрик, поскольку места на обкладках уже нет. НО если напряжение на конденсаторе превысит допустимые знания, то диэлектрик пробьет. И конденсатор станет проводником, заряды освободятся, и ток пойдет по цепи. Как тогда использовать конденсатор для высоких напряжений? Можно увеличить размер диэлектрика и расстояние между обкладками, но при этом уменьшается емкость детали.

Между обкладками находится диэлектрик, который препятствует прохождению постоянного тока. Это именно барьер для постоянного тока. Потому, что постоянный ток создает и постоянное напряжение. А постоянное напряжение может создавать электростатическую индукцию только при замыкании цепи, то есть, когда конденсатор заряжается.

Так конденсатор может сохранять энергию до тех пор, пока к нему не подключится потребитель.

Конденсатор и цепь постоянного тока

Добавим в схему лампочку. Она загорится только во время зарядки.

Еще одна важная особенность — когда происходит процесс зарядки током, то напряжение отстает от тока. Напряжение как бы догоняет ток, поскольку сопротивление нарастает плавно, по мере зарядки. Электрические зарядам нужно время, чтобы переместиться к обкладкам конденсатора. Так называется время зарядки. Оно зависит от емкости, частоты и напряжения.

Лампочка затухает при полной зарядке.

Постоянный электрический ток не проходит через конденсатор только после его зарядки.

Цепь с переменным током

А что если поменять полярность на источнике тока? Тогда конденсатор начнет разряжаться, и снова заряжаться, поскольку меняется полярность источника.


Электростатическая индукция возникает постоянно, если электрический ток переменный.Каждый раз, когда ток начинает менять свое направление, начинается процесс зарядки и разрядки.


Поэтому, конденсатор пропускает переменный электрический ток.

Чем выше частота — тем меньше реактивное (емкостное) сопротивление конденсатора.

Назначение и функции конденсаторов

Конденсатор играет огромную роль как в аналоговой, так и цифровой технике. Они бывают электролитическими и керамическими, и отличаются своими свойствами, но не общей концепцией. Например:

  • Фильтрует высокочастотные помехи;
  • Уменьшает и сглаживает пульсации;
  • Разделяет сигнал на постоянные и переменные составляющие;
  • Накапливает энергию;
  • Может использоваться как источник опорного напряжения;
  • Создает резонанс с катушкой индуктивности для усиления сигнала.

Примеры использования

В усилителях обычно используются для защиты сабвуферов, фильтрации питания, термостабилизации и разделение постоянной составляющей от переменной. А электролитические в автономных схемах с микроконтроллерами могут долго обеспечивать питание за счет большой емкости.

В данной схеме транзистор VT1 постоянно открыт, чтобы усиливать звук без искажений. Но если вход замнется или на него поступи постоянный ток, то транзистор откроется, перейдет в насыщение и перегреется. Чтобы этого не допустить, нужен конденсатор. С1 позволяет отделить постоянную оставляющую от переменной. Переменный сигнал легко проходит на базу транзистора, а постоянный сигнал не проходит.

С2 совместно с резистором R3 выполняет функцию термостабилизации. Когда усилитель работает, транзистор нагревается. Это может внести искажения в сигнал. Поэтому, резистор R3 помогает удержать рабочую точку при нагреве. Но когда транзистор холодный и стабилизации не требуется резистор может уменьшить мощность усилителя. Поэтому, в дело вступает С2. Он проводит через себя усиленный сигнал шунтируя резистор, тем самым не снижая номинальную мощность схемы. Если его емкость будет ниже расчетной, он начнет вносить фазовые искажения в выходной сигнал.

Чтобы схема качественно работала, обязательно хорошее питание. Когда схема в пиковые значения потребляет больше тока, то это всегда сильная нагрузка на источник питания. С3 фильтрует помехи по питанию и помогает снизить нагрузку. Чем больше емкость — тем лучше звук, но до определенных значений, все зависит от схемы.

А в блоках питания используется тот же принцип, как и в предыдущей схеме по питанию, но здесь емкость нужна гораздо больше.

Еще на диодный мост можно параллельно включить керамические конденсаторы, которые будут шунтировать схему от высокочастотных наводок и шума сети 220 В.

Фазовые искажения

Конденсатор может искажать переменный сигнал по фазе. Это происходит из-за неверного расчета емкости, общего сопротивления и взаимодействия с другими радиодеталями. Не стоит забывать и о том, что любая радиодеталь имеет как реактивное так и активное сопротивление.

Что такое резистор. Окончание

Приветствую, друзья.

В первой части статьи мы с вами узнали о еще одном «кирпичике» электроники – резисторе.

Сегодня мы продолжим знакомство с этими штуковинами и перейдем от теории к практике.

Сразу отметим, что резистор – это пассивный элемент (в отличие от активных – диодов и транзисторов, способных генерировать сигнал).

Для начала рассмотрим

Обозначения резисторов в схемах

Если придерживаться отечественного ГОСТ, то необходимо указывать еще и мощность резистора посредством черточек внутри прямоугольника.

Переменные и подстроечные резисторы обозначаются теми же прямоугольниками или ломаными линиями и стрелкой, символизирующей подвижный контакт.

Рядом с графическим изображением указывается значение сопротивления резистора и его порядковый номер в схеме.

Читайте также:  Сколько сейчас стоит Мерседес W140 S-class

Иногда указывается мощность резистора и его допустимое процентное отклонение сопротивления от номинала.

Величина сопротивления указывается в Омах, килоомах (кОм), мегомах (Мом).

Иногда в зарубежных схемах для обозначения Ом используется символ Ω (греческая буква «омега»).

Отметим, что в конструкторской документации в схемах зачастую указывают только порядковый номер резистора, а его номинал, отклонение, тип и другие данные сводят в отдельный документ.

Напомним, что о всех параметрах конкретного типа резистора можно почитать в соответствующем даташите (data sheet).

— 27 Ом, 27 Ohm, 27Ω, 27R, 27 – 27 Ом,

— 1,5 кОм, 1,5 к, 1,5 kOhm, 1,5 кΩ, 1k5 – 1,5 килоом,

— 3,3 Мом, 3,3 МOhm, 3,3 MΩ, 3M3, 3,3 – 3,3 мегом (мегаом)

Обратите внимание: если в обозначении стоит маленькая буква «м» – то это будут миллиомы, а не мегомы!

Если в обозначении стоит просто цифра без букв, то это могут быть и омы, и мегомы. В этом случае, если в цифре нет запятой – это будут омы, если есть – мегомы.

Маркировка резисторов

Резисторы могут маркироваться нанесением буквенно-цифровых обозначений, наносимых на корпус резистора.

Обычно указывается номинал резистора и его процентный допуск (±5%, ±10%, ±20%). Процентный допуск указывается чаще всего латинской буквой.

Иногда указывается тип резистора и его мощность рассеяния.

100kΩJ 2W – 100 килоом, допуск ±5%, мощность рассеяния – 2Вт,

4К3И МЛТ-1 – 4,3 кОм, допуск ±5%, тип – МЛТ, мощность рассеяния – 1 Вт (это старый резистор времен CCCР),

560Ω 5% — 560 Ом, допуск ±5%

Однако на корпус мелких резисторов трудно нанести такие обозначения, поэтому для них применяется маркировка посредством 4-х, 5-ти или 6-ти цветных колец.

Обычно маркировка читается слева направо, при этом первое кольцо шире, или находится ближе к выводу резистора.

Мы не будем здесь приводить полных таблиц с цветовой маркировкой.

Номинал резистора можно узнать в онлайн-калькуляторах. Например, здесь. Это удобно.

Измерение сопротивления резистора

Обычно сопротивление резистора указывается на его корпусе посредством маркировки.

Но иногда возникает необходимость измерить величину сопротивления.

Обычно такое происходит при ремонте.

Маркировка может потускнеть или стереться, сам резистор может подгореть.

Измерить сопротивление резистора можно цифровым мультиметром.

Мультиметр измеряет не только сопротивление, но другие величины – ток, напряжение, емкость, температуру и т.д.

Обычно мультиметр имеет переключатель диапазонов и величин и входные гнезда для щупов.

Для измерения сопротивления надо поставить переключатель на один из диапазонов измерения сопротивления (вблизи этих диапазонов обычно расположен символ Ω).

При этом цифра, например, «200» означает диапазон от 0 до 200 Ом, обозначение «20к» – диапазон от 0 до 200 килоом, а обозначение «200М» – диапазон от нуля до 200 Мегом.

Если сопротивление резистора превышает выбранный диапазон, в крайнем левом разряде будет цифра «1».

При измерении малых величин сопротивлений (единицы Ом – доли Ом) надо учитывать сопротивление щупов мультиметра.

Для этого надо замкнуть щупы между собой, при этом мультиметр покажет некоторое сопротивление (доли Ом).

Эту величину надо потом вычесть из измеренного значения сопротивления. При измерении сопротивлений более 100 Ом погрешность измерения будет менее 1%. Этого вполне достаточно для большинства практических применений.

Сопротивление в десятые – сотые доли Ома выполняются с помощью специальных измерителей – миллиомметров и измерительных мостов.

Отметим, что иногда резисторы в изделиях (особенно миниатюрные) изменяют свое сопротивление без изменения внешнего вида – без обгорания, потемнения и т.п. Это одна из самых трудно обнаруживаемых неисправностей. «Вычислить» такой резистор можно только измерением его сопротивления и сравнением его с маркировкой.

Схемы с резисторами

Параллельное и последовательное соединение резисторов

Еще из школьного курса физики мы помним, что резисторы могут соединяться последовательно и параллельно.

При последовательном соединении сопротивление цепочки будет равно сумме всех сопротивлений.

При параллельном сопротивлении суммируются величины, обратные сопротивлениям, поэтому сопротивление цепочки будет меньше резистора самого малого номинала.

В справедливости этих утверждений можно легко убедиться с помощью мультиметра.

Иногда не удается найти резистор нужного номинала – и в этом случае его можно получить последовательным или параллельным соединением нескольких резисторов.

Последовательное соединение резисторов используется и в том случае, если прилагаемое напряжение превышает максимально допустимое для данного типа резистора.

Так, для большинства современных SMD резисторов прилагаемое напряжение не должно превышать 200 В. Поэтому, при необходимости, например, включить SMD резистор в цепь сетевого напряжения 220 В (при этом амплитудное значение напряжения превышает 300 В) ставят цепочку из двух-трех резисторов одинакового номинала. При этом сетевое напряжение в соответствии с законом Ома поровну распределяется между ними.

Делитель напряжения

В электронных схемах часто бывает нужно получить часть от какой-то величины напряжения. Эту задачу решает делитель напряжения.

При этом входное напряжение подается на цепочку из двух последовательно соединенных резисторов, а выходное снимается с одного из них.

В соответствии с законом Ома, Iд = Uвх/(R1+R2) и Uвых = Iд*R2. Отсюда Uвых = Uвх*R2/(R1+R2). Величина R2/(R1+R2) называется коэффициентом передачи делителя (который всегда меньше единицы).

Поэтому выходное напряжение всегда меньше входного.

В первом приближении коэффициент передачи не зависит от частоты сигнала, так как сопротивление резисторов не зависит от частоты.

Кстати, переменный или подстроечный резистор можно включить по схеме 1 или 2.

В первом случае при вращении ручки резистора изменяется сопротивление, вносимое резистором в цепь сигнала.

Во втором случае резистор представляет собой управляемый делитель напряжения с переменным коэффициентом передачи.

Именно по такой схеме включен переменный резистор в регуляторе громкости акустических систем, стоящих у вас на столе.

Частотно-зависимые делители напряжения

Если в одно из плеч делителя вместо резистора установить конденсатор, получится частотно-зависимый делитель напряжения, так как сопротивление конденсаторы зависит от частоты.

В первом случае конденсатор стоит в верхнем плече делителя. При малой частоте сигнала его сопротивление очень велико, и на нем падает почти все входное напряжение.

Поэтому на выходе будет очень небольшой сигнал. При нулевой частоте (постоянном напряжении) на конденсаторе упадет все напряжение, и на выходе будет вообще 0 вольт.

По мере роста частоты сопротивление конденсатора будет уменьшаться, а коэффициент передачи делителя и, соответственно, выходное напряжение – возрастать.

Эту схему еще называют фильтром верхних частот.

В втором случае конденсатор стоит в нижнем плече.

В этом случае сигнал малой частоты пройдет без заметного ослабления, а сигнал высокой частоты будет сильно ослаблен.

Такую схему называют еще фильтром нижних частот. Он пропускает небольшие частоты и постоянную составляющую.

В заключение отметим, что, конечно же, резисторы (и другие компоненты) встречаются в самых различных комбинациях во множество других схем. И что анализ этих схем достаточно сложен, так как при этом привлекается серьезный математический аппарат.

Читайте также:  Не крутит стартер причины, что делать, как завести машину

Но на первых порах вполне достаточно простого качественного объяснения «на пальцах».

Резисторы, конденсаторы, диоды

Тема. Элементная база электроники

РЕЗИСТОРЫ

Это детали, пожалуй, наиболее часто применяемы. В транзисторном приемнике средней сложности, например, их может быть 20-25 штук. Используют их для ограничения тока в цепях, для создания на отдельных участках цепей падений напряжений, для разделения пульсирующего тока на его составляющие, для регулирования громкости, тембра звука и т.д. Для резисторов сравнительно небольших сопротивлений, рассчитанных на токи в несколько десятков миллиампер, используют тонкую проволоку из никелина, нихрома и некоторых других металлических сплавов. Это проволочные резисторы. Для резисторов больших сопротивлений, рассчитанных на сравнительно небольшие токи, используют различные сплавы металлов и углерод, которые тонкими слоями наносят на изоляционные материалы. Эти резисторы называют непроволочными (металлопленочными) резисторами. Как проволочные, так и непроволочные резисторы могут быть постоянными, т.е. с неизменными сопротивлениями, и переменными, сопротивления которых в процессе работы можно изменять от некоторых минимальных до их максимальных значений. Основные характеристики резистора: номинальное, т. е. указанное на его корпусе сопротивление, номинальная мощность рассеяния и наибольшее возможное отклонение действительного сопротивления от номинального (указываемое в процентах). Мощностью рассеяния называют ту наибольшую мощность тока, которую резистор может длительное время выдерживать и рассеивать в виде тепла без ущерба для его работы. Если, например, через резистор сопротивлением 100 Ом течет ток 0,1 А, то он рассеивает мощность 1 Вт. Если резистор не рассчитан на такую мощность, то он может быстро сгореть. Номинальная мощность рассеяния — это, по существу, характеристика электрической прочности резистора. Наша промышленность выпускает постоянные и переменные резисторы разных конструкций и номиналов: от нескольких ом до десятков и сотен мегаом.

Представьте себе такой случай. Вам нужен резистор определенного сопротивления. А у вас нет такого, но есть резисторы других номиналов. Можно ли из них составить резистор нужного сопротивления? Можно, конечно, если знать элементарный расчет последовательного и параллельного соединений сопротивлений электрических цепей и резисторов. При последовательном соединении резисторов (рис.1, а) их общее сопротивление Rобщ. равно сумме сопротивлений всех соединенных в эту цепочку резисторов, т.е.

Рис.1 Последовательное (а) и параллельное (б) соединение резисторов.

Rобщ. = Rl + R2 + R3 и т.д. Так, например, если R1 = 15кOм и R2 = 33 кОм, то их общее сопротивление Rобщ. = 15 + 33 = 48 кОм (ближайшие номиналы 47 и 51 кОм). При параллельном соединении резисторов (рис.3, б) их общее сопротивление Rобщ. уменьшается и всегда меньше сопротивления каждого отдельно взятого резистора. Результирующее сопротивление цепи из параллельно соединенных двух резисторов рассчитывают по такой формуле: Rобщ. = Rl * R2 / (Rl + R2)т. е. произведение двух резисторов делят на сумму. Если оба резистора имеют одинаковый номинал, тогда значение номинала одного из резисторов, просто делят на 2. Допустим, что R1 = 20кОм, a R2 = 30 кОм. Общее сопротивление участка цепи, состоящей из этих двух резисторов, равно: Rобщ. = Rl * R2 / (R1 + R2) = 20 * 30 / (20 + 30) = 12 кОм. Нужно сказать что при соединении параллельно более двух резисторов Rобщ. расчитывают по нижеприведенной формуле:

КОНДЕНСАТОРЫ

Конденсаторы, как и резисторы, относятся к наиболее многочисленным элементам радиотехнических устройств. Основное свойство конденсаторов, это способность накапливать электрический заряд. Основной параметр конденсатора это его емкость. Емкость конденсатора будет тем значительнее, чем больше площадь его обкладок и чем тоньше слой диэлектрика между ними. Основной единицей электрической емкости является фарада (сокращенно Ф), названная так в честь английского физика М. Фарадея. Однако 1 Ф — это очень большая емкость. Земной шар, например, обладает емкостью меньше 1 Ф. В электро и радиотехнике пользуются единицей емкости, равной миллионной доле фарады, которую называют микрофарадой (сокращенно мкФ). В одной фараде 1000000 мкФ, т.е. 1 мкФ = 0,000001 Ф. Но и эта единица емкости часто оказывается слишком большой. Поэтому существует еще более мелкая единица емкости, именуемая пикофарадой (сокращенно пФ), представляющая собой миллионную долю микрофарады, т.е. 0,000001 мкФ; 1 мкФ = 1000000 пФ. Все конденсаторы, будь то постоянные или переменные, характеризуются прежде всего их емкостями, выраженными соответственно в пикофарадах, нанофарадах и микрофарадах. На принципиальных схемах емкость конденсаторов от 1 до 9999 пФ указывают целыми числами, соответствующими их емкостям в этих единицах без обозначения пФ, а емкость конденсаторов от 0,01 мкФ (10000 пФ) и более — в долях микрофарады или микрофарадах без обозначения мкФ. Если емкость конденсатора равна целому числу микрофарад, то в отличие от обозначения емкости в пикофарадах после последней значащей цифры ставят запятую и нуль. Примеры обозначения емкостей конденсаторов на схемах: С1 47 соответствует 47 пФ, С2 3300 соответствует 3300 пФ; СЗ 0,47 соответствует 0,047 мкФ (47000 пФ); С4 0,1 соответствует 0,1 мкФ; С5 20,0 соответствует 20 мкФ. Существует еще и промежуточная величина емкости — нанофарад, это тысячная доля микрофарад. Например: 1000пф = 1нф или 0,01мкф = 10нф, как перевести большую физическую величину , в меньшую и наоборот я думаю вы уже догадались, здесь чистая математика. Я уже говорил, что конденсатор в простейшем виде представляет собой две пластинки, разделенныедиэлектриком. Если конденсатор включить в цепь постоянного тока, то ток в этой цепи прекратится. Да это и понятно: через изолятор, которым является диэлектрик конденсатора, постоянный ток течь не может. Включение конденсатора в цепь постоянного тока равнозначно разрыву ее (мы не принимаем во внимание момент включения, когда в цепи появляется кратковременный ток зарядки конденсатора). Иначе ведет себя конденсатор в цепи переменного тока. Вспомним: полярность напряжения на зажимах источника переменного тока периодически меняется. Значит, если включить конденсатор в цепь, питаемую от такого источника тока, его обкладки будут попеременно перезаряжаться с частотой этого тока. В результате в цеци будет протекать переменный ток. Конденсатор подобно резистору и катушке индуктивности оказывает переменному току сопротивление, но разное, для токов различных частот. Он может хорошо пропускать токи высокой частоты и одновременно быть почти изолятором для токов низкой частоты. Радиолюбители, например, иногда вместо наружных антенн используют провода электроосветительной сети, подключая приемники к ним через конденсатор емкостью 220-510 пФ. Случайно ли выбрана такая емкость конденсатора? Нет, не случайно. Конденсатор такой емкости хорошо пропускает токи высокой частоты, необходимые для работы приемника, но оказывает большое сопротивление переменному току частотой 50 Гц, текущему в сети. В этом случае конденсатор становится своеобразным фильтром, пропускающим ток высокой частоты и задерживающим ток низкой частоты. Емкостное сопротивление конденсатора переменному току зависит от его емкости и частоты тока: чем больше емкость конденсатора и частота тока, тем меньше его емкостное сопротивление. Это сопротивление конденсатора можно с достаточной точностью определить по такой упрощенной формуле: Rc = 1 / 6*F*С, где Rс — емкостное сопротивление конденсатора, Ом; F — частота тока, Гц; С — емкость данного конденсатора, Ф; цифра 6 — округленное до целых единиц значение 2Рс (точнее 6,28, так как Пи = 3,14). Пользуясь этой формулой, давайте узнаем, как ведет себя конденсатор по отношению к переменным токам, если использовать провода электросети в качестве антенны. Допустим, что емкость этого конденсатора 500 пФ (500 пФ = 0,0000000005 Ф). Частота тока электросети 50 Гц. За среднюю несущую частоту радиостанции примем 1 МГц (1000000 Гц), что соответствует волне длиной 300 м. Какое сопротивление оказывает этот конденсатор радиочастоте? Rс = 1 / (6 * 1000000 * 0,0000000005) = 300 Ом. А переменному току электросети? Rc = l / (6 * 50 * 0,0000000005) = 7 МОм, приближенно. И вот результат: конденсатор емкостью 500 пФ оказывает току высокой частоты в 20000 раз меньшее сопротивление, чем току низкой частоты. Убедительно? Конденсатор меньшей емкости оказывает переменному току сети еще большее сопротивление. Нужно запомнить: емкостное сопротивление конденсатора переменному току уменьшается с увеличением его емкости и частоты тока, и наоборот, увеличивается с уменьшением его емкости и частоты тока, это свойство конденсатора, не пропускать постоянный ток и по разному проводить переменные токи различных частот используют для разделения пульсирующих токов на их составляющие, задержания токов одних частот и пропускания токов других частот (емкостные фильтра). Этим свойством конденсаторов вы будете часто пользоваться в своих эксперементах и конструкциях. Как устроены конденсаторы постоянной емкости? Все конденсаторы постоянной емкости имеют токопроводящие обкладки, а между ними керамика, слюда, бумага или какой — либо другой твердый диэлектрик. По виду используемого диэлектрика конденсаторы называют соответственно керамическими, слюдяными, бумажными.

Читайте также:  Приспособление для электролобзика для ровного пила без сколов

Работа диода и устройство

Диод это самый простой полупроводниковый прибор всего с одним p-n переходом, имеющий два внешних вывода анод и катод. Он используется для выпрямления, детектирования, модуляции, ограничения и различных видов преобразования электрических сигналов. По функциональному назначению диоды классифицируются на выпрямительные, универсальные, СВЧ, стабилитроны, импульсные, варикапы, варисторы, переключающие, туннельные т.д.

Наверное любой начинающий радиолюбитель знает, что диод в одну сторону пропускает ток, а в другую нет. Но как, и почему он так делает, знают, а тем более понимают не многие, даже некоторые инженеры не знают этого.

Работа диода — общие принципы внутреннего устройства

Структурно диод можно представить кристаллом полупроводника, состоящим из двух областей. Одна с проводимостью p-типа, а другая – проводимостью n-типа.

Работа диода поясняющая структурная схема

Анод это плюсовой электрод, в нем основными носителями заряда являются дырки.

Катод это минусовой электрод, в нем основными носителями заряда являются электроны.

На внешних поверхностях двух областей имеются контактные металлические слои, к которым припаяны внешние выводы. Такой полупроводниковый прибор может быть только в одном из двух состояний: открыт и закрыт

Работа диода при прямом включении

Если к выводам полупроводникового прибора подсоединить постоянное напряжение: на анод подать плюс» а на вывод катода соответственно «минус», то диод откроется и через него начнет идти ток, величина которого зависит от приложенного напряжения и внутренних свойств диода.

При прямом включении электроны из n области устремятся навстречу дыркам в p-область, а дырки из p в область n. На границе электронно-дырочного перехода, они встретятся, и осуществится их взаимное поглощение или рекомбинация.

Вывод диода, подключенный к минусу, будет посылать в область n огромное количество электронов, пополняя их убывание. А вывод, соединенный с плюсом, помогает восстанавливать концентрация дырок в области p. То есть, проводимость электронно-дырочного перехода увеличится, а сопротивление току резко уменьшится, а значит, через диод потечет ток, называемый прямым током диода Iпр.

Работа диода при обратном включении

Изменим полярность нашего подключения и посмотрим на изменения в работе подключенного полупроводникового прибора.

В этом случае электроны и дырки будут, оттеснятся от p-n перехода, а на границе электронно-дырочного перехода резко возрастает потенциальный барьер или другими словами зона обедненная носителями заряда дырками и электронами, которая будет препятствовать прохождению тока.

Но, так как в каждой из области имеется небольшое количество неосновных носителей заряда, то небольшой обмен носителями заряда между областями все же происходит, но он очень мал. Такой ток получил название обратный ток Iобр.

Работа диода прямое и обратное напряжение

Напряжение, открытия диода, когда через него течет прямой ток называют прямым Uпр, а напряжение обратной полярности, при котором он запирается и через него течет Iобр называют обратным Uобр. При Uпр внутреннее сопротивление не выше нескольких десятков Ом, зато при Uобр сопротивление резко увеличивается до сотен и даже тысяч килоом. Это легко увидеть, если измерить обратное сопротивление с помощью мультиметра.

Сопротивление электронно-дырочного перехода величина не постоянная и зависит от Uпр. Чем оно выше, тем меньше сопротивление p-n переход, тем выше Iпр идущий через полупроводник. В закрытом состоянии на нем падает почти все напряжение, поэтому, Iобр ничтожно мал, а сопротивление p-n перехода огромно.

Если мы подсоединим диод в цепь переменного тока, то он будет открыт при положительных полуволне синусоидального напряжения, пропуская прямой ток , и заперт при отрицательной полуволне, почти не пропуская Iобр. Это главное свойства диодов используют для преобразования переменного напряжения в постоянный, и такие приборы называют выпрямительными.

Работа диода и его вольт амперная характеристика (ВАХ)

Зависимость тока, проходящего через электронно-дырочный переход, от величины и полярности напряжения изображают в виде кривой, называемой ВАХ

Она состоит из двух ветвей: прямая ветвь — соответствует прямому току через диод, и обратная ветвь, соответствующая обратному току.

Прямая ветвь графика круто поднимается вверх и характеризует быстрый рост прямого тока с ростом значения прямого напряжения. Обратная ветвь, наоборот следует почти параллельно горизонтальной оси и характеризует медленный рост Iобр. Чем ближе к вертикальной оси прямая ветвь и чем ближе к горизонтальной оси обратная ветвь, тем лучше выпрямительные свойства полупроводника. Наличие Iобр является недостатком. Из кривой ВАХ видно, что Iпр во много больше Iобр.

Как мы видим из графика с увеличением прямого напряжения через электронно-дырочный переход ток сначало возрастает медленно, а затем гораздо быстрее.

Но такое резкое увеличение тока нагревает молекулы полупроводника. И если количество тепла будет выше отводимого от кристалл, то могут случится необратимые изменения и разрушение кристаллической решетки.

Поэтому необходимо использовать ограничительное сопротивление включенное последовательно.

При сильном увеличении обратного напряжения, может произойти пробой электронно-дырочного прибора. Даже существуют специальные полупроводниковые приборы называемые стабилитронами в которых применяется это свойство.

Работа диода — пробой p-n перехода

Пробой p-n перехода это явление резкого возрастания обратного тока при достижении обратным напряжением определенного критического уровня. Тепловые пробои в свою очередь делятся на электрический и тепловой, а электрический пробой бывает туннельный и лавинный.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector