Параллельное соединение диодов что дает: 16. Параллельное и последовательное соединение диодов

16. Параллельное и последовательное соединение диодов

При выпрямлении высоких напряжений приходится соединять диоды последовательно, чтобы обратное напряжение на каждом диоде не превышало предельного. Но вследствие разброса обратных сопротивлений у различных экземпляров диодов одного и того же типа на отдельных диодах обратное напряжение может оказаться выше предельного, что повлечёт пробой диодов.

Для того, чтобы обратное напряжение распределялось равномерно, между диодами, независимо от их обратных сопротивлений, применяют шунтирование резисторами. Сопротивления R_Ш резисторов должны быть одинаковы и значительно меньше наименьшего из обратных сопротивлений диодов. Но вместе с тем R_Ш не должно быть слишком малым, чтобы чрезмерно не возрос ток при обратном напряжении, т.е. чтобы не ухудшилось выпрямление.

Параллельное соединение диодов применяют в том случае, когда нужно получить прямой ток, больший предельного тока одного диода. Но если диоды одного типа просто соединить параллельно, то вследствие неодинаковости вольт-амперных характеристик они окажутся различно нагруженными и в некоторых ток будет больше предельного.

Уравнительные резисторы R_У подбирают экспериментально до получения в рабочем режиме одинаковых токов в диодах.

17. Применение выпрямительных диодов.

Выпрямительными называют полупроводниковые диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный. Выпрямление переменного тока с помощью полупроводникового диода основано на его односторонней электропроводности. Она заключается в том, что диод оказывает очень малое сопротивление току, протекающему в одном (прямом) направлении, и очень большое сопротивление току, протекающему в другом (обратном) направлении.

Чем больше площадь р-n-перехода, тем большей силы ток можно через него пропускать, не опасаясь теплового пробоя и порчи диода. Поэтому в выпрямительных полупроводниковых диодах используются плоскостные р-n-переходы. Плоскостной р-n-переход получают, вводя в полупроводник р- или n-типа примеси, создающие в нем область с противоположным типом электропроводности. Примеси можно вводить путем сплавления или диффузии. Диоды с использованием р-n-переходов, полученных методом сплавления, называются сплавными, а методом диффузии — диффузионными.

Выпрямление переменного напряжения (тока) с помощью диода иллюстрируется рис. 3.9. В течение положительного полупериода входного напряжения U1 диод V включен в прямом направлении, сопротивление его мало и на нагрузке

Rн напряжение U2 практически равно входному напряжению. При отрицательном полупериоде входного напряжения диод включен в обратном направлении, его сопротивление оказывается значительно больше, чем сопротивление нагрузки, и почти все входное напряжение падает на диоде, а напряжение на нагрузке близко к нулю. В данной схеме для получения выпрямленного напряжения используется лишь один полупериод входного напряжения, поэтому такой выпрямитель называется однополупериодным.

Используем параллельное соединение нескольких MAX40200 в качестве идеального диода

14 января 2019

В данной статье рассматривается возможность использования нескольких интегральных схем (ИС) MAX40200 производства Maxim Integrated в параллельном подключении, а также их комбинированные параметры. Совместное применение нескольких ИС MAX40200 в роли идеального диода

должно суммарно обеспечивать такие же характеристики, как и у одного более крупного устройства.

Общие рекомендации

MAX40200 – это идеальный диодный токовый переключатель с настолько малым падением напряжения прямого смещения на полупроводниковом переходе, что оно почти на порядок меньше, чем у диодов Шоттки. В MAX40200 реализована защита самой ИС и подключенных к выходу цепей от превышения температуры. В отключенном состоянии (на выводе EN установлен низкий уровень) ИС блокирует прямое и обратное напряжения до 6 В, что делает ее пригодной для большинства низковольтных портативных электронных устройств. При обратном смещении диодного перехода MAX40200 ток утечки меньше, чем у многих сопоставимых диодов Шоттки. MAX40200 работает с напряжением питания 1,5…5,5 В.

Идеальный интегральный диод MAX40200 имеет целый ряд преимуществ, среди которых:

• незначительный ток в дежурном режиме – 7 мкА;
• малая рассеиваемая мощность – всего 125 мкА при токе 1 А;
• небольшое падение напряжения (примерно 18 мВ) для прямого тока – до 100 мА;
• время переключения между прямым и обратным напряжением смещения – менее 100 мкс;
• компактный корпус типа WLP с четырьмя выводами;
• отпирающий/запирающий сигнал и тепловая защита.

Одной из важных особенностей ИС MAX40200, применяемой в качестве идеальных диодов, является использование MOSFET вместо обычной биполярной полупроводникой технологии, что позволяет, по сути, обеспечить для нагрузки гальваническую развязку по току. В данной статье исследуются характеристики нескольких параллельно соединенных ИС MAX40200.

Комплект из нескольких идеальных диодов должен обеспечивать те же характеристики, что и один более мощный диод. Для этого необходимо подобрать некоторое количество MAX40200. Например, можно использовать две параллельно соединенных ИС для системы на 2 А и, соответственно, четыре параллельных ИС для системы на 4 А.

Экспериментальные результаты

На рисунке 1 показаны четыре параллельно подключенных MAX40200, которые обеспечивают ток до 4 А. Если все ИС размещены близко друг к другу, то они имеют почти одинаковую температуру. И, следовательно, при одинаковой температуре должны иметь сходные характеристики. На рисунке 2 показана зависимость падения прямого напряжения на ИС от протекающего постоянного тока. На рисунке 3 сравниваются графики зависимости напряжения от тока для одной и четырех ИС MAX40200, подтверждающие, что характеристики для одного устройства MAX40200 и для четырех MAX40200 очень похожи.

Рис. 1. Типичная схема параллельного подключения диодов для увеличения нагрузочной способности цепи по току

Рис. 2. Зависимость прямого падения напряжения на MAX40200 от величины протекающего через них прямого тока

Рис. 3. Сравнение характеристик одного и четырех MAX40200

На рисунке 4 представлена схема с открытием и закрытием диодов для протекающего тока. На рисунках 5 и 6 представлены наблюдаемые результаты.

Рис. 4. Схема включения/выключения диодов

Рис. 5. Переходные процессы при открытом диоде (I_FWD = 4 A)

Рис. 6. Переходные процессы при открытом/закрытом диоде (I_FWD = 4 A)

 

Обратите внимание, что V_IN на рисунке 5 представляет важный переходный процесс. Это связано с тем, что переходная характеристика меняющейся нагрузки источника питания используется при токе 0…4 А. Этот переходный процесс также виден на V_LOAD.

На рисунке 7 представлена схема для измерения переходных характеристик на нагрузке.

Здесь могут возникать условия для появления кратковременной повышенной нагрузки, когда проводящее устройство должно быть способным обеспечить необходимый ток с незначительными колебаниями V_FWD. Это связано с тем, что V_LOAD (V) обычно является источником питания для последующих цепей. На рисунке 8 показаны переходные процессы при изменяющейся нагрузке.

Рис. 7. Схема для контроля переходных процессов на нагрузке

Рис. 8. Переходные процессы на нагрузке (I_FWD = 200 мА…3,8 A)

В показанной на рисунке 9 схеме используется стандартный диод Шоттки CMCH5-20 (20 В, 5 А) вместе с четырьмя ИС MAX4200. Переходный процесс создан на участке V_IN2, чтобы имитировать вариант схемы диодного «ИЛИ» для выбора пути тока.

Рис. 9. Диодная схема «ИЛИ» на основе стандартного диода и четырех устройств MAX40200

Когда V_IN2 (3,3 В) меньше чем V

IN1 (3,6 В), выбранным источником напряжения будет V_IN1 и диод D1 оказывается обратносмещенным. Когда V_IN2 будет более 3,6 В, D1 переходит в проводящее состояние, а U1…U4 выключаются. На рисунках 10а и 10б отображены переходные характеристики схемы, представленной на рисунке 9.

Рис. 10. Переходные характеристики диодного соединения «ИЛИ»

Особенности трассировки печатной платы

На рисунке 11 показан типичный пример размещения дорожек на печатной плате для четырех параллельно соединенных ИС MAX40200. Как видно, цепи V_DD и OUT на плате имеют медные площадки большого размера для уменьшения сопротивления и плотности тока. Обе цепи – V_DD и OUT – размещены на верхней стороне платы без использования межслойных перемычек. Поскольку физический механизм, обеспечивающий разделение тока нагрузки, является тепловым, параллельно соединенные идеальные диоды должны располагаться как можно ближе друг к другу. Учитывая вероятность повышенных токов или отсутствия параллельно подключенных компонентов, следует использовать печатную плату с наиболее толстым слоем меди.

Это помогает лучше рассеивать выделяющееся тепло и уменьшает падение напряжения при высоких токах. Обратите внимание, что корпус WLP оптимален для параллельного соединения нескольких устройств – этому способствуют его небольшие размеры и хорошая теплопроводность.

Рис. 11. Пример компоновки печатной платы

Как показано на рисунке 12, отдельные компоненты размещены с зазором в 12 мм, что гарантирует термическую равноценность всех ИС MAX40200. Параллельно соединенные ИС следует защитить от повышенного теплового воздействия внешних источников тепла. В противном случае все работающие при высокой температуре устройства будут иметь повышенное R_ON. Неравномерное распределение температуры на плате под установленными ИС приводит к неравному разделению тока. Не рекомендуется использовать переходные отверстия на основных проводящих участках платы (V

DD или OUT), так как они добавляют паразитную индуктивность и увеличивают эффективное R_ON в основной цепи, таким образом повышая прямое падение напряжения (V_FWD).

Рис. 12. Расстояние между размещенными рядом MAX40200

На рисунке 13 показана разница температур окружающей среды и платы с параллельно соединенными MAX40200. Обратите внимание что разность температур прямо пропорциональна прямому току нагрузки, проходящему через эти устройства. Данный результат был получен на плате, изображенной на рисунке 12.

Рис. 13. Температура печатной платы, изменяющаяся в зависимости от температуры окружающей среды

Почему так хорошо работают блоки из нескольких параллельных диодов

Сопротивление открытого канала MOSFET имеет резко положительный температурный коэффициент, который гарантирует, что более горячий MOSFET имеет большее сопротивление, чем более холодный, что приводит к протеканию через него немного повышенного тока. Поэтому для двух таких MOSFET устанавливается тепловой баланс, соответствующий токовому балансу. Такой тепловой баланс гарантируется правильной компоновкой печатной платы. Вообще, плотное размещение компонентов является обоснованным. Но если на плате есть другое устройство, которое рассеивает много тепла, то вызванный им тепловой градиент изменяет баланс распределения тока для параллельно соединенных идеальных диодов.

Разница между обычным корпусом и WPL – корпусом на базе подложки кристалла

Описанное выше исследование было проведено для корпуса WLP (Wafer Level Package) и является оптимальным для параллельного использования нескольких корпусов, поскольку очень малый размер, электрические характеристики этого типа интегральной упаковки и хорошая теплопроводность позволяют обеспечить достаточную термическую связь, чтобы сделать такой подход более удобным с практической точки зрения.

Из-за более высокого теплового сопротивления в корпусе типа SOT23 (обусловленного сопротивлением внутреннего соединения проводов) распределение тока и прямое падение напряжения (V_FWD) –несколько хуже, чем в случае с корпусом WPL. Значительное влияние, даже при плотно размещенных корпусах типа SOT, оказывают и любые дополнительные перепады температур. Для идеальных диодов в таком корпусе рекомендуется понизить размеры до 75% от указанных в спецификации.

Заключение

Интегральный диод MAX40200 одинаково хорошо показал себя при параллельном соединении как двух, так и четырех ИС. И статические, и переходные характеристики показывают, что распределение тока является близким к поведению идеального диода, а переходные характеристики не ухудшаются. Несколько MAX40200 могут быть применены в тех случаях, когда требуется повышенный ток или пониженное падение напряжения.

Оригинал статьи

•••

Наши информационные каналы

Последовательное и параллельное соединение выпрямительных диодов — Студопедия

При выпрямлении более высоких напряжений приходится соединять дио­ды последовательно, с тем, чтобы обрат­ное напряжение на каждом диоде не превышало предельного. Но вследствие разброса обратных сопротивлений у раз­личных экземпляров диодов одного и того же типана отдельных диодах обратное напряжение может оказаться выше предельного, что повлечет пробой диодов. Поясним это примером.

Пусть в некотором выпрямителе амплитуда обратного напряжения сос­тавляет 1000 В и применены диоды с U_{обр max} = 400 В. Очевидно, что необ­ходимо соединить последовательно не менее трех диодов. Предположим, что обратные сопротивления диодов R_о6р1, = R_обр2 = 1 МОм и R_о6р3 = 3 МОм. Обратное напряжение распределяется пропорционально обратным сопротивле­ниям, и поэтому получится U_о6р1, = U_обр2 = 200 В и U_о6р3, = 600 В.

На третьем диоде (кстати говоря, он явля­ется лучшим, так как у него наиболь­шее R_обр) обратное напряжение выше предельного, и он может быть пробит. Если это произойдет, то напряжение 1000 В распределится между оставши­мися диодами и на каждом из них будет 500 В. Ясно, что любой из этих диодов может пробиться, после чего все обратное напряжение 1000 В будет при­ложено к одному диоду, который его не выдержит. Такой последовательный пробой диодов иногда происходит за доли секунды.

Для того чтобы обратное напряжение распределялось равномерно между диодами независимо от их обратных сопротивлений, применяют шунтирова­ние диодов резисторами (рисунок 2.24).

Рисунок 2.24 – Последовательное соединение диодов

Сопротивления R_шрезисторов должны быть одинаковы и значительно меньше наименьшего из обратных сопротивле­ний диодов. Но вместе с тем R_шне должно быть слишком малым, чтобы чрезмерно не возрос ток при обратном напряжении, т. е. чтобы не ухудшилось выпрямление. Для рассмотренного при­мера можно взять резисторы с сопро­тивлением 100 кОм.

Тогда при обратном напряжении сопротивление каждого участка цепи, состоящего из диода и шунтирующего резистора, будет не­сколько меньше 100 кОм и общее об­ратное напряжение разделится между этими участками примерно на три рав­ные части. На каждом участке это напряжение окажется меньше 400 В и диоды будут работать надежно. Обыч­но шунтирующие резисторы имеют сопротивление от нескольких десятков до нескольких сотен килоом.

Параллельное соединение диодов применяют в том случае, когда нужно получить прямой ток, больший предель­ного тока одного диода. Но если диоды одного типа просто соединить парал­лельно, то вследствие неодинаковости вольт-амперных характеристик они ока­жутся различно нагруженными и в не­которых ток будет больше предельного. Различие в прямом токе у однотипных диодов может составлять десятки про­центов.

Для примера на рисунке 2.25, а показа­ны характеристики прямого тока двух диодов одного и того же типа, у кото­рых I_{пр max} = 0,2 А. Пусть от этих дио­дов требуется получить прямой ток 0,4 А. Если их соединить параллельно, то при токе 0,2 А на первом диоде напряжение равно 0,4 В (кривая 1). А на втором диоде при таком же напряжении ток будет лишь 0,05 А (кривая 2). Таким образом, общий ток составит 0,25 А, а не 0,4 А. Увеличивать напряжение на диодах нельзя, так как в первом диоде ток станет больше предельного.

Рисунок 2.25 – Параллельное соединение диодов

Из характеристик видно, что для получения во втором диоде тока 0,2 А надо иметь на нем напряжение 0,5 В, т. е. на 0,1 В больше, чем на первом диоде. Поэтому, чтобы установить пра­вильный режим работы диодов, надо подвести к ним напряжение 0,5 В, но последовательно с первым диодом включить уравнительный резистор (рисунок 2.25, б) – сцелью поглощения из­лишнего для первого диода напряжения 0,1 В. Ясно, что сопротивление этого резистора R_у = 0,1 : 0,2 = 0,5 Ом. При наличии такого резистора оба диода будут нагружены одинаково током в 0,2 А.

Практически редко включают парал­лельно больше трех диодов. Уравни­тельные резисторы с сопротивлением в десятые доли ома или единицы ом обычно подбирают экспериментально до получения в рабочем режиме одинако­вых токов в диодах. Иногда включают уравнительные резисторы с сопротивле­нием, в несколько раз большим, чем прямое сопротивление диодов, для того чтобы ток в каждом диоде определялся главным образом сопротивлением R_у.

Но в этом случае происходит допол­нительное падение напряжения на R_y, превышающее в несколько раз прямое напряжение диодов, и КПД, конечно, снижается. Если нежелательно вклю­чать уравнительные резисторы, то надо подобрать диоды с примерно одинако­выми характеристиками. Однако реко­мендуется по возможности не прибегать к параллельному соединению диодов.

Параллельное соединение диодов шоттки – Морской флот

При выпрямлении более высоких напряжений приходится соединять дио­ды последовательно, с тем, чтобы обрат­ное напряжение на каждом диоде не превышало предельного. Но вследствие разброса обратных сопротивлений у раз­личных экземпляров диодов одного и того же типана отдельных диодах обратное напряжение может оказаться выше предельного, что повлечет пробой диодов. Поясним это примером.

Пусть в некотором выпрямителе амплитуда обратного напряжения сос­тавляет 1000 В и применены диоды с U_обрmax = 400 В. Очевидно, что необ­ходимо соединить последовательно не менее трех диодов. Предположим, что обратные сопротивления диодов R_о6р1, = R_обр2 = 1 МОм и R_о6р3 = 3 МОм. Обратное напряжение распределяется пропорционально обратным сопротивле­ниям, и поэтому получится U_о6р1, = U_обр2 = 200 В и U_о6р3, = 600 В.

На третьем диоде (кстати говоря, он явля­ется лучшим, так как у него наиболь­шее R_обр) обратное напряжение выше предельного, и он может быть пробит. Если это произойдет, то напряжение 1000 В распределится между оставши­мися диодами и на каждом из них будет 500 В. Ясно, что любой из этих диодов может пробиться, после чего все обратное напряжение 1000 В будет при­ложено к одному диоду, который его не выдержит. Такой последовательный пробой диодов иногда происходит за доли секунды.

Для того чтобы обратное напряжение распределялось равномерно между диодами независимо от их обратных сопротивлений, применяют шунтирова­ние диодов резисторами (рисунок 2.24).

Рисунок 2.24 – Последовательное соединение диодов

Сопротивления R_шрезисторов должны быть одинаковы и значительно меньше наименьшего из обратных сопротивле­ний диодов. Но вместе с тем R_шне должно быть слишком малым, чтобы чрезмерно не возрос ток при обратном напряжении, т. е. чтобы не ухудшилось выпрямление. Для рассмотренного при­мера можно взять резисторы с сопро­тивлением 100 кОм.

Тогда при обратном напряжении сопротивление каждого участка цепи, состоящего из диода и шунтирующего резистора, будет не­сколько меньше 100 кОм и общее об­ратное напряжение разделится между этими участками примерно на три рав­ные части. На каждом участке это напряжение окажется меньше 400 В и диоды будут работать надежно. Обыч­но шунтирующие резисторы имеют сопротивление от нескольких десятков до нескольких сотен килоом.

Параллельное соединение диодов применяют в том случае, когда нужно получить прямой ток, больший предель­ного тока одного диода. Но если диоды одного типа просто соединить парал­лельно, то вследствие неодинаковости вольт-амперных характеристик они ока­жутся различно нагруженными и в не­которых ток будет больше предельного. Различие в прямом токе у однотипных диодов может составлять десятки про­центов.

Для примера на рисунке 2.25, а показа­ны характеристики прямого тока двух диодов одного и того же типа, у кото­рых I_прmax = 0,2 А. Пусть от этих дио­дов требуется получить прямой ток 0,4 А. Если их соединить параллельно, то при токе 0,2 А на первом диоде напряжение равно 0,4 В (кривая 1). А на втором диоде при таком же напряжении ток будет лишь 0,05 А (кривая 2). Таким образом, общий ток составит 0,25 А, а не 0,4 А. Увеличивать напряжение на диодах нельзя, так как в первом диоде ток станет больше предельного.

Рисунок 2.25 – Параллельное соединение диодов

Из характеристик видно, что для получения во втором диоде тока 0,2 А надо иметь на нем напряжение 0,5 В, т. е. на 0,1 В больше, чем на первом диоде. Поэтому, чтобы установить пра­вильный режим работы диодов, надо подвести к ним напряжение 0,5 В, но последовательно с первым диодом включить уравнительный резистор (рисунок 2.25, б) – сцелью поглощения из­лишнего для первого диода напряжения 0,1 В. Ясно, что сопротивление этого резистора R_у = 0,1 : 0,2 = 0,5 Ом. При наличии такого резистора оба диода будут нагружены одинаково током в 0,2 А.

Практически редко включают парал­лельно больше трех диодов. Уравни­тельные резисторы с сопротивлением в десятые доли ома или единицы ом обычно подбирают экспериментально до получения в рабочем режиме одинако­вых токов в диодах. Иногда включают уравнительные резисторы с сопротивле­нием, в несколько раз большим, чем прямое сопротивление диодов, для того чтобы ток в каждом диоде определялся главным образом сопротивлением R_у.

Но в этом случае происходит допол­нительное падение напряжения на R_y, превышающее в несколько раз прямое напряжение диодов, и КПД, конечно, снижается. Если нежелательно вклю­чать уравнительные резисторы, то надо подобрать диоды с примерно одинако­выми характеристиками. Однако реко­мендуется по возможности не прибегать к параллельному соединению диодов.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Да какие ж вы математики, если запаролиться нормально не можете. 8256 – | 7223 – или читать все.

Параллельное соединение диодов Шоттки

Для публикации сообщений создайте учётную запись или авторизуйтесь

Вы должны быть пользователем, чтобы оставить комментарий

Создать учетную запись

Зарегистрируйте новую учётную запись в нашем сообществе. Это очень просто!

В данной статье рассматривается возможность использования нескольких интегральных схем (ИС) MAX40200 производства Maxim Integrated в параллельном подключении, а также их комбинированные параметры. Совместное применение нескольких ИС MAX40200 в роли идеального диода должно суммарно обеспечивать такие же характеристики, как и у одного более крупного устройства.

Общие рекомендации

MAX40200 – это идеальный диодный токовый переключатель с настолько малым падением напряжения прямого смещения на полупроводниковом переходе, что оно почти на порядок меньше, чем у диодов Шоттки. В MAX40200 реализована защита самой ИС и подключенных к выходу цепей от превышения температуры. В отключенном состоянии (на выводе EN установлен низкий уровень) ИС блокирует прямое и обратное напряжения до 6 В, что делает ее пригодной для большинства низковольтных портативных электронных устройств. При обратном смещении диодного перехода MAX40200 ток утечки меньше, чем у многих сопоставимых диодов Шоттки. MAX40200 работает с напряжением питания 1,5…5,5 В.

Идеальный интегральный диод MAX40200 имеет целый ряд преимуществ, среди которых:

• незначительный ток в дежурном режиме – 7 мкА;
• малая рассеиваемая мощность – всего 125 мкА при токе 1 А;
• небольшое падение напряжения (примерно 18 мВ) для прямого тока – до 100 мА;
• время переключения между прямым и обратным напряжением смещения – менее 100 мкс;
• компактный корпус типа WLP с четырьмя выводами;
• отпирающий/запирающий сигнал и тепловая защита.

Одной из важных особенностей ИС MAX40200, применяемой в качестве идеальных диодов, является использование MOSFET вместо обычной биполярной полупроводникой технологии, что позволяет, по сути, обеспечить для нагрузки гальваническую развязку по току. В данной статье исследуются характеристики нескольких параллельно соединенных ИС MAX40200.

Комплект из нескольких идеальных диодов должен обеспечивать те же характеристики, что и один более мощный диод. Для этого необходимо подобрать некоторое количество MAX40200. Например, можно использовать две параллельно соединенных ИС для системы на 2 А и, соответственно, четыре параллельных ИС для системы на 4 А.

Экспериментальные результаты

На рисунке 1 показаны четыре параллельно подключенных MAX40200, которые обеспечивают ток до 4 А. Если все ИС размещены близко друг к другу, то они имеют почти одинаковую температуру. И, следовательно, при одинаковой температуре должны иметь сходные характеристики. На рисунке 2 показана зависимость падения прямого напряжения на ИС от протекающего постоянного тока. На рисунке 3 сравниваются графики зависимости напряжения от тока для одной и четырех ИС MAX40200, подтверждающие, что характеристики для одного устройства MAX40200 и для четырех MAX40200 очень похожи.

Рис. 1. Типичная схема параллельного подключения диодов для увеличения нагрузочной способности цепи по току

Рис. 2. Зависимость прямого падения напряжения на MAX40200 от величины протекающего через них прямого тока

Рис. 3. Сравнение характеристик одного и четырех MAX40200

На рисунке 4 представлена схема с открытием и закрытием диодов для протекающего тока. На рисунках 5 и 6 представлены наблюдаемые результаты.

Рис. 4. Схема включения/выключения диодов

Рис. 5. Переходные процессы при открытом диоде (I_FWD = 4 A)

Рис. 6. Переходные процессы при открытом/закрытом диоде (I_FWD = 4 A)

Обратите внимание, что V_IN на рисунке 5 представляет важный переходный процесс. Это связано с тем, что переходная характеристика меняющейся нагрузки источника питания используется при токе 0…4 А. Этот переходный процесс также виден на V_LOAD.

На рисунке 7 представлена схема для измерения переходных характеристик на нагрузке. Здесь могут возникать условия для появления кратковременной повышенной нагрузки, когда проводящее устройство должно быть способным обеспечить необходимый ток с незначительными колебаниями V_FWD. Это связано с тем, что V_LOAD (V) обычно является источником питания для последующих цепей. На рисунке 8 показаны переходные процессы при изменяющейся нагрузке.

Рис. 7. Схема для контроля переходных процессов на нагрузке

Рис. 8. Переходные процессы на нагрузке (I_FWD = 200 мА…3,8 A)

В показанной на рисунке 9 схеме используется стандартный диод Шоттки CMCH5-20 (20 В, 5 А) вместе с четырьмя ИС MAX4200. Переходный процесс создан на участке V_IN2, чтобы имитировать вариант схемы диодного «ИЛИ» для выбора пути тока.

Рис. 9. Диодная схема «ИЛИ» на основе стандартного диода и четырех устройств MAX40200

Когда V_IN2 (3,3 В) меньше чем V_IN1 (3,6 В), выбранным источником напряжения будет V_IN1 и диод D1 оказывается обратносмещенным. Когда V_IN2 будет более 3,6 В, D1 переходит в проводящее состояние, а U1…U4 выключаются. На рисунках 10а и 10б отображены переходные характеристики схемы, представленной на рисунке 9.

Рис. 10. Переходные характеристики диодного соединения «ИЛИ»

Особенности трассировки печатной платы

На рисунке 11 показан типичный пример размещения дорожек на печатной плате для четырех параллельно соединенных ИС MAX40200. Как видно, цепи V_DD и OUT на плате имеют медные площадки большого размера для уменьшения сопротивления и плотности тока. Обе цепи – V_DD и OUT – размещены на верхней стороне платы без использования межслойных перемычек. Поскольку физический механизм, обеспечивающий разделение тока нагрузки, является тепловым, параллельно соединенные идеальные диоды должны располагаться как можно ближе друг к другу. Учитывая вероятность повышенных токов или отсутствия параллельно подключенных компонентов, следует использовать печатную плату с наиболее толстым слоем меди. Это помогает лучше рассеивать выделяющееся тепло и уменьшает падение напряжения при высоких токах. Обратите внимание, что корпус WLP оптимален для параллельного соединения нескольких устройств – этому способствуют его небольшие размеры и хорошая теплопроводность.

Рис. 11. Пример компоновки печатной платы

Как показано на рисунке 12, отдельные компоненты размещены с зазором в 12 мм, что гарантирует термическую равноценность всех ИС MAX40200. Параллельно соединенные ИС следует защитить от повышенного теплового воздействия внешних источников тепла. В противном случае все работающие при высокой температуре устройства будут иметь повышенное R_ON. Неравномерное распределение температуры на плате под установленными ИС приводит к неравному разделению тока. Не рекомендуется использовать переходные отверстия на основных проводящих участках платы (V_DD или OUT), так как они добавляют паразитную индуктивность и увеличивают эффективное R_ON в основной цепи, таким образом повышая прямое падение напряжения (V_FWD).

Рис. 12. Расстояние между размещенными рядом MAX40200

На рисунке 13 показана разница температур окружающей среды и платы с параллельно соединенными MAX40200. Обратите внимание что разность температур прямо пропорциональна прямому току нагрузки, проходящему через эти устройства. Данный результат был получен на плате, изображенной на рисунке 12.

Рис. 13. Температура печатной платы, изменяющаяся в зависимости от температуры окружающей среды

Почему так хорошо работают блоки из нескольких параллельных диодов

Сопротивление открытого канала MOSFET имеет резко положительный температурный коэффициент, который гарантирует, что более горячий MOSFET имеет большее сопротивление, чем более холодный, что приводит к протеканию через него немного повышенного тока. Поэтому для двух таких MOSFET устанавливается тепловой баланс, соответствующий токовому балансу. Такой тепловой баланс гарантируется правильной компоновкой печатной платы. Вообще, плотное размещение компонентов является обоснованным. Но если на плате есть другое устройство, которое рассеивает много тепла, то вызванный им тепловой градиент изменяет баланс распределения тока для параллельно соединенных идеальных диодов.

Разница между обычным корпусом и WPL – корпусом на базе подложки кристалла

Описанное выше исследование было проведено для корпуса WLP (Wafer Level Package) и является оптимальным для параллельного использования нескольких корпусов, поскольку очень малый размер, электрические характеристики этого типа интегральной упаковки и хорошая теплопроводность позволяют обеспечить достаточную термическую связь, чтобы сделать такой подход более удобным с практической точки зрения.

Из-за более высокого теплового сопротивления в корпусе типа SOT23 (обусловленного сопротивлением внутреннего соединения проводов) распределение тока и прямое падение напряжения (V_FWD) –несколько хуже, чем в случае с корпусом WPL. Значительное влияние, даже при плотно размещенных корпусах типа SOT, оказывают и любые дополнительные перепады температур. Для идеальных диодов в таком корпусе рекомендуется понизить размеры до 75% от указанных в спецификации.

Заключение

Интегральный диод MAX40200 одинаково хорошо показал себя при параллельном соединении как двух, так и четырех ИС. И статические, и переходные характеристики показывают, что распределение тока является близким к поведению идеального диода, а переходные характеристики не ухудшаются. Несколько MAX40200 могут быть применены в тех случаях, когда требуется повышенный ток или пониженное падение напряжения.

Параллельное соединение светодиодов, плюсы и минусы

Подключение одного светодиода никогда не создаст больших проблем. Что делать, если необходимо запитать два, три, четыре и более светодиодов? Верно. Нужно собрать LEDs в строку ( цепочку ). Соединения могут быть нескольких типов: параллельное соединение светодиодов, последовательное соединение светодиодов и параллельно-последовательное. Напишу несколько слов об этих соединениях. Авось кому-нибудь пригодится.

Для тех, кто еще не знает — самым оптимальным является последовательное соединение светодиодов. В этом случае ток на каждом LED, соединенном последовательно, будет одинаковым. Такое соединение нам позволяет легко контролировать токи.

Однако, не смотря на это, существуют источники питания, мощность которого не позволит запитать последовательные светодиоды. В этом случае нам и поможет параллельное соединение светодиодных источников.

Параллельное соединение светодиодов не правильное

---

Параллельное соединение светодиодов используют, когда напряжение блока питания (источника) не хватает, для того, чтобы запитать ряд последовательных светодиодов. Если «конкретно теоретически», то параллельно светодиоды можно подключать и «тупо» — соединить все аноды и катоды LEDs. После чего подключить их к батарее и вуаля… Светодиоды горят! Причем единожды и на краткое время при подключении. Далее — конец им.

Такая схема подключения параллельно светоизлучающих диодов — не работоспособна, ввиду того, сопротивление диода маленькое и спокойно провоцирует режим КЗ (короткого замыкания).

Сразу откину некоторых злопыхателей. Есть, конечно, исключения… Ими грешат китайские производители дешевизны. Но это исключение из правил. Если кто-то разбирал китайские игрушки или зажигалки, то наверняка видел именно такую схему подключения. Где диоды подключены параллельно, не имея в свей цепи никаких посторонних электронных компонентов. Почему? Да все просто — в таких цепях ток ограничивается внутренним сопротивлением батареек AG1 (таблетка). Мощность в таких таблетках минимальна и не может нанести вред диоду. Т.е. мы опять приходим к выводу, что для нормального функционирования, диодам нужен резистор.

Повторюсь еще раз — параллельное соединение светодиодов используют только тогда, когда источник питания низковольтный.

Не смотря на то, что такой тип соединения не очень приветствуется, его частенько используют. В таких типах соединений есть одно правило — параллельное соединение светодиодов никогда не происходит с использованием ТОЛЬКО ОДНОГО резистора!!!

Ну или для тех, кто понимает только визуальные картинки, то не правильное параллельное соединение будет выглядеть так:

К сожалению, не смотря на то. что такое подключение не правильное, опять же, вездесущие китайцы тоже используют его во всю… Особенно в фонариках. Для этого им завышают номинал резистора, дабы не было перегрузки и товар преспокойненько может проработать год… А может и не проработать… Тут уж как повезет.

Естественно, возникает вопрос — ПОЧЕМУ нельзя соединять так? А дело тут простое…

Расчет сопротивления при параллельном соединении светодиодов

---

Рассмотрим параллельное соединение светодиодов на примере двух источников питания. Данные будут получены из расчета удвоенного значения потребляемого тока. Т.е. ограничивающий резистор имеет в двое меньшее сопротивление, нежели. если бы мы запитывали один светодиод. В любом случае стоит помнить, что двух одинаковых LED не бывает, не смотря даже на то, если они выпущены одним заводом и из одной партии. Все диоды имеют разброс по потребляемому току, внутреннему сопротивлению. Кристалл с меньшим сопротивлением возьмет больше тока. Таким образом возникнет некий перекос. Это можно определить визуально. С большим потреблением диод буде светиться сильнее, с меньшим слабее. Если диоды из одной партии, то перекос не будет сильно заметен, а если LEDs еще и от разных производителей, то вполне возможна ситуация когда диод перегорит.

Вернемся «к нашим баранам»… Резистор рассчитывается на двойное потребление тока, а следовательно при перегорании одного — второй получает удвоенное напряжение и удвоенный ток. Это тоже критично. Причем, тут больше играет роль ток, а не напряжение как таковое. Данное правило справедливо не только для параллельного соединения двух светодиодов, но также и для большего количества с одним резистором. При перегорании одного, остальные выйдут из строя в самые короткие сроки, из-за пропорционально растущего напряжения и тока.

Расчет резисторов для последовательного соединения светодиодов калькулятором и резистора для единичного светодиода теперь можно быстро посчитать на нашем сайте, пройдя по ссылкам.

Правильное параллельное соединение светодиодов

---

На картинке показано правильное параллельное соединение светодиодов. От варианта с одним резистором, данный способ отличается тем, что каждый диод соединяют в параллель через свой резистор. Такое соединение не позволит появиться перекосу. Даже, если по каким-то причинам светодиод перегорит, второй не получит увеличенного напряжения.

Плюсы и минусы параллельного соединения светодиодов

---

Большим плюсом параллельного соединения стоит отметить, что в случае правильного соединения светодиодов при перегорании одного из них, остальные будут работать. Диоды будут работать если и большее количество LEDs перегорит, здесь основным остается правило — чтобы работала хотя бы одна ветка. При последовательном соединении светодиодов выход из строя одного из них приведет к тому, что строка из последовательно соединенных чипов перестанет светиться.

Параллельное соединение позволяет соединить от двух и более светодиодов. Ограничения могут возникнуть только по мощности батареи (источника питания) и габаритов самого прибора, в который вы захотите поместить свое «детище».

Минусом параллельного соединения светодиодов отметим — удорожание конструкции, за счет того, что в цепи появляются новые элементы. В результате конечный продукт может оказаться достаточно громоздким.

Стоит представить себе елочную гирлянду с таким соединением диодов… Для ее работоспособности придется соединять еще один проводник к паре светодиод-резистор. Поэтому 99,9 % всех гирлянд собраны из последовательно соединенных светодиодов.

Видео на тему параллельного соединения светодиодов (если перегорит один из светодиодов)

---

Хочу дать Вам посмотреть видео о том, что же будет, если один из параллельно соединенных светодиодов перегорит. Это как раз к тому, что мы сегодня и обсуждали

 

Последовательное и параллельное соединение выпрямительных диодов

При выпрямлении более высоких напряжений приходится соединять дио­ды последовательно, с тем, чтобы обрат­ное напряжение на каждом диоде не превышало предельного. Но вследствие разброса обратных сопротивлений у раз­личных экземпляров диодов одного и того же типа на отдельных диодах обратное напряжение может оказаться выше предельного, что повлечет пробой диодов. Поясним это примером.

Пусть в некотором выпрямителе амплитуда обратного напряжения сос­тавляет 1000 В и применены диоды с U_{обр max} = 400 В. Очевидно, что необ­ходимо соединить последовательно не менее трех диодов. Предположим, что обратные сопротивления диодов R_о6р1, = R_обр2 = 1 МОм и R_о6р3 = 3 МОм. Обратное напряжение распределяется пропорционально обратным сопротивле­ниям, и поэтому получится U_о6р1, = U_обр2 = 200 В и U_о6р3, = 600 В. На третьем диоде (кстати говоря, он явля­ется лучшим, так как у него наиболь­шее R_обр) обратное напряжение выше предельного, и он может быть пробит. Если это произойдет, то напряжение 1000 В распределится между оставши­мися диодами и на каждом из них будет 500 В. Ясно, что любой из этих диодов может пробиться, после чего все обратное напряжение 1000 В будет при­ложено к одному диоду, который его не выдержит. Такой последовательный пробой диодов иногда происходит за доли секунды.

Рисунок 2.26 – Последовательное соединение диодов

Для того чтобы обратное напряжение распределялось равномерно между диодами независимо от их обратных сопротивлений, применяют шунтирова­ние диодов резисторами (рисунок 2.26). Сопротивления R _шрезисторов должны быть одинаковы и значительно меньше наименьшего из обратных сопротивле­ний диодов. Но вместе с тем R _шне должно быть слишком малым, чтобы чрезмерно не возрос ток при обратном напряжении, т. е. чтобы не ухудшилось выпрямление. Для рассмотренного при­мера можно взять резисторы с сопро­тивлением 100 кОм. Тогда при обратном напряжении сопротивление каждого участка цепи, состоящего из диода и шунтирующего резистора, будет не­сколько меньше 100 кОм и общее об­ратное напряжение разделится между этими участками примерно на три рав­ные части. На каждом участке это напряжение окажется меньше 400 В и диоды будут работать надежно. Обыч­но шунтирующие резисторы имеют сопротивление от нескольких десятков до нескольких сотен килоом.

Параллельное соединение диодов применяют в том случае, когда нужно получить прямой ток, больший предель­ного тока одного диода. Но если диоды одного типа просто соединить парал­лельно, то вследствие неодинаковости вольт-амперных характеристик они ока­жутся различно нагруженными и в не­которых ток будет больше предельного. Различие в прямом токе у однотипных диодов может составлять десятки про­центов.

Для примера на рисунке 2.27, а показа­ны характеристики прямого тока двух диодов одного и того же типа, у кото­рых I_{пр max} = 0,2 А. Пусть от этих дио­дов требуется получить прямой ток 0,4 А. Если их соединить параллельно, то при токе 0,2 А на первом диоде напряжение равно 0,4 В (кривая 1). А на втором диоде при таком же напряжении ток будет лишь 0,05 А (кривая 2). Таким образом, общий ток составит 0,25 А, а не 0,4 А. Увеличивать напряжение на диодах нельзя, так как в первом диоде ток станет больше предельного.

Рисунок 2.27 – Параллельное соединение диодов

Из характеристик видно, что для получения во втором диоде тока 0,2 А надо иметь на нем напряжение 0,5 В, т. е. на 0,1 В больше, чем на первом диоде. Поэтому, чтобы установить пра­вильный режим работы диодов, надо подвести к ним напряжение 0,5 В, но последовательно с первым диодом включить уравнительный резистор (рисунок 2.27, б) – с целью поглощения из­лишнего для первого диода напряжения 0,1 В. Ясно, что сопротивление этого резистора R_у = 0,1:0,2 = 0,5 Ом. При наличии такого резистора оба диода будут нагружены одинаково током в 0,2 А.

Практически редко включают парал­лельно больше трех диодов. Уравни­тельные резисторы с сопротивлением в десятые доли ома или единицы ом обычно подбирают экспериментально до получения в рабочем режиме одинако­вых токов в диодах. Иногда включают уравнительные резисторы с сопротивле­нием, в несколько раз большим, чем прямое сопротивление диодов, для того чтобы ток в каждом диоде определялся главным образом сопротивлением R _у . Но в этом случае происходит допол­нительное падение напряжения на R_y ,, превышающее в несколько раз прямое напряжение диодов, и КПД, конечно, снижается. Если нежелательно вклю­чать уравнительные резисторы, то надо подобрать диоды с примерно одинако­выми характеристиками. Однако реко­мендуется по возможности не прибегать к параллельному соединению диодов.

 

Импульсные диоды

 

Во многих современных радиоэлектронных устройствах полупровод-никовые диоды часто работают в импульсном режиме (импульсных цепях) при длительности импульсов, равной единицам или долям микросекунды. От выпрямительных диодов они отличаются малыми емкостями p-n переходов (доли микроварад). Рассмотрим особенности этого режима на примере, когда диод соединен последовательно с нагрузкой, сопротивление которой R_н во много раз больше прямого сопротивления диода (R_н» R_пр ) (рисунок 2.28). Пусть такая цепь находится под действием импульсного напряжения, которое состоит из короткого импульса прямого напряжения (положительного импульса), отпирающего диод, и более длительного импульса обратного напряжения (отрицательного импульса), надежно запирающего диод до прихода следующего положительного импульса. Импульсы напряжения имеют прямоугольную форму (рисунок 2.28, а).

График тока, а следовательно, и пропорционального ему напряжения на показан для этого случая на рисунке 2.28, б. При прямом напряжении ток в цепи определяется сопротивлением R_н. Хотя прямое сопротивление диода нелинейно, но оно почти не влияет на ток, так как во много раз меньше R_н. Поэтому импульсы прямого тока почти не искажены. Некоторые сравнительно небольшие искажения могут наблюдаться только при очень коротких (длитель­ностью в доли микросекунды) импульсах.

При перемене полярности напряжения, т. е. при подаче обратного напряжения, диод запирается не сразу, а в течение некоторого времени проходит им­пульс обратного тока (рисунок 2.28, б), значительно превосходящий по амплитуде обратный ток в установившемся режиме i_{обр. уст}.

 
Рисунок 2.28 – Импульсный режим работы диода

Главная причина это разряд диффузионной емкости, т. е. рассасывание зарядов, образованных подвижными носителями в n- и р-областях. Поскольку концентрации примесей в этих областях обычно, весьма различны, то практически импульс обратного тока создается рассасыванием заряда, накопленного в базе, т. е. в области с относительно малой проводимостью. Например, если n-область является эмиттером, а р-область – базой, то при прямом токе можно пренебречь потоком дырок из р-области в n-область и рассматривать только поток электронов из n-области в р-область.

Этот диффузионный поток через переход вызывает накопление электронов в р-области, так как они не могут сразу рекомбинировать с дырками

или дойти до вывода от р-области. При перемене полярности напряжения накопленный в базе заряд начинает двигаться в обратном направлении и возникает импульс обратного тока. Чем больше был прямой ток, тем больше электронов накапливалось в базе и тем сильнее импульс обратного тока. Двигаясь от базы обратно в эмиттер, электроны частично рекомбинируют с дырками, а частично проходят через n-область до металлического вывода от этой области.

Исчезновение (рассасывание) заряда, накопленного в базе, длится некоторое время. К концу рассасывания обратный ток достигает своего установившегося, весьма малого, значения i_обруст. Иначе можно сказать, что обратное сопротивление диода R_обр сначала оказывается сравнительно небольшим, а затем постепенно возрастает до своего нормального установившегося значения.

Время τ_вос от момента возникновения обратного тока до момента, когда он принимает установившееся значение, называют временем восстановления обратного сопротивления. Это время – важный параметр диодов, предназначенных для импульсной работы. У таких диодов τ_вос не превышает десятых долей микросекунды. Чем оно меньше, тем лучше: тогда диод быстрее запирается.

Вторая причина возникновения импульса обратного тока – заряд барьерной емкости диода под действием обратного напряжения. Зарядный ток этой емкости складывается с током рассасывания заряда, и в результате получается суммарный импульс обратного тока, который тем больше, чем больше емкость диода. Эта емкость у специальных диодов для импульсной работы не превышает единиц пикофарад.

Если импульс прямого тока имеет длительность значительно большую, чем длительность рассмотренных переходных процессов, то импульс обратного тока получается во много раз более коротким (рисунок 2.28, в) и его можно не принимать во внимание.

Уменьшение емкостей достигается за счёт уменьшения площадей p-n переходов. Для уменьшения τ_вос диоды изготавливают так, чтобы ёмкость перехода была малой и рекомбинация носителей происходила как можно быстрее. Допускаются мощности рассеяния у них невелики (30-40 мВт).

По способу создания р-n переходов импульсные диоды подразделяются на точечные, сплавные, меза- и планарно-диффузионные [7].

В быстродействующих импульсных цепях широко используются диоды Шотки. У этих диодов не затрачивается время на накопление и рассасывание зарядов в базе. ВАХ диодов Шотки напоминает характеристику диодов на основе p-n переходов. Отличие состоит в том, что прямая ветвь в пределах 8-10 декад приложенного напряжения (декада – изменение значения в 10 раз) представляет почти идеальную экспонициальную кривую, а обратные токи малы (доли-десятки нА[1]).

Большинство конструкций импульсных диодов имеет металлостеклянный или стеклянный корпус.

На рисунке 2.29 показана конструкция германиевых импульсных микросплавных диодов 1Д508А, ГД508А, ГД508Б, предназначенных для применения в сверхбыстрых действующих формирователях импульсов. Выпускаются диоды в стеклянном корпусе. Масса диода не более 0,2 г.

 

 

Рисунок 2.29 – Конструкция германиевых импульсных микросплавных диодов 1Д508А, ГД508А, ГД508Б

 

На рисунке 2.30 показана конструкция кремниевого диффузионного импульсного диода КД805А, предназначенного для применения в импульсных схемах. Выпускаются диоды в металлическом корпусе с гибкими выводами. Диод обозначается на корпусе продольной полосой красного цвта. Масса диода не более 0,15 г.

 

Рисунок 2.30 – Конструкция кремниевого диффузионного импульсного диода КД805А

Импульсные диоды обладают следующими основными параметрами:

1. Общая ёмкость диода С_д (доли nФ – несколько пФ)

2. Максимальная импульсное прямое напряжение U_{пр и max} (единицы В)

3. Максимально допустимый импульсный ток I_{пр и max} (сотни mA)

4. Время установления прямого напряжения t_уст – время от момента подачи импульса прямого тока до достижения заданного значения прямого напряжения на нём (доли нс – доли мкс). Это время Зависит от скорости движения внутрь базы инпретированных через переход неосновных носителей, в результате которого наблюдается уменьшене её сопротивления.

5. Время восстановления обратного сопротивления диода t_вост (τ_вост.)

Изготовление р-n-переходов методом диффузии примесей значительно улучшает параметр t_вост.

Стабилитроны

Как было показано в пункте 1.3.5 вольт-амперная характеристика полупроводниковых диодов в области электрического пробоя имеет участок, который может быть использован для стабилизации напряжения. Такой участок у кремниевых плоскостных диодов соответствует изменениям обратного тока в широких пределах. При этом до наступления пробоя обратный ток очень мал, а в режиме пробоя, т. е. в режиме стабилизации, он становится такого же порядка, как и прямой ток. В настоящее время выпускаются исключительно кремниевые стабилитроны многих типов. Их также называют опорными диодами, так как получаемое от них стабильное напряжение в ряде случаев используется в качестве эталонного. На рисунке 2.31 дана типичная вольт-амперная характе­ристика стабилитрона при обратном токе, показывающая, что в режиме ста­билизации напряжение меняется мало. Характеристика для прямого тока стабилитрона такая же, как у обычных диодов.

 

 

Рисунок 2.31 – Вольтамперная характе­ристика стабилитрона при обратном токе

Кремниевые стабилитроны могут быть изготовлены на малые’ напряжения (единицы вольт), а именно такие нужны для питания многих транзисторных устройств.

Напряже­ние стабилизации U_ст может быть примерно от 3 до 200 В. изменение тока стабилитрона от I_min до I_max составляет десятки и даже сотни миллиампер. Максимальная допустимая мощность Р_mах, рассеиваемая в стабилитроне, от сотен милливатт до единиц ватт. Дифференциальное сопротивление R_д = Δu/Δi в режиме стабилизации может быть от десятых долей Ома для низковольтных мощных стабилитронов до 200 Ом для стабилитронов на более высокие напря­жения. Низковольтные стабилитроны небольшой мощности имеют сопротивле­ние R_д от единиц до десятков Ом. Чем меньше R_д, тем лучше стабилизация. При идеальной стабилизации было бы R_д = 0. Так как R_д является сопротивлением переменному току, то его не следует путать со статическим сопротивлением, т. е. сопротивлением постоянному току R₀ = и/ i . Сопротивление Rо всегда во много раз больше R_д.Влияние температуры оценивается температурным коэффициентом напряжения стабилизации ТКН, который характеризует изменение напряжения и„ при изменении температуры на один градус, т. е.

 

ТКН=ΔU_ст/(U_стΔT) .                                            (2.10)

 

Температурный коэффициент напряжения может быть от 10^-5 до 10^-3 К^-1. Значение U_ст и знак ТКН зависят от удельного сопротивления основного по­лупроводника. Стабилитроны на напряжения до 7 В изготовляются из кремния с малым удельным сопротивлением, т. е. с большой концентрацией примесей. В этих стабилитронах п – р-переход имеет малую толщину, в нем действует поле с высокой напряженностью и пробой происходит главным образом за счет туннельного эффекта. При этом ТКН получается отрицательным. Если же применен кремний с меньшей концентрацией примесей, то n-р-переход будет толще. Его пробой возникает при более высоких напряжениях и является лавинным. Для таких стабилитронов характерен положительный ТКН.

Простейшая схема применения стабилитрона показана на рисунке 2.32. Нагрузка (потребитель) включена параллельно стабилитрону. Поэтому в режиме стабилизации, когда напряжение на стабилитроне почти постоянно, такое же напряжение будет и на нагрузке. Все изменения напряжения источника Е при его нестабильности почти полностью поглощаются ограничительным резистором R_огр.

 

Рисунок 2.32 – Схема включения стабилитрона

Наиболее часто стабилитрон работает в таком режиме, когда напряже­ние источника нестабильно, а сопротивление нагрузки R_нпостоянно. Для уста­новления и поддержания правильного режима стабилизации в этом случае сопротивление R_огр должно иметь определенное значение. Обычно R_огр рас­считывают для средней точки Т характеристики стабилитрона. Если напряже­ние Е меняется от Е_min до Е_max, то можно R_огр найти по следующей формуле:

 

                              R_огр = (Е_ср – U_ст)/(I_ср + I_Н) ,                                   (2.11)

 

где Е_ср = 0,5 (Е_min – Е_max) – среднее напряжение источника; I_ср = 0,5 (I_min + I_max) – средний ток стабилитрона; I_н = U_ст / R_н – ток нагрузки.

Если напряжение Е станет изменяться в ту или другую сторону, то будет изменяться ток стабилитрона, но напряжение на нем, а следовательно, и на нагрузке будет почти постоянным.

                 

 

Поскольку все изменения напряжения источника должны поглощаться ограничительным резистором, то наибольшее изменение этого напряжения, равное Е_max – Е_min, должно соответствовать наибольшему возможному изменению тока, при котором ещё сохраняется стабилизация, т. е. I_max – I_min. Отсюда следует, что если значение Е изменяется на ΔЕ, то стабилизация будет осуществляться только при соблюдении условия

 

ΔЕ≤( I_max – I_min) R_огр .                                                         (2.12)

 

Стабилизация в более широком диапазоне изменения Е возможна при увеличении R_огр. Но из формулы (2.12) следует, что большее R_огр получается при меньшем I_н, т. е. при большем R_н. Повышение Е_ср также дает увеличение Rогр.

Иногда необходимо получить стабильное напряжение более низкое, чем дает стабилитрон. Тогда последовательно с нагрузкой включают добавочный резистор, сопротивление которого легко рассчитать по закону Ома (рисунок 2.33).

Рисунок 2.33 – Включение добавочного резистора для понижения стабильного напряжения на нагрузке

Второй возможный режим стабилизации применяется в том случае, когда Е= const, а R_н изменяется в пределах от R_{н min} до R_{н max}. Для такого режима R_огр можно определить по средним значениям токов по формуле

 

                         R_огр=(E-U_ст)/(I_ср+ I_{н ср}) ,                                          (2.13)

где I_{н ср}=0,5 (I _{н min}– I _{н max}), при чём I _{н min}=U_ст/ R_{н max} и I _{н max}= U_ст/ R_{н min}.

 

Работу схемы в данном режиме можно объяснить так. Поскольку R_огр постоянно и падение напряжения на нем, равное Е – U_ст, также постоянно, то и ток в R_огр, равный I_ср+ I_{н ср} должен быть постоянным. Но последнее возможно только в том случае, если ток стабилитрона I и ток I_н изменяются в одинаковой степени, но в противоположные стороны. Например, если I_н увеличивается, то ток I на столько же уменьшается, а их сумма остается неизменной.

Для получения более высоких стабильных напряжений применяется последовательное соединение стабилитронов, рассчитанных на одинаковые токи (рисунок 2.34). Вследствие разброса характеристик и параметров у отдельных экземпляров стабилитронов данного типа их параллельное соединение с целью получения больших токов не рекомендуется. Оно допускается только при условии, что суммарная мощность, рассеиваемая на всех стабилитронах, не превышает предельной мощности одного стабилитрона.

 

 

Рисунок 2.34 – Последовательное включение стабилитронов

 

Для повышения стабильности напряжения может применяться схема каскадного соединения стабилитронов (рисунок 2.35) в которой стабилитрон VD1 должен иметь более высокое напряжение U_ст, нежели стабилитрон VD2.

 

Рисунок 2.35 – Каскадное включение стабилитронов

Эффективность стабилизации напряжения характеризуется коэффициентом стабилизации к_ст, который показывает, во сколько раз относительное изменение напряжения на выходе схемы стабилизации меньше, чем относительное изменение напряжения на входе. Для простейшей схемы по рисунку 2.32 можно написать

 

 .                                         (2.14)

 

Практически полупроводниковый стабилитрон может обеспечить к_ст,
равный нескольким десяткам. А при каскадном соединении (рисунок 2.35) общий коэффициент стабилизации равен произведению коэффициентов стабилизации отдельных звеньев (ячеек):

 

к_ст = к_ст1 к_ст2…                                                                (2.15)

 

и уже при двух звеньях достигает нескольких сотен.

Недостаток рассматриваемых схем стабилизации состоит в том, что потери мощности в самом стабилитроне и на R_огр велики, особенно в схеме каскадного соединения.

Следует еще отметить, что если имеют место пульсации напряжения Е, то стабилитрон значительно сглаживает их. Это объясняется тем, что стабили­трон обладает малым сопротивлением переменному току. Оно обычно во много раз меньше R_огр. Поэтому большая часть напряжения пульсаций поглощается в R_огр, а на стабилитроне и на нагрузке будет лишь малая часть этого напряжения.

Конструкция стабилитронов очень незначительно отличается от конструкций выпрямительных диодов.

 

Стабисторы

Это полупроводниковые диоды, предназначенные для работы в стабилизаторах напряжения, причем в отличие от стабилитронов у стабисторов используется не обратное напряже­ние, а прямое. Значение этого напря­жения мало зависит от тока в некото­рых его пределах. Как правило, стабисторы изготовляются из кремния и имеют напряжение стабилизации в среднем около 0,7 В. Ток стабисторов обычно может быть от 1 мА до нескольких десятков миллиампер. Для получения стабильного напряжения в единицы вольт соединяют последовательно не­сколько стабисторов. Особенность ста­бисторов – отрицательный температур­ный коэффициент напряжения, т. е. на­пряжение стабилизации с повышением температуры уменьшается. Поэтому стабисторы применяют также в качестве термокомпенсирующих элементов, соединяя их последовательно с обычными стабилитронами, имеющими положи­тельный температурный коэффициент напряжения.

 

Варикапы

Эти плоскостные диоды, иначе называемые параметрическими, работают при обратном напряжении, от которого зависит барьерная емкость. Таким образом, варикапы представляют собой конденсаторы переменной емко­сти, управляемые не механически, а электрически, т. е. изменением обратного напряжения.

Варикапы применяются главным образом для настройки колебательных контуров, а также в некоторых специ­альных схемах, например в так назы­ваемых параметрических усилителях. На рисунке 2.36 показана простейшая схема включения варикапа в колебательный контур. Изменяя с помощью потенцио­метра R обратное напряжение на варикапе, можно изменять резонансную час­тоту контура. Добавочный резистор R₁ с большим сопротивлением включен для того, чтобы добротность контура не снижалась заметно от шунтирующего влияния потенциометра R. Конденсатор С_р является разделительным. Без него варикап был бы для постоянного напря­жения замкнут накоротко катушкой L.

 

Рисунок 2.36 – Схема включения варикапа в колебательный контур в качестве конденсатора переменной емкости

 

В качестве варикапов довольно ус­пешно можно использовать кремниевые стабилитроны при напряжении ниже U_СТ, когда обратный ток еще очень мал и, следовательно, обратное сопротивление очень велико.

Туннельные диоды

Предложенный в 1958 г. японским ученым Л. Ёсаки туннельный диод из­готовляется из германия или арсенида галлия с высокой концентрацией приме­сей (10¹⁹ —10²⁰ см^-3), т.е. с очень ма­лым удельным сопротивлением, в сотни или тысячи раз меньшим, чем в обыч­ных диодах. Такие полупроводники с ма­лым сопротивлением называют вырож­денными. Электронно-дырочный переход в вырожденном полупроводнике полу­чается в десятки раз тоньше (10^-6 см), чем в обычных диодах, а потенциальный барьер примерно в два раза выше. В обычных полупроводниковых диодах высота потенциального барьера равна примерно половине ширины запрещен­ной зоны, а в туннельных диодах она несколько больше этой ширины. Вслед­ствие малой толщины перехода напря­женность поля в нем даже при отсутствии внешнего напряжения достигает 10^б В/см.

В туннельном диоде, как и в обыч­ном, происходит диффузионное переме­щение носителей через электронно-ды­рочный переход и обратный их дрейф под действием поля. Но кроме этих процессов основную роль играет тун­нельный эффект. Он состоит в том, что согласно законам квантовой физики при достаточно малой высоте потенци­ального барьера возможно проникно­вение электронов через барьер без изме­нения их энергии. Такой туннельный переход электронов с энергией, меньшей высоты потенциального барьера (в элект­рон-вольтах), совершается в обоих на­правлениях, но только при условии, что по другую сторону барьера для туннелирующих электронов имеются свобод­ные уровни энергии. Подобный эффект невозможен с точки зрения классической физики (в которой электрон рассматри­вается как частица материи с отрицатель­ным зарядом), но оказывается вполне ре­альным в явлениях микромира, подчи­няющихся законам квантовой механики, согласно которым электрон имеет двой­ственную природу: с одной стороны, он является частицей, а с другой стороны, он может проявлять себя как электро­магнитная волна. Но электромагнитная волна может проходить через потенци­альный барьер, т. е. через область элект­рического поля, не взаимодействуя с этим полем.

Процессы в туннельном диоде удоб­но рассматривать на энергетических диаграммах, показывающих уровни энергии валентной зоны и зоны прово­димости в n- и р-областях. Вследствие возникновения контактной разности по­тенциалов в n-р-переходе границы всех зон в одной из областей сдвинуты относительно соответствующих зон дру­гой области на высоту потенциального барьера, выраженную в электрон-воль­тах.

На рисунке 2.37 с помощью энергети­ческих диаграмм изображено возникно­вение туннельных токов в электронно-дырочном переходе туннельного диода. Для того чтобы не усложнять рассмот­рение туннельного эффекта, диффузионный ток и ток проводимости на этом рисунке не показаны. Диаграмма на рисунке 2.37, а соответствует отсутствию внешнего напряжения. Высота потен­циального барьера взята для примера 0,8 эВ, а ширина запрещенной зоны составляет 0,6 эВ. Горизонтальными линиями в зоне проводимости и в ва­лентной зоне показаны энергетические уровни, полностью или частично заня­тые электронами. В валентной зоне и зоне проводимости изображены также не заштрихованные горизонтальными линиями участки, которые соответству­ют уровням энергии, не занятым элект­ронами. Как видно, в зоне проводимости полупроводника n-типа и в валентной зоне полупроводника р-типа имеются занятые электронами уровни, которым соответствуют одинаковые энергии. По­этому возможен туннельный переход электронов из области n в область р (прямой туннельный ток i_пр) и из области р в область n (обратный туннельный ток i_o6p). Эти два тока одинаковы по значению, и результирующий ток равен нулю.

 

 

Рисунок 2.37 – Энергетические диаграммы p-n-перехода в туннельном диоде при различном приложенном напряжении

 

На рисунке 2.37, б показана диаграмма при прямом напряжении 0,1 В, за счет которого потенциальный барьер пони­зился на 0,1 эВ и составляет 0,7 эВ. В этом случае туннельный переход элект­ронов из области n в область р уси­ливается, так как в области р имеются в валентной зоне свободные уровни с такими же энергиями, как энергии уров­ней, занятых электронами в зоне прово­димости области n. А переход электро­нов из валентной зоны области р в об­ласть n невозможен, так как уровни, занятые электронами в валентной зоне области р, соответствуют в области n энергетическим уровням запрещенной зоны. Обратный туннельный ток от­сутствует, и результирующий ток дости­гает максимума. В промежуточных слу­чаях, например когда u_пр = 0,05 В, су­ществует и прямой и обратный туннель­ный ток, но обратный ток меньше пря­мого. Результирующим будет прямой ток, но он меньше максимального, по­лучающегося при u_пр = 0,1 В.

Случай, показанный на рисунке 2.37, в, соответствует u_пр = 0,2 В, когда высота потенциального барьера стала 0,6 эВ. При этом напряжении туннельный пере­ход невозможен, так как уровням, за­нятым электронами в данной области, соответствуют в другой области энерге­тические уровни, находящиеся в запре­щенной зоне. Туннельный ток равен нулю. Он отсутствует также и при боль­шем прямом напряжении.

Следует помнить, что при возраста­нии прямого напряжения увеличивается прямой диффузионный ток диода. При рассмотренных значениях u_пр < 0,2 В диффузионный ток гораздо меньше тун­нельного тока, а при u_пр > 0,2 В диф­фузионный ток возрастает и достигает значений, характерных для прямого то­ка обычного диода.

На рисунке 2.37, г рассмотрен случай, когда обратное напряжение u_обр = 0,2 В. Высота потенциального барьера стала 1 эВ, и значительно увеличилось число уровней, занятых электронами в валентной зоне р-области и соответствующих свободным уровням в зоне проводимо­сти n-области. Поэтому резко возраста­ет обратный туннельный ток, который получается такого же порядка, как и ток при прямом напряжении.

Вольтамперная характеристика тун­нельного диода (рисунок 2.38) поясняет рассмотренные диаграммы. Как видно, при u = 0 ток равен нулю. Увеличение прямого напряжения до 0,1 В дает воз­растание прямого туннельного тока до максимума (точка А). Дальнейшее уве­личение прямого напряжения до 0,2 В сопровождается уменьшением туннель­ного тока. Поэтому в точке Б полу­чается минимум тока и характеристика имеет падающий участок АБ, для кото­рого характерно отрицательное сопро­тивление переменному току

 

R_i = Du/Di < 0.                                                (2.16)

 

После этого участка ток снова воз­растает за счет диффузионного прямого тока, характеристика которого на рисунке 2.38 показана штриховой линией. Обратный ток получается такой же, как прямой, т. е. во много раз больше, не­жели у обычных диодов.

 

Рисунок 2.38 – Вольтамперная характеристика туннельного диода

 

Основные параметры туннельных диодов – ток максимума I_тах, ток ми­нимума I_min (часто указывается отноше­ние I_max/I_min, которое бывает равно нескольким единицам), напряжение мак­симума U₁ напряжение минимума U₂, наибольшее напряжение U₃, соответ­ствующее току I_тах на втором восхо­дящем участке характеристики (участок БВ). Разность DU = U₃ – U₁ называется напряжением переключения или напря­жением скачка. Токи в современных туннельных диодах составляют единицы миллиампер, напряжения — десятые до­ли вольта. К параметрам также отно­сится отрицательное дифференциальное сопротивление диода (обычно несколько десятков Ом), общая емкость диода (единицы или десятки пикофарад), время переключения (доли наносекунды) и мак­симальная, или критическая, частота (сотни гигагерц).

Включая туннельный диод в различ­ные схемы, можно его отрицательным сопротивлением компенсировать поло­жительное активное сопротивление (если рабочая точка будет находиться на участке АБ) и получать режим усиления или генерации колебаний. Например, в обычном колебательном контуре за счет потерь всегда имеется затухание. Но с помощью отрицательного сопротивле­ния туннельного диода можно уничто­жить потери в контуре и получить в нем незатухающие колебания. Простей­шая схема генератора колебаний с тун­нельным диодом показана на рисунке 2.39.

 

 

Рисунок 2.39 – Простейшая схема включения туннельного диода для генерации колебаний

 

Работу такого генератора можно объяснить следующим образом. При включении питания в контуре LC воз­никают свободные колебания. Без тун­нельного диода они затухли бы. Пусть напряжение Е выбрано таким, чтобы диод работал на падающем участке характеристики, и пусть во время одного полупериода переменное напряжение контура имеет полярность, показанную на рисунке знаками « + » и «–» без кружков (знаки « + » и «–» в кружках относятся к постоянным напряжениям). Напряжение от контура подается на диод и является для него обратным. Поэтому прямое напряжение на диоде уменьшается. Но за счет работы диода на падающем участке характеристики ток возрастает, т. е. пройдет дополни­тельный импульс тока, который добавит энергию в контур. Если эта дополни­тельная энергия достаточна для компен­сации потерь, то колебания в контуре станут незатухающими.

Туннельный переход электронов че­рез потенциальный барьер происходит в чрезвычайно малые промежутки вре­мени: 10^-12-10^-14с, или 10^-3-10^-5нс. Поэтому туннельные диоды хорошо ра­ботают на сверхвысоких частотах. На­пример, можно генерировать и усили­вать колебания с частотой до десятков и даже сотен гигагерц. Следует заме­тить, что частотный предел работы тун­нельных диодов практически определя­ется не инерционностью туннельного эффекта, а емкостью самого диода, индуктивностью его выводов и его активным сопротивлением.

Принцип усиления с туннельным ди­одом показан на рисунке 2. 40. Для полу­чения режима усиления необходимо иметь строго определенные значения Е и R_н. Сопротивление R_H должно быть немного меньше абсолютного значения отрицательного сопротивления диода. Тогда при отсутствии входного напря­жения исходная рабочая точка Т может быть установлена на середине падаю­щего участка (эта точка является пере­сечением линии нагрузки с характеристи­кой диода). При подаче входного на­пряжения с амплитудой U_{m вх} линия нагрузки будет «совершать колебания», перемещаясь параллельно самой себе.

Рисунок 2.40 – Простейшая схема усилителя с туннельным диодом (а) и график, поясняющий процесс усиления (б)

 

Крайние ее положения показаны штри­ховыми линиями. Они определяют ко­нечные точки рабочего участка АБ. Проектируя эти точки на ось напряже­ний, получаем амплитуду выходного напряжения U_{m вых}, которая оказывается значительно больше амплитуды вход­ного. Особенность усилителя на тун­нельном диоде – отсутствие отдельной входной и отдельной выходной цепи, что создает некоторые трудности при осуществлении схем с несколькими кас­кадами усиления. Усилители на тун­нельных диодах могут давать значитель­ное усиление при невысоком уровне шумов и работают устойчиво.

Туннельный диод используется так­же в качестве быстродействующего переключателя, причем время переклю­чения может быть около 10^–9 с, т.е. около 1 нс, и даже меньше. Схема ра­боты туннельного диода в импульсном режиме в общем случае такая же, как на рисунке 2.40, но только входное напря­жение представляет собой импульсы, а сопротивление R_H должно быть не­сколько больше абсолютного значения отрицательного сопротивления диода. На рисунке 2.41 показана диаграмма ра­боты туннельного диода в импульсном режиме. Напряжение питания Е выбрано таким, что при отсутствии входного импульса диод работает в точке А и ток получается максимальным (I_mах), т. е. диод открыт. При подаче положитель­ного импульса входного напряжения прямое напряжение на диоде увеличи­вается и режим работы диода скачком переходит в точку Б. Ток уменьшается до минимального значения I_min, что ус­ловно можно считать закрытым состоянием диода. А если установить посто­янное напряжение Е, соответствующее точке Б, то можно переводить диод в точку А подачей импульсов напряже­ния отрицательной полярности.

 

Рисунок 2.41 – Работа туннельного диода в импульсном режиме

 

Туннельные диоды могут приме­няться в технике СВЧ, а также во многих импульсных радиоэлектронных устройствах, рассчитанных на высокое быстродействие. Помимо весьма малой инерционности достоинством туннель­ных диодов является их стойкость к ионизирующему излучению, а также ма­лое потребление энергии от источника питания. К сожалению, эксплуатация туннельных диодов выявила существен­ный их недостаток. Он заключается в том, что эти диоды подвержены зна­чительному старению, т. е. с течением времени их характеристики и параметры заметно изменяются, что может приве­сти к нарушению нормальной работы того или иного устройства. Надо пола­гать, что в дальнейшем этот недостаток удастся свести к минимуму.

Если для диода применить полупро­водник с концентрацией примеси около 10¹⁸ см^–3, то при прямом напряжении туннельный ток практически отсутствует и в вольт-амперной характеристике нет падающего участка (рисунок 2.42). Зато при обратном напряжении туннельный ток по-прежнему значителен, и поэтому та­кой диод хорошо пропускает ток в об­ратном направлении. Подобные диоды, получившие название обращенных, могут работать в качестве детекторов на более высоких частотах, нежели обычные диоды.

 

Рисунок 2.42 – Вольтамперная характеристика и условное графическое обозначение обращенного диода

 

Все туннельные диоды имеют весьма малые размеры. Например, они могут быть оформлены в цилиндрических гер­метичных металлостеклянных корпусах диаметром 3 – 4 мм и высотой около 2 мм. Выводы у них гибкие ленточные. Масса не превышает 0,15 г.

В настоящее время разрабатываются новые типы туннельных диодов, иссле­дуются новые полупроводниковые мате­риалы для них и проблемы замедления старения.

Рекомендуемые страницы:

Какая схема подключения светодиодов лучше — последовательная или параллельная

Самое правильное подключение нескольких светодиодов — последовательное. Сейчас объясню почему.

Дело в том, что определяющим параметром любого светодиода является его рабочий ток. Именно от тока через светодиод зависит то, какова будет мощность (а значит и яркость) светодиода. Именно превышение максимального тока приводит к чрезмерному повышению температуры кристалла и выходу светодиода из строя — быстрому перегоранию либо постепенному необратимому разрушению (деградации).

Ток — это главное. Он указан в технических характеристиках светодиода (datasheet). А уже в зависимости от тока, на светодиоде будет то или иное напряжение. Напряжение тоже можно найти в справочных данных, но его, как правило, указывают в виде некоторого диапазона, потому что оно вторично.

Для примера, заглянем в даташит светодиода 2835:

Как видите, прямой ток указан четко и определенно — 180 мА. А вот напряжение питания светодиодов при таком токе имеет некоторый разброс — от 2.9 до 3.3 Вольта.

Получается, что для того, чтобы задать требуемый режим работы светодиода, нужно обеспечить протекание через него тока определенной величины. Следовательно, для питания светодиодов нужно использовать источник тока, а не напряжения.

Конечно, к светодиоду можно подключить источник стабилизированного напряжения (например, выход лабораторного блока питания), но тогда нужно точно знать какой величины должно быть напряжение для получения заданного тока через светодиод.

Например, в нашем примере со светодиодом 2835, можно было бы подать на него где-то 2.5 В и постепенно повышать напругу до тех пор, пока ток не станет оптимальным (150-180 мА).

Так делать можно, но в этом случае придется настраивать выходное напряжение блока питания под каждый конкретный светодиод, т.к. все они имеют технологический разброс параметров. Если, подключив к одному светодиоду 3.1В, вы получили максимальный ток в 180 мА, то это не значит, что поменяв светодиод на точно такой же из той же партии, вы не сожгете его (т.к. ток через него при напряжении 3.1В запросто может превысить максимально допустимое значение).

К тому же необходимо очень точно поддерживать напряжение на выходе блока питания, что накладывает определенные требования к его схемотехнике. Превышение заданного напряжения всего на 10% почти гарантированно приведет к перегреву и выходу светодиода из строя, так как ток при этом превысит все мыслимые значения.

Вот прекрасная иллюстрация к вышесказанному:

А самое неприятное то, что проводимость любого светодиода (который по сути является p-n-переходом) находится в очень сильной зависимости от температуры. На практике это приводит к тому, что по мере разогрева светодиода, ток через него начинает неумолимо возрастать. Чтобы вернуть ток к требуемому значению, придется понижать напряжение. В общем, как ни крути, а без контроля тока никак не обойтись.

Поэтому самым правильным и простым решением будет использовать для подключения светодиодов драйвера тока (он же источник тока). И тогда будет совершенно неважно, какой вы возьмете светодиод и каким будет прямое напряжение на нем. Нужно просто найти драйвер на нужный ток и дело в шляпе.

Теперь, возвращаемся к главному вопросу статьи — почему все-таки последовательное подключение, а не параллельное? Давайте посмотрим, в чем разница.

Параллельное подключение

При параллельном подключении светодиодов, напряжение на них будет одинаковым. А так как не существует двух диодов с абсолютно одинаковыми характеристиками, то будет наблюдаться следующая картина: через какой-то светодиод будет идти ток ниже номинального (и светить он будет так себе), зато через соседний светодиод будет херачить ток в два раза превышающий максимальный и через полчаса он сгорит (а может и быстрее, если повезет).

Очевидно, что такого неравномерного распределения мощностей нужно избегать.

Для того, чтобы существенно сгладить разброс в ТТХ светодиодов, лучше подключать их через ограничительные резисторы. Напряжение блока питания при этом может быть существенно выше прямого напряжения на светодиодах. Как подключать светодиоды к источнику питания показано на схеме:

Проблема такой схемы подключения светодиода в том, что чем больше разница между напряжением блока питания и напряжением на диодах, тем больше бесполезной мощности рассеивается на ограничительных резисторах и тем, соответственно, ниже КПД всей схемы.

Ограничение тока происходит по простой схеме: повышение тока через светодиод приводит к повышению тока и через резистор тоже (т.к. они включены последовательно). На резисторе увеличивается падение напряжения, а на светодиоде, соответственно, уменьшается (т.к. общее напряжение постоянно). Уменьшение напряжения на светодиоде автоматически приводит к снижению тока. Так все и работает.

В общем, сопротивление резисторов рассчитывается по закону Ома. Разберем на конкретном примере. Допустим, у нас есть светодиод с номинальным током 70 мА, рабочее напряжение при таком ток равно 3.6 В (это все берем из даташита к светодиоду). И нам нужно подключить его к 12 вольтам. Значит, нам нужно рассчитать сопротивление резистора:

Получается, что для питания светодиода от 12 вольт нужно подключить его через 1-ваттный резистор на 120 Ом.

Точно таким же образом, можно посчитать, каким должно быть сопротивление резистора под любое напряжение. Например, для подключение светодиода к 5 вольтам сопротивление резистора надо уменьшить до 24 Ом.

Значения резисторов под другие токи можно взять из таблицы (расчет производился для светодиодов с прямым напряжением 3.3 вольта):

Uпит	ILED
	5 мА	10 мА	20 мА	30 мА	50 мА	70 мА	100 мА	200 мА	300 мА
5 вольт	340 Ом	170 Ом	85 Ом	57 Ом	34 Ом	24 Ом	17 Ом	8.5 Ом	5.7 Ом
12 вольт	1.74 кОм	870 Ом	435 Ом	290 Ом	174 Ом	124 Ом	87 Ом	43 Ом	29 Ом
24 вольта	4.14 кОм	2.07 кОм	1.06 кОм	690 Ом	414 Ом	296 Ом	207 Ом	103 Ом	69 Ом

При подключении светодиода к переменному напряжению (например, к сети 220 вольт), можно повысить КПД устройства, взяв вместо балластного резистора (активного сопротивления) неполярный конденсатор (реактивное сопротивление). Подробно и с конкретными примерами мы разбирали этот момент в статье про подключение светодиода к 220 В.

Последовательное подключение

При последовательном же подключении светодиодов через них протекает один и тот же ток. Количество светодиодов не имеет значение, это может быть всего один светодиод, а может быть 20 или даже 100 штук.

Например, мы можем взять один светодиод 2835 и подключить его к драйверу на 180 мА и светодиод будет работать в нормальном режиме, отдавая свою максимальную мощность. А можем взять гирлянду из 10 таких же светодиодов и тогда каждый светодиод также будет работать в нормальном паспортном режиме (но общая мощность светильника, конечно, будет в 10 раз больше).

Ниже показаны две схемы включения светодиодов, обратите внимание на разницу напряжений на выходе драйвера:

Так что на вопрос, каким должно быть подключение светодиодов, последовательным или параллельным, может быть только один правильный ответ — конечно, последовательным!

Количество последовательно подключенных светодиодов ограничено только возможностями самого драйвера.

Идеальный драйвер может бесконечно повышать напряжение на своем выходе, чтобы обеспечить нужный ток через нагрузку, поэтому к нему можно подключить бесконечное количество светодиодов. Ну а реальные устройства, к сожалению, имеют ограничение по напряжению не только сверху, но и снизу.

Вот пример готового устройства:

Мы видим, что драйвер способен регулировать выходное напряжение только лишь в пределах 64. 106 вольт. Если для поддержания заданного тока (350 мА) нужно будет поднять напряжение выше 106 вольт, то облом. Драйвер выдаст свой максимум (106В), а уж какой при этом будет ток — это от него уже не зависит.

И, наоборот, к такому led-драйверу нельзя подключать слишком мало светодиодов. Например, если подключить к нему цепочку из 10-ти последовательно включенных светодиодов, драйвер никак не сможет понизить свое выходное напряжение до необходимых 32-36В. И все десять светодидов, скорее всего, просто сгорят.

Наличие минимального напряжения объясняется (в зависимости от схемотехнического решения) ограничениями мощности выходного регулирующего элемента либо выходом за предельные режимы генерации импульсного преобразователя.

Разумеется, драйверы могут быть на любое входное напряжение, не обязательно на 220 вольт. Вот, например, драйвер превращающий любой источник постоянного напряжения (блок питания) от 6 до 20 вольт в источник тока на 3 А:

Вот и все. Теперь вы знаете, как включить светодиод (один или несколько) — либо через токоограничительный резистор, либо через токозадающий драйвер.

Как выбрать нужный драйвер?

Тут все очень просто. Выбирать нужно всего лишь по трем параметрам:

1. выходной ток;
2. максимальное выходное напряжение;
3. минимальное выходное напряжение.

Выходной (рабочий) ток драйвера светодиодов — это самая важная характеристика. Ток должен быть равен оптимальному току для светодиодов.

Например, в нашем распоряжении оказалось 10 штук полноспектральных светодиодов для фитолампы:

Номинальный ток этих диодов — 700 мА (берется из справочника). Следовательно, нам нужен драйвер тока на 700 мА. Ну или чуточку меньше, чтобы продлить срок жизни светодиодов.

Максимальное выходное напряжение драйвера должно быть больше, чем суммарное прямое напряжение всех светодиодов. Для наших фитосветодиодов прямое напряжение лежит в диапазоне 3. 4 вольта. Берем по-максимуму: 4В х 10 = 40В. Наш драйвер должен быть в состоянии выдать не менее 40 вольт.

Минимальное напряжение, соответственно, рассчитывается по минимальному значению прямого напряжения на светодиодах. То есть оно должно быть не более 3В х 10 = 30 Вольт. Другими словами, наш драйвер должен уметь снижать выходное напряжение до 30 вольт (или ниже).

Таким образом, нам нужно подобрать схему драйвера, рассчитанного на ток 650 мА (пусть будет чуть меньше номинального) и способного по необходимости выдавать напряжение в диапазоне от 30 до 40 вольт.

Следовательно, для наших целей подойдет что-нибудь вроде этого:

Разумеется, при выборе драйвера диапазон напряжений всегда можно расширять в любую сторону. Например, вместо драйвера с выходом на 30-40 В прекрасно подойдет тот, который выдает от 20 до 70 Вольт.

Примеры драйверов, идеально совместимых с различными типами светодиодов, приведены в таблице:

Светодиоды	Какой нужен драйвер
60 мА, 0.2 Вт (smd 5050, 2835)	см. схему на TL431
150мА, 0.5Вт (smd 2835, 5630, 5730)	драйвер 150mA, 9-34V (можно одновременно подключить от 3 до 10 светодиодов)
300 мА, 1 Вт (smd 3528, 3535, 5730-1, LED 1W)	драйверы 300мА, 3-64V (на 1-24 последовательно включенных светодиода)
700 мА, 3 Вт (led 3W, фитосветодиоды)	драйвер 700мА (для 6-10 светодиодов)
3000 мА, 10 Ватт (XML2 T6)	драйвер 3A, 21-34V (на 7-10 светодиодов) или см. схему

Кстати, для правильного подключения светодиодов вовсе не обязательно покупать готовый драйвер, можно просто взять какой-нибудь подходящий блок питания (например, зарядник от телефона) и прикрутить к нему простейший стабилизатор тока на одном транзисторе или на LM317.

Готовые схемы стабилизаторов тока для светодиодов можно взять из этой статьи.

При конструировании различных электронных устройств часто возникает необходимость в последовательном, параллельном или комбинированном включении элементов. Не стали исключением и светодиоды. Учитывая их небольшие размеры, а также с целью повышения яркости, в одном корпусе осветительного прибора можно разместить несколько LED-чипов.

Как правильно собрать электрическую цепь, чтобы надёжность схемы была на высоком уровне? Что нужно знать о светодиодах, соединяя их параллельно или последовательно?

Параллельное соединение

Необходимость в параллельном включении возникает в случае, когда напряжения источника питания недостаточно для запитки нескольких последовательно соединённых светодиодов. Теоретически, в самом простом варианте можно было бы отдельно объединить все аноды и все катоды излучающих диодов. После чего подключить их к источнику напряжения с соблюдением полярности. Но такая схема не работоспособна, так как дифференциальное сопротивление открытого светодиода чрезмерно мало, что провоцирует режим короткого замыкания. В результате все светодиоды в цепи единожды вспыхнут и навсегда погаснут.

Но как говорят: «Правило без исключений не бывает». В китайских игрушках и зажигалках с подсветкой можно увидеть, что светодиоды запитаны прямо от батареек без каких-либо промежуточных элементов. Почему они не перегорают? Дело в том, что ток в цепи ограничен внутренним сопротивлением круглых батареек типа AG1. Их мощности недостаточно, чтобы нанести вред светодиоду.

Ограничить резкое нарастание тока в нагрузке можно с помощью резистора. О том, как это грамотно сделать с одним светодиодом, подробно написано в данной статье. Для цепи из нескольких параллельно подключенных LED с одним резистором схема примет следующий вид. Но и этот вариант не пригоден для конструирования осветительных устройств с высокой надёжностью. Почему? Ответ на этот вопрос кроется в особенностях строения полупроводников. В процессе производства полупроводниковых элементов невозможно получить два абсолютно одинаковых прибора. Даже у светодиодов из одной партии будет разное дифференциальное (внутреннее) сопротивление, от которого зависит величина прямого напряжения. Это касается не только светодиодов, но и других полупроводников. Среди диодов, транзисторов и тиристоров тоже не найти двух приборов с равными электрическими параметрами.

Из второй схемы видно, что резистор R1 ограничивает только суммарный ток цепи, который затем распределяется по ветвям со светодиодами в зависимости от их сопротивления. По закону Ома светодиод с наименьшим сопротивлением p-n-перехода получит наибольшую порцию тока. И скорее всего он будет больше номинального значения, что ускорит деградацию кристалла. Работа светодиода в режиме перегрузки по току рано или поздно приведёт к выходу из строя на обрыв. Оставшиеся в работе светодиоды распределят между собой ток сгоревшего элемента, что также приведёт к резкой потере яркости.

Как и в первом варианте, китайцы не стесняются конструировать светильники на базе «полурабочих» схем. Схему с одним резистором часто можно встретить в дешёвых фонариках и маломощных светильниках на пальчиковых батарейках. А чтобы светодиоды проработали хотя бы год, сопротивление резистора умышленно завышают, как бы, исключая возможные перегрузки.

Ниже приведен единственно верный вариант параллельного включения светодиодов. Здесь последовательно с каждым светодиодом подключен ограничительный резистор. Такое схемотехническое решение позволяет выровнять токи в каждой отдельной ветви, не позволяя им превышать рабочее значение.

Подключать светодиоды через резистор рекомендуется только от стабилизированного источника постоянного напряжения.

Пример расчета

Для закрепления теоретических знаний параллельное соединение светодиодов рассмотрим на конкретном примере. В схеме включены два светодиода: слаботочный красный и мощный одноваттный белый, которые для удобства можно запитать от разных выключателей.

• источник напряжения U = +5 В;
• LED1 – красного свечения с U_LED1 = 1,8 В и I_LED1 = 0,02 А;
• LED2 – белого свечения с U_LED2 = 3,2 В и I_LED2 = 0,35 А.

Требуется рассчитать параметры и выбрать резисторы R1 и R2.

При параллельном включении к обеим ветвям (R1-LED1 и R2- LED2) прикладывается одинаковое напряжение, равное 5 В. Сопротивление каждого резистора определим по формуле: Округляем полученное значение R2 до ближайшего большего значения из стандартного ряда E24 – 5,1 Ом. Подставив его обратно в формулу, находим реальный ток во второй ветви: С учетом возможного отклонения сопротивления выбранного резистора, которое для ряда Е24 может достигать 5%, ток 0,33 А является оптимальным. Снижение рабочего тока примерно на 4% сильно не повлияет на яркость, но позволит светодиоду работать без перегрузок.

Мощность, которую должны рассеивать резисторы, определим с учетом пересчёта тока LED2 по формуле: Резистор R1 подойдёт любой как планарный, так и с выводами сопротивлением 160 Ом и мощностью 0,125 Вт. Корпус резистора R2 должен эффективно отводить тепло в течение длительной работы светильника. Поэтому его выбираем с двойным запасом по мощности, а именно: 5,1 Ом – 1 Вт.

Последовательное соединение

В последовательном включении светодиодов нужно соблюдать правило: «Напряжение источника питания должно быть больше суммы падений напряжений на светодиодах». Остаток напряжения в неравенстве гасится одним единственным резистором R, правильное включение которого показано на схеме. Все светодиоды подключаются поочередно от анода к катоду. Сопротивление резистора задаёт ток цепи. Это значит, что соединять последовательно можно светодиоды только с одинаковым рабочим током.

Пример расчета

Расчет сопротивления и мощности резистора проведём на примере включения трёх белых светодиодов из серии Cree XM-L, для которых характерным является ток I_LED = 0,7 А и прямое напряжение U_LED = 2,9 В. Взяв за основу цветовую температуру и требуемую яркость, можно последовательно подключать светодиоды из разных групп в пределах серии XM-L. Например, один Cree XM-L-T6 с ТС=5000°K и два Cree XM-L-T2 с ТС=2600°K, которые в итоге дадут мощный поток нейтрального света. Питание на схему поступает от блока стабилизированного напряжения U = +12 В. Сопротивление резистора находим по закону Ома: Ближайший стандартный номинал – 4,7 Ом, при котором ток теоретически будет равен 0,702 А. Это не критично, но следует быть уверенным, что сопротивление резистора не изменится под влиянием температуры во время работы. Поэтому устанавливать нужно либо прецизионный резистор с допуском менее 1%, либо последовательно с R1 = 4,7 Ом запаять ещё одно сопротивление 0,1-0,2 Ом такой же мощности.

Найдём мощность резистора: По аналогии с расчётами для первой схемы устанавливать нужно резистор примерно с двойным запасом по мощности, то есть один на 5 Вт. Можно его заменить на два штуки по 2 Вт, но тогда придётся пересчитать сопротивление.

Два важных момента

В момент первого включения желательно измерить мультиметром ток в цепи и падение напряжения на каждом светодиоде. Если полученные данные будут отличаться от расчётных, то нужно пересчитать сопротивление резистора. Иначе, ток в схеме может оказаться слишком заниженным (с потерей яркости) или завышенным (с перегревом чипа светодиода).

Как в последовательном, так и в параллельном включении светодиодов нельзя делать расчеты, ссылаясь исключительно на способность источника питания обеспечить нужный ток или напряжение. Важны оба этих параметра, произведение которых даёт мощность. Мощность блока питания всегда должна быть больше мощности потребления, чтобы гарантировать стабильную и продолжительную работу всего устройства.

Впервые светодиоды начались использоваться в начале 60-х годов. С того времени произошло видоизменений. Светодиоды имеют массу преимуществ, таких как:

1. Низкое потребление;
2. Длительный срок службы;
3. Прочность;
4. Широкий выбор спектра света;
5. Могут работать от низкого напряжения;
6. Являются пожаробезопасными.

Потому как светодиодам для работы нужен только источник постоянного тока, следует производить монтаж с правильной полярностью. Когда диоды подключены неверно, функционировать они не будут. Чтобы их работа происходила правильно важно знать, как подключить светодиод.

Понимание плюса и минуса

Определяется полярность несколькими методами:

В старых моделях, в которых имеются длинные ножки, всё довольно просто. Ножка длиннее имеет полярность плюс (анод), что короче – минус (катод). Также на головке есть срез, который показывает расположение полярностей.

Если посмотреть внутрь диода, то контакт, который выглядит как флажок – это минусовой, тонкий будет плюсом.

Проверить можно посредством мультиметра. Чтобы это сделать, следует настроить его для «прозвона». С помощью щупов следует дотронуться к контактам. Когда он начнёт светиться – значит на красном контакте +, а на чёрном -.

Осуществление питания

Наиболее важным фактором при выборе питания выступают следующие значения: токовая сила и падение напряжения. Почти все они имеют расчет на токовую силу 20 миллиампер, однако, присутствуют модели, имеющие сразу 4 кристаллика, поэтому он должен быть рассчитан на силу тока в четыре раза больше. Также диод имеет свою допускаемую величину напряжения Umax, при прямом включении и Umaxобр, при обратном. Когда подаётся более высокое напряжение, происходит пробой, после чего кристаллы больше не функционируют. Есть также минимум напряжения, которого хватит для питания Umin, его хватит для работы светодиода. Эти минимальные и максимальные пределы значений называются зоной работы. В зоне работы и должна осуществляться работа светодиода. При неправильном расчете, светодиод просто перегорит.

На каждом светодиоде указывается определённое напряжение, маркировка расположена на упаковке. Важно знать, что это указано возможное падения напряжение, а не рабочее напряжение. Это нужно знать для того, чтобы высчитывать сопротивление резистора, задача которого ограничить ток. Для каждого отдельно взятого светодиода одного номинала, требуемое напряжение может отличаться. Важно для подключения следить за током, а не напряжением.

Данные источники света в своём большинстве потребляют номинальное напряжение 2 – 3 вольт. Противопоказано подключать их прямиком к 12 вольтам, без использования ограничительного резистора. Во многих случаях для экономии используют прямую схему подключения светодиода к батарейке, без использования резистора, но такой источник света прослужит очень недолго. Для сверх ярких светодиодов резисторы не используются, так как для них сделаны драйвера, которые могут ограничивать ток. Это наиболее современный вариант светодиодов.

Как рассчитать резистор

Есть формула расчета сопротивления резистора:

Величина сопротивления подразумевается R.

Напряжение питания Uпит.

Падающее напряжение Uпад.

Протекающий ток – I.

Постоянная величина коэффициента надёжности диода – 0.75.

Для примера рассмотрено подключение к 12 вольтному аккумулятору. Тогда будет:

• Uпит – 12 вольта, что подразумевает аккумуляторное напряжение).
• Uпад – 2.2 вольт, которым выступает напряжение для питания светодиода).
• I – 0.01 ампер, показывает ток диода.

По данным цифрам можно произвести подсчёт по формуле, которая покажет, что получилась цифра 1.306. Так как у резисторов имеется определённый шаг, то подойдёт — 1.3 кОм.

Дальнейшей задачей будет вычисление требуемого минимума на мощность резистора. Нужно понимать точную цифру проходящего тока, потому что она может не соответствовать вышеуказанному. Вычисление можно произвести по такой формуле:

I = U / (Rрез.+ Rсвет)

Сопротивление, которым обладает диод:

Rсвет=Uпад.ном. / Iном. = 2.2 / 0,01 = 220 Ом,

что говорит о том, что подсчитанный фактический ток будет:

I = 12 / (1300 + 220) = 0,007 А.

Для понимания фактического падения напряжения нужно посчитать:

Uпад.свет = Rсвет * I = 220 * 0,007 = 1,54 В

Далее, вычисление мощности:

P = (Uпит. — Uпад.)² / R = (12 -1,54)²/ 1300 = 0,0841 Вт.

Мощность лучше брать с небольшим запасом. Сейчас будет в самый раз 0.125 Вт.

При подключении 1 светодиода к аккумулятору 12 вольт потребуется в сети резистор, который обладает сопротивлением 1.3 кОм и мощностью 0.125 Вт.

Подключение к сети 220 В

Для светодиодов, требующих ток от сети 220 В, важно знать важнейший пункт характеристики светодиода. Особенно это касается вопросов по теме, как подключить мощный светодиод. Характеристика состоит в наиболее допускаемой величине обратного напряжения. Во многих случаях оно составляет 20 В. Когда поступает сетевое питание, при обратной полярности (переменный ток) на него придёт полная амплитуда напряжения 315 В. Такое напряжение получилось потому что амплитудное напряжение почти в полтора раза выше действующего. Для работоспособности светодиодов помимо резистора, следует установить светодиод посредством последовательного подключения, который не позволит обратному напряжению пробить его.

Следующий вариант подключения от 220 В подразумевает расстановку двух диодов встречно-параллельно.

Подобный способ, где предусмотрено использование резистора – не считается правильным подключением. При использовании резистора 24 кОм, энергия рассеивания, будет приблизительно 3 Вт. А при подключении диода последовательно, можно уменьшить её в 2 раза. На обратное напряжение светодиод должен иметь напряжение не меньшее 400 В. Когда включаются 2 встречных светодиода, есть возможность вставки двух резисторов на два вата, чтобы сопротивление на каждом получилось в 2 раза меньше.

Важно понимать, что используя резистор с большим сопротивлением, к примеру, 200 кОм, есть возможность включения и без защитного диода. Так происходит, потому что обратный ток будет довольно слабым для повреждения диода. В этом варианте будет хуже яркость, но для некоторых целей, таких как подсветка, вполне хватит.

Так как сетевой ток переменный, имеется возможность включить в цепь конденсатор взамен резистора. Если сравнивать с ограничительным резистором, конденсатор не нагревается. Чтобы конденсатор мог пропускать переменный ток, сквозь него должно пройти оба полупериода сети. Так как светодиод может проводить ток лишь к одной из сторон, нужно поставить другой светодиод или диод встречно-параллельно. Это позволит пропустить второй полупериод.

Важно знать, что когда схема отключена от сети, конденсатор содержит в себе определённое напряжение, которое может равняться 315 В. Чтобы не произошел случайный удар током, следует провести установку разрядного резистора большего номинала, расположив его параллельно конденсатору. Запас мощности на конденсаторе служи для того, чтобы при обычной работе ток был незначительным и не вызывал нагрева. Чтобы обеспечить защиту от импульсных зарядных токов ставится низкоомный резистор, который будет являться предохранителем.

Мощность конденсатора должна быть от 400 В и выше. Есть варианты для цепей с переменным током напряжения, подойдут от 250 В и выше. Если требуется запустить несколько светодиодов, следует использовать последовательное соединение.

Когда происходит монтаж светодиодного освещения, расчёт диода должен происходить на ток, что будет не меньше, чем ток, проходящий сквозь светодиод. С обратным напряжением расчет должен быть таким, чтобы оно было не меньше, чем общее слагаемого напряжения на светодиодах. Используя данные рекомендации можно понять как правильно подключить светодиод.

Варианты подключений от 12 В

От 12 В подключать можно несколькими способами. Источником питания 12 В может использоваться аккумулятор. В этом примере производится подключение 3-х светодиодов.

Есть вариант подключить все через свой резистор, который выполнит функцию ограничения тока.

Другим вариантом будет включение всех светодиодов параллельным подключением, устанавливая 1 резистор, что рассчитан на тройной ток. Однако минус будет в разбросе параметров со светодиодами единого типа. Соответственно светодиод, что обладает самым слабым внутренним сопротивлением, первым пропустит повышенные токи и перегорит. После чего остальные сгорят тоже потому что ток для них будет очень сильный. В итоге приходится, как и в предыдущем варианте, устанавливать для каждого светодиода резистор.

Однако имеется альтернатива этому варианту. Можно сделать соединение последовательно, используя лишь один резистор. Так ток будет проходить сквозь каждый светодиод равномерно. Важно чтобы источник питания не имел напряжение выше сумм падения на каждом светодиоде. Далее важно правильно выбрать резистор ограничивающий ток и такой монтаж светодиодной подсветки способен работать длительный срок.

Вывод и видео

Для подключения светодиодов требуется обладать минимальным уровнем теоретических знаний, а также уметь паять. Если минимальные навыки и знания как правильно подключить светодиод присутствуют, то трудностей это не вызовет. Если есть сомнения, то вопрос как подключить светодиод, лучше доверить специалистам. Наиболее простой вариант, это установка светодиодных светильников, выполнить который можно без проблем самостоятельно.

Соединение светодиодов – несложная процедура даже для человека без профессиональных навыков.

Соединение в LED цепочку компонентов может быть нескольких видов – последовательное и параллельное.

Эти схемы могут выполняться в различных вариациях, каждая из которых имеет свои положительные и отрицательные стороны.

Принципы подключения

Светоизлучающие диоды активно применяются в подсветке, индикации. Своими руками можно создать устройства, поэтому важно знать, как производить соединение светодиодов.

К основным способам подключения относятся:

• параллельное;
• последовательное;
• комбинированное.

Основные причины выхода из строя светодиодных цепочек:

• неправильное соединение;
• некачественные диоды или блоки питания.

Конструкция излучающего диода подразумевает его подключение к источнику постоянного тока. При соединении важно соблюдать полярность компонента – если перепутать катод и анод, диод не будет излучать световой поток.

Важно! Любой компонент имеет техдокументацию, в которой указывается полярность. Ее узнать можно по маркировке компонента или визуально.

Полярность

Определить, какой из электродов является плюсом, а какой – минусом, можно несколькими способами.

Первый – конструктивно. Обычный LED компонент имеет две ножки, длинная является плюсом (анодом), а короткая – катодом.

При помощи тестера. Для этого нужно взять мультиметр, перевести его в положение «Прозвонка» и прикладывать щупы к электродам. Когда красный щуп коснется анода, а черный катода – светодиод загорится. Если при перестановке на шкале высвечивается и не меняется «бесконечное» сопротивление, есть неполадка с элементом. Так что мультитестер используется и для проверки работоспособности излучающих приборов.

Визуальный осмотр. Можно посмотреть внутрь колбы. Широкая часть – это катод, а узкая – анод. Мощные светодиоды сверхъяркого типа имеют маркировку выводов «+» и «–». Компоненты для поверхностного монтажа обычно имеют специальный скос, который указывает на катод.

Включение в источник питания. Диод можно подключить к аккумулятору, батарее или другому блоку. Нужно постепенно повышать электропитание, которое вызовет свечение. Если компонент не горит, полярность следует поменять. Собирается такая схема проверки обязательно с использованием токоограничивающего резистора.

По технической документации. В паспорте прибора будет написано, какая полярность.

После определения плюса и минуса электродов нужно разобраться с методом подсоединения.

Способы подключения

Этапы соединения:

• определение полярности;
• составление схемы подключения;
• подбор драйвера и блока питания;
• расчет резистора;
• сбор цепи;
• тестирование подключенной системы.

Можно выделить 2 метода соединения – к электросети 220 Вольт и 12 Вольт. Осуществить подключение можно последовательно или параллельно. Наилучшим способом считается последовательное соединение светодиодов.

Подключение к напряжению 220 В

Чтобы светодиод загорелся, через него должен проходить ток в 20 мА и выше, а падение напряжения не должно превышать 2,2 – 3 В в зависимости от материалов кристалла. С учетом указанных параметров выбирается токоограничивающий резистор по закону Ома. Его формула:

R=(Uпит-Uпад)/(I*0,75), где R – номинал резистора, Uпит – напряжение источника, Uпад – падение на диоде, I – номинальный ток, 0,75 – коэффициент надежности.

Падением напряжения называют уровень напряжения, которое светодиод преобразует в свечение.

Также требуется знать мощность резистора. Она вычисляется как P=I*I*R=(Uпит-Uпад)*(Uпит-Uпад)/R.

Таким образом, для тока в 20 мА, сети 220 В и падения напряжения на диоде 2,2-3 В номинал сопротивления должен быть равен 30 кОм. Мощность сопротивления равняется 2 Вт.

Упрощенная схема подключения будет состоять из светодиода, диода, конденсатора и резисторов.

Но такое соединение используется все реже. Чтобы подключить светодиоды к электросети, используются специальные устройства – драйверы. Они преобразуют переменное напряжение 220 В в постоянное, пригодное для работы элемента. В большинстве светодиодных лент драйверы уже имеются в конструкции. В основе драйвера находятся диодный мост, делитель напряжения и стабилизатор. Основное преимущество – простота исполнения и надежность эксплуатации.

Как выбрать нужный драйвер, зависит от трех параметров:

• выходной ток;
• максимальное и минимальное напряжение на выходе;

Рабочий ток является важнейшей характеристикой. Ток драйвера должен быть чуть меньше или равен току светодиода.

Подключение к сети 12 в

Напряжение 12 В является оптимальным для работы светоизлучающего диода. Оно безопасно, и используется для включения в особо опасных помещениях (ванная, смотровые ямы гаража, бани).

Для подключения к 12 В нужен резистор. Он рассчитывается по той же формуле, что и для 220 В.

Важное преимущество 12 В – оно постоянное. Это позволяет упростить схему соединения.

Последовательное подключение

Чтобы подключить светодиоды последовательно, нужно к катоду одного устройства припаять анод другого, и так до нужной длины цепочки. Соединение производится через токоограничивающий резистор. По схеме будет протекать один и тот же ток через все элементы. Уровень напряжения будет суммой падений на каждом участке.

Так, для подключения к источнику питания с напряжением 12 Вольт потребуется не более четырех светодиодов 3 Вольт (3*4=12). Для большего числа диодов нужен более мощный аккумулятор.

Преимущества и недостатки

• одинаковый уровень тока;
• простота.

• количество светодиодов ограничено падением напряжения;
• если сломается один элемент, непригодной становится вся цепочка.

Схема раньше использовалась в гирляндах для елки. Сейчас ее вытеснило смешанное соединение.

Параллельное подключение

При параллельном подключении уровень напряжения на каждом светодиоде одинаков. Сила тока наоборот состоит из суммы токов, проходящих через элементы. Подключаются диоды так же через резисторы, но для каждого устройства он свой. Это связано с тем, что любой светоизлучающий диод имеет различные характеристики. Если поставить один резистор, через светодиоды будет пропускаться разный ток, и некоторые могут выйти из строя.

Параллельное подключение может использоваться для реализации двухцветного свечения ламп.

Плюсы и минусы

• можно использовать большее количество диодов;
• если перегорит один светодиод, цепь продолжит работу.

• требуется много резисторов;
• если сломается один элемент, на другие увеличится нагрузка.

Смешанное подключение

Смешанный тип соединения является самим оптимальным. Он используется во всех LED лентах, гирляндах, светодиодных панелях и представляет собой смесь параллельного и последовательного включений.

Так, параллельно включаются не отдельные элементы, а группы светодиодов. В группах диоды подключаются последовательно через один резистор для каждой цепи.

• при поломке элемента из одной цепочки вся гирлянда будет светить дальше;
• нужно не так много резисторов.

В этом способе учтены и исправлены все недостатки из параллельного и последовательного соединений.

Как подключить мощный светодиод

Для мощного светодиода потребуется источник питания с большим номиналом. Так, диод 1 В будет загораться, если по нему будет протекать ток величиной не менее 350 мА. Для 5 В элемента потребуется источник тока с нагрузкой не менее 1,4 А.

Схема соединения также будет включать токоограничивающий резистор и интегральный стабилизатор напряжения. Он помогает обезопасить светодиод от скачков электричества. Чаще всего используется интегральная микросхема LM317 для стабилизации. Подключить мощный светодиод можно параллельно, последовательно и комбинированным способом.

Распространенные ошибки при подключении

Самые часто встречающиеся ошибки при соединении светодиодов:

1. Выбор резистора не того номинала – если подобрать слишком маленькое сопротивление, светодиод может перегореть. При большом значении светить диод будет не в полную силу.
2. Подключение напрямую к источнику питания без токоограничивающего резистора. Излучающий компонент сразу сгорит.
3. Соединение по параллельной схеме с одним резистором для всех диодов. Компоненты начнут выходить из строя, так как рабочий ток у каждого различный.
4. Соединение по последовательной схеме светодиодов, рассчитанных на разный ток. В таком случае часть диодов перегорит, а часть будет светить тусклее.
5. Подключение напрямую к сети 220 В без защиты.

Важно! Совершение описанных ошибок повлечет за собой негативные последствия в виде поломки диода или нанесения себе травм.

Основные выводы

Все светодиоды, в не зависимости от их рабочего напряжения или силы тока, подключаются последовательно или параллельно. Способ включения может быть и комбинированным – в таком случае устраняются недостатки последовательного и параллельного соединений. Важно уметь правильно собирать цепь, подбирать источник питания, считать номиналы токоограничивающих резисторов и нужное количество светодиодов, чтобы схема функционировала. Соединение без токоограничивающего резистора и других защитных элементов приведет к поломке диода.

Параллельно диодов

Если ток нагрузки превышает номинальный ток одного диода, то два или более диодов могут быть подключены параллельно (см. Рисунок 1) для достижения более высокого номинального прямого тока. Параллельно подключенные диоды не распределяют ток поровну из-за различных характеристик прямого смещения. Диод с наименьшим прямым падением напряжения будет пытаться проводить больший ток и может перегреться. На рисунке 2 показаны ВАХ двух диодов. Если эти два диода соединены параллельно при заданном напряжении, в каждом диоде протекает разный ток.Общий ток равен сумме I _D1 и I _D2 . Общий номинальный ток пары не является суммой максимального номинального тока для каждого из них, а представляет собой значение, которое может быть просто больше, чем номинальное значение только одного диода.

Рисунок 1 Рисунок 2: Характеристики VI

Параллельные диоды могут быть принудительно распределены по току, подключив очень маленький резистор последовательно с каждым диодом. На рисунке 3 резистор распределения тока R устанавливает значения I _D1 и I _D2 , которые почти равны.Хотя разделение тока очень эффективно, потери мощности в резисторе очень высоки. Кроме того, это вызывает повышение напряжения в комбинации. Если использование параллельного подключения не является абсолютно необходимым, лучше использовать одно устройство с адекватным номинальным током.

Рисунок 3: Параллельные диоды с резистором

Значение резистора разделения тока можно получить следующим образом.

V = V _D1 + I _D1 x R = V _D2 + I _D2 x R

Решение для R,

R = (V _D2 – V _D1 ) / (I _D1 – I _D2 )

Мощность, рассеиваемая в R, составляет

PR = I ² _D1 x R + I ² _D2 x R

Напряжение на комбинации диодов

V = V _D2 + I _D1 R = V _D2 + I _D2 R

Пример

Два диода с характеристиками, показанными на рисунке 3, подключены параллельно.Суммарный ток через диоды 50А. чтобы обеспечить разделение тока, два резистора подключены последовательно. Определить:

1. Сопротивление резистора разделения тока, чтобы ток через любой диод был не более 55% от I
2. Суммарные потери мощности в резисторах
3. Напряжение на комбинации диодов (В)

Решение:

а. С принудительным разделением тока, таким, что

I _D1 = 55% x 50 = 27.5 А

I _D2 = 50 – 27,5 = 22,5 А

Мы получили из рисунка 2

В _D1 = 1,3 В

В _D2 = 1,6 В

V = V _D1 + I _D1 x R = V _D2 + I _D2 x R

= 1,3 + 27,5 x R = 1,6 + 22,5 R

Решение для R,

R = 0,06 Ом

г. Мощность, рассеиваемая в R, составляет

P _R = I ² _D1 x R + I ² _D2 x R = 27.5 ² x 0,06 + 22,5 ² x 0,06 = 75,8 Вт

г. Напряжение на комбинации диодов

V = V _D1 + I _D1 R = V _D2 + I _D2 R

= 1,3 + 27,5 x 0,06 = 1,6 + 22,5 x 0,06

= 2,95 В

логических вентилей – анализ диодов в параллельной цепи

Давайте посмотрим на А, учитывая, что в вашем вопросе упоминается идеал. Итак, идеальный диод имеет Vf = 0.Любое напряжение больше 0 будет проходить через диод, а любое напряжение меньше 0 будет остановлено.

^{смоделировать эту схему – Схема создана с помощью CircuitLab}

Возможны 4 случая. случай 1: D1 = выкл. D2 = выкл. случай 2: D1 = выключено D2 = включено случай 3: D1 = вкл. D2 = выкл. случай 4: D1 = на D2 = на

Если предположить, что случай 1 верен. Тогда математические вычисления должны показать, что мы правы. Если D1 и D2 выключены, это означает, что напряжение между анодом и катодом должно быть отрицательным.

$$ V_ {d1 анод} – V_ {d1 катод} <= 0 $$ $$ + 1V - (-5V) = 6V $$

То же самое можно сделать и с D2 $$ V_ {d2 анод} – V_ {d2 катод} <= 0 $$ $$ + 2V - (-5V) = 7V $$

Но для того, чтобы диоды были ВЫКЛЮЧЕНЫ, \ $ V_ {анод} – V_ {катод} <= 0 \ $, но это противоречит нашему предположению. Значит, оба диода не выключены.

Наше предположение было ошибочным. Итак, давайте попробуем еще один случай.

Предположим, что случай 2 верен. Это означает, что +2 В проходит прямо через диод.Таким образом, узел на Vout равен 2 В.

$$ V_ {d1 анод} – V_ {d1 катод} <= 0 $$ $$ + 1V - (2) = -1V $$

Это работает. Случай 2 – это ответ.

Давайте посмотрим, что будет со случаем 3. Это означает, что D1 включен, поэтому 1V проходит прямо через D1, а + 1V находится в узле Vout.

$$ V_ {d2 анод} – V_ {d2 катод} <= 0 $$ $$ + 2V - (+ 1V) = 1 $$

Это противоречит нашему первоначальному предположению, что D2 выключен. Так что это неверный случай.

Обладая некоторой интуицией и некоторым опытом, вы можете более или менее «угадать» правильное состояние диода, а затем просто быстро убедиться, что математика верна.

То же самое можно применить и к другой вашей схеме.

Когда вы имеете дело с неидеальными диодами, то диод включается, когда напряжение между анодом и катодом превышает 0,7 В.

Как подключить диоды параллельно

В этом посте мы систематически обсуждаем, как подключать диоды параллельно, чтобы улучшить общие текущие характеристики сборки. Для этого требуется специальная схема, обеспечивающая равномерное распределение тока между устройствами.

Всякий раз, когда в цепи постоянного тока задействована нагрузка на основе индуктора, включение защитного диода против ЭДС или обратного диода становится обязательным для защиты BJT или MOSFET, ответственного за его управление.

Как рассчитать параллельный диод

Однако расчет и параллельное подключение диодов никогда не бывает легкой задачей.

Все мы знаем, что индукторы, как и конденсаторы, обладают свойством накапливать и преобразовывать электрическую энергию внутрь себя.

Накопление электрической энергии происходит, когда индуктор подвергается воздействию разности потенциалов на своих выводах, в то время как отбрасывание или разрядка накопленной электрической энергии происходит в тот момент, когда эта разность потенциалов устраняется.

Вышеупомянутый «отбрасывание» накопленной энергии через катушку индуктивности или катушку называется «обратной ЭДС», и поскольку полярность «обратной ЭДС» всегда противоположна приложенной разности потенциалов, становится серьезной угрозой для устройство, используемое для управления или управления индуктором.

Сильноточные диоды для защиты от обратного ЭДС

Угроза заключается в том, что обратное напряжение, создаваемое индуктором, пытается пройти через соответствующее силовое устройство, такое как BJT, с обратной полярностью, вызывая мгновенное повреждение устройства. .

Простая идея решить эту проблему – добавить выпрямительный диод прямо через катушку или индуктор, где катод соединяется с положительной стороной катушки, а анод – с отрицательной.

Такое расположение диодов на катушках постоянного тока также называют обратным диодом.

Теперь всякий раз, когда на катушке снимается потенциал, генерируемая обратная ЭДС быстро находит свой путь через диод и нейтрализуется вместо того, чтобы проходить через драйвер.

Классический пример этого явления можно наблюдать в каскаде релейного драйвера, управляемого BJT, вы могли встретить множество таких в различных схемах. Обычно можно увидеть диод, подключенный к таким ступеням драйверов реле, что сделано для защиты BJT от смертельной обратной ЭДС, отбрасываемой катушкой реле каждый раз, когда он выключается BJT.

Схема обратного сильноточного диода

Реле имеет относительно небольшую нагрузку (катушка с высоким сопротивлением), обычно диода 1N4007 с номиналом 1 А более чем достаточно для таких приложений, однако в случаях, когда нагрузка относительно велика или сопротивление катушки очень мала, сгенерированная обратная ЭДС может быть эквивалентна уровню приложенного тока, то есть, если приложенный ток находится в диапазоне 10 ампер, обратная ЭДС также будет около этого уровня.

Чтобы поглотить такие сильные толчки обратной обратной ЭДС, диод тоже должен быть прочным с характеристиками усилителя.

Обычно в таких случаях, когда обратная ЭДС может быть выше 10 или 20 ампер, поиск подходящего одиночного диода становится трудным или слишком дорогим.

Хороший способ противостоять этому – подключить параллельно множество диодов меньшего номинала, однако, поскольку диоды, как и BJT, являются полупроводниковыми устройствами, они не работают при параллельном подключении.

Причина в том, что каждый диод, подключенный в параллельную цепочку, может иметь несколько разные уровни включения, из-за чего устройства работают отдельно, а тот, который включается первым, становится ответственным за принятие наибольшей части индуцированного тока, что само по себе вызывает конкретный диод уязвим.

Следовательно, чтобы решить указанную выше проблему, каждый диод должен быть дополнен последовательным резистором, соответствующим образом рассчитанным для режима свободного хода в соответствии с заданными параметрами.

Параллельное подключение диодов

Процедура правильного параллельного подключения диодов может быть выполнена следующим образом:

Предположим, что максимальный предполагаемый ток ЭДС на катушке индуктивности составляет 20 ампер, и мы предпочитаем использовать четыре диода по 6 ампер в качестве Свободно вращающиеся диоды на этой катушке подразумевают, что каждый диод должен разделять ток около 5 А, то же самое относится и к резисторам, которые могут быть подключены последовательно с ними.

Используя закон Ома, мы можем рассчитать резисторы таким образом, чтобы они вместе генерировали минимальное безопасное сопротивление, но по отдельности обеспечивали оптимальное высокое сопротивление, заставляя ток равномерно распределять пути между всеми диодами.

Обычно сопротивление 0,5 Ом вполне безопасно для защиты силового устройства, поэтому 0,5 x 4 становится 2 Ом, поэтому каждый диод может иметь номинальное сопротивление 2 Ом.

Суммарная мощность должна быть рассчитана на обработку всех 20 ампер, поэтому деление 20 на 4 дает 5, что означает, что каждый резистор должен быть рассчитан на 5 Вт каждый.

Использование резисторов последовательно с диодами для предотвращения теплового разгона

О Swagatam

Я инженер-электронщик (dipIETE), любитель, изобретатель, разработчик схем / печатных плат, производитель. Я также являюсь основателем веб-сайта: https://www.homemade-circuits.com/, где я люблю делиться своими инновационными идеями и руководствами по схемам.
Если у вас есть запрос, связанный со схемой, вы можете взаимодействовать с ним через комментарии, я буду очень рад помочь!

FAQ № 1 – Могу ли я работать с несколькими лазерными диодами от одного источника питания?

Здесь, в RPMC Lasers, мы имеем более чем 20-летний опыт оказания помощи фотонному сообществу в решении их потребностей в твердотельных лазерах.За это время мы ответили на широкий круг вопросов как от конечных пользователей, так и от системных интеграторов, от поддержки приложений до основ лазера. Многие из вопросов, которые мы получали за эти годы, повлияли на темы, о которых вы читали в нашем блоге, но впервые мы запускаем ежемесячную серию блогов, посвященную часто задаваемым вопросам (FAQ). В этой серии статей мы подробно рассмотрим один конкретный FAQ и причины, по которым мы отвечаем на него именно так.Наша цель состоит в том, чтобы, как и в случае с нашей серией основных принципов работы с лазерными диодами, они в конечном итоге послужили хранилищем лазерных знаний для сообщества на долгие годы. В этой инаугурационной статье серии мы рассмотрим то, что может показаться довольно простой концепцией, но на удивление мало инженеров интуитивно ее понимают.

«Можно ли управлять двумя или более лазерами от одного источника питания?»

Несколько диодов могут работать от одного источника питания, если они включены последовательно, но никогда не должны подключаться параллельно.Когда два диода соединены последовательно, они будут работать должным образом до тех пор, пока напряжение согласования будет достаточно большим, чтобы покрыть падение напряжения на каждом диоде. Например, если вы пытаетесь запитать диодный лазер WSLD-808-005-C 5 Вт 808 нм от Wave Spectrum, который имеет рабочее напряжение 1,9 В, для подключения двух из них последовательно драйвер лазера должен иметь общее напряжение емкость более 3,8 В. Эта конфигурация работает, потому что при последовательном соединении диоды имеют одинаковый ток.Напротив, когда два диода соединены параллельно, ток больше не распределяется между двумя диодами.

Чтобы понять влияние тока на характеристики лазерного диода, полезно сделать шаг назад и взглянуть на типичный L-I-V, который показывает взаимозависимость напряжения, тока и выходной мощности. Пример ниже представляет собой кривую L-I-V для того же диодного лазера с волновым спектром, о котором говорилось выше. Из этого примера вы можете видеть, что по большей части выходная мощность лазера линейна с током возбуждения, в отличие от напряжения, которое не только нелинейно, но и из-за его наклона гораздо труднее контролировать.Поэтому лазерные диоды обычно описываются как устройства, управляемые током, в которых используется источник питания постоянного тока, и напряжение поддерживается соответственно. В результате, если два диода испытывают совершенно разные токи, как это обычно бывает в схеме параллельных диодов, они будут выдавать совершенно разную мощность. В дополнение к тому, что это приводит к потере управления мощностью, это также может привести к тому, что один из двух диодов либо работает ниже порогового значения и, следовательно, не излучает свет, либо работает выше предельного значения тока, выжигая диод.

Еще одно соображение, которое необходимо учитывать при работе двух или более лазерных диодов от одного источника питания, заключается в том, что в большинстве 2-контактных корпусов TO используется общая конструкция анода. Следовательно, когда корпуса устанавливаются на общий радиатор, все аноды будут соединены, что предотвратит последовательное соединение диодов. По многим причинам термомеханической конструкции, которые мы не будем рассматривать в этом сообщении в блоге, не всегда возможно установить каждый диод на отдельном радиаторе.Следовательно, при выборе последовательного подключения нескольких диодов к общему радиатору необходимо, чтобы лазерный блок был специально изготовлен с изоляцией. В этом случае анод и катод лазера будут на разных выводах, и оба будут изолированы от корпуса лазера, а внутренний термистор также будет на другом наборе выводов.

Если у вас есть дополнительные вопросы о том, как управлять диодными лазерами или вы хотите получить дополнительную информацию о лазерах, в целом наша команда экспертов по лазерам всегда готова помочь вам.Здесь, в компании RPMC lasers, мы не только предлагаем широкий спектр стандартных готовых лазерных диодов, но также можем предоставить бесчисленные индивидуальные конфигурации корпусов лазерных диодов с широким спектром интегрированной оптики, включая все конструкции, описанные выше. Для получения дополнительной информации о нашем широком ассортименте лазерных диодов, вы можете щелкнуть здесь, а для получения дополнительной информации о лазерах и основных принципах работы диодов обязательно посетите нашу страницу «Лазеры 101».

зажимные диоды и их применение

Зажимные диоды и их применение

Практически в любой схеме вы обязательно найдете диоды.Какими бы простыми они ни были, эти устройства выполняют важные функции, которые могут быть разницей между функционированием схемы должным образом или отказом. Природа диодов придает им большое значение. Они сделаны из легированных полупроводников кремния или германия, и уровень легирования имеет значение для их конечного применения.

Диоды проводят ток в одном направлении с соответствующим падением напряжения. Эта характеристика находит применение при выпрямлении сигналов. Кроме того, существует минимальное пороговое напряжение, необходимое в прямом направлении, прежде чем ток начнет течь через диод.

ВАХ обычного диода

Напряжение, необходимое для протекания тока в прямом направлении, зависит от типа полупроводникового материала, используемого для его конструкции – около 0,6-0,8 В для кремниевого диода. Если на его выводы подается положительное напряжение менее 0,6 (положительный вывод, анод находится под более высоким напряжением, чем отрицательный катод), ток через кремниевый диод не протекает.

Когда приложенное напряжение эквивалентно пороговому значению, ток начинает течь в положительном направлении.За пределами порогового значения небольшое увеличение напряжения приводит к более значительному увеличению протекающего тока. Эта экспоненциальная рабочая область диода используется в силовых приложениях.

Если на диод подается отрицательное напряжение (катод находится под более высоким напряжением, чем анод), происходит аналогичный сценарий, за исключением того, что здесь мы имеем дело с отрицательными токами. Напряжение пробоя – это обратное напряжение, при превышении которого ток через диод значительно увеличивается при небольшом увеличении напряжения.Для обычных диодов цель состоит в том, чтобы работать вдали от напряжения пробоя. Однако напряжение пробоя – это свойство специализированных диодов, используемых для защиты схем от перенапряжения.

Различные применения диодов

Существует много видов диодов с широким набором функций.

Несколько распространенных приложений:

• Выпрямление переменного напряжения в постоянное
• Управление величиной сигнала / формы волны
• Изоляция сигналов от входа
• Смешивание сигналов
• Защита от обратного тока питания
• Защита от скачков напряжения

Сегодня мы поговорим о диодах, используемых в качестве фиксаторов (фиксирующих диодов).В самом простом смысле схема ограничивающего диода состоит из диода, конденсатора и резистора для ограничения выходного напряжения в заданном диапазоне. Диод подключается параллельно нагрузке. Эти схемы часто используются при работе с чувствительными входами для предотвращения повреждения статическим разрядом, например, логические схемы КМОП.

Цепь зажима (цепь зажима, фиксатор, устройство восстановления постоянного тока, переключатель уровня переменного тока, фиксирующий диод)

В схеме диод проводит ток только в одном направлении и ограничивает сигнал опорным напряжением.Форма выходного сигнала точно повторяет форму входного сигнала, за исключением того, что один край ограничен нулевым напряжением или напряжением смещения.

Конденсатор обеспечивает постоянный ток от накопленного заряда. Резистивная нагрузка вместе с конденсатором определяют величину постоянной времени (RC), гарантируя, что конденсатор не разряжает чрезмерно напряжение, когда диод не проводит ток. RC определяет диапазон частот, в котором схема будет эффективной.

Рабочие категории зажимных цепей

Поведение схемы фиксации зависит от выходного сигнала, который они выдают.Категории операций бывают положительными или отрицательными, а также предвзятыми или беспристрастными.

Цепь положительного ограничивающего диода несмещенная

Схема ограничения фиксирует нижний предел напряжения равным нулю, то есть начало сигнала равно 0 В. Схема ограничения положительного напряжения блокирует входной сигнал, когда диод смещен в прямом направлении. Во время отрицательного полупериода сигнала переменного тока диод смещен в прямом направлении и пропускает через него электрический ток. Нет выходного сигнала. Протекающий ток заряжает конденсатор до пикового значения входного сигнала.Конденсатор заряжается в обратной полярности со входом.

Во время положительного полупериода входного сигнала переменного тока диод имеет обратное смещение и не пропускает электрический ток через него. Конденсатор разряжается, и выходное напряжение является суммой входного напряжения и напряжения, разряженного конденсатором. Следовательно, сигнал смещается вверх.

Положительная цепь ограничивающего диода с положительным смещением

Для изменения уровня сигнала постоянного тока используется схема ограничения смещения.Источник постоянного напряжения (например, аккумулятор постоянного тока) является дополнительным компонентом в этой схеме.

Во время положительного полупериода сигнала переменного тока напряжение батареи смещает диод в прямом направлении, в то время как входное напряжение меньше напряжения батареи. Ток течет и заряжает конденсатор. Как только входное напряжение превышает напряжение батареи, диод становится смещенным в обратном направлении и перестает пропускать через него ток. Выходное напряжение – это сумма входного напряжения, напряжения, разряженного конденсатором, и положительного напряжения смещения, обусловленного аккумулятором.Выходной сигнал сдвигается вверх с ненулевым пусковым напряжением.

Во время отрицательного полупериода напряжение входного сигнала и напряжение батареи смещают диод в прямом направлении. Диод пропускает через него электрический ток, и конденсатор заряжается.

Положительная цепь ограничивающего диода с отрицательным смещением

Во время отрицательного полупериода входного сигнала переменного тока напряжение батареи смещает диод в обратном направлении, в то время как входное напряжение меньше напряжения батареи.В диоде нет тока, и сигнал появляется на выходе. Когда входное напряжение превышает напряжение батареи, диод смещается в прямом направлении, позволяя току течь через него, который заряжает конденсатор. Выходной сигнал не появляется.

Во время положительного полупериода напряжение входного сигнала и напряжение аккумулятора смещают диод в обратном направлении. На выходе появляется сигнал. Выходное напряжение представляет собой сумму входного напряжения, напряжения, разряженного конденсатором, и отрицательного напряжения смещения из-за батареи.Выходной сигнал сдвигается вверх с ненулевым пусковым напряжением.

Работа схемы отрицательного ограничения аналогична и может быть выведена из обсуждения выше.

Диоды (фиксирующие диоды) для защиты от высокого напряжения

В неформальном смысле ограничивающие диоды относятся к диодам, используемым в качестве фиксаторов напряжения для защиты чувствительных компонентов от переходных процессов и перенапряжений. Переходные процессы – это резкие всплески напряжения продолжительностью от 10 до 100 микросекунд, которые могут возникать из-за ударов молнии, переключения индуктивной нагрузки и электростатического разряда.Их происхождение и величину нелегко предсказать, и они не всегда начинаются с нулевого напряжения.

Специализированные ограничивающие диоды были разработаны для обработки таких больших всплесков напряжения и энергии. Это устройства подавления переходных процессов, устанавливаемые параллельно нагрузке, которую они должны защищать. Они работают, отводя переходные процессы от нагрузки и ограничивая остаточное напряжение.

Выбор лучшего устройства подавления переходных процессов требует изучения компромисса между допустимой нагрузкой по току, током утечки, режимом отказа, выбросом напряжения, емкостью, возможностью поверхностного монтажа, физическим размером и ценой.

TVS-диоды для защиты чувствительных цепей

Эти ограничивающие напряжение диоды реагируют быстрее, чем многие другие классы устройств подавления переходных процессов, и доступны в различных корпусах для поверхностного монтажа. TVS-диоды имеют p-n-переходы с большей площадью поперечного сечения, чем в обычных диодах.

Во время нормальной работы диод TVS невидим для схемы. При наличии переходного напряжения они ограничивают напряжение на защищаемой нагрузке до заданного уровня без повреждения.Эффект лавинного пробоя делает это возможным, в результате чего диод, который ранее не проводил электричество (кроме тока утечки), начинает проводить, и всплеск напряжения приводит к выбиванию электронов в микроструктуру диода. Свободные и энергичные электроны, в свою очередь, выбивают другие электроны, создавая лавину. По окончании переходного процесса диод TVS возвращается в нормальное состояние.

Диоды

TVS могут выдерживать киловаттную мощность из-за переходных процессов и являются полезными устройствами защиты в общей электронике и телекоммуникационных устройствах.Они также используются для защиты входных сигналов от электростатических разрядов, например, портов USB.

Другой ограничивающий диод, который действует как устройство подавления переходных процессов, – это металлооксидный варистор. Ниже приводится их сравнение:

TVS диоды

• Зажим при пониженном напряжении
• Не ухудшаться со временем
• Имеют низкую емкость, подходят везде, где чувствительность сигнала имеет высокий приоритет, например, порты USB
• Дороже

Варисторы (MOV)

• Напряжение зажима выше
• Со временем ухудшаются, даже если используются в соответствии со спецификацией, и становятся более проводящими
• Более эффективен для защиты цепей, требующих высокой емкости
• Имеют большую устойчивость к высокой энергии / температурам, используемым в средах с высоким напряжением, например.г., электросеть
• Более экономичная

Использование и применение диодов

В этом руководстве по диодам мы увидим некоторые из общих применений диодов. Как простейший полупроводниковый компонент диод находит широкое применение в современных электронных системах. Различные электронные и электрические схемы используют этот компонент в качестве важного устройства для достижения требуемого результата.

Введение

Мы знаем, что диод пропускает ток только в одном направлении и, следовательно, действует как односторонний переключатель. Диод изготовлен из материалов типа P и N и имеет два вывода: анод и катод. Этим устройством можно управлять, контролируя приложенное к нему напряжение.

Когда напряжение, приложенное к аноду, является положительным по отношению к катоду, диод смещен в прямом направлении. Если напряжение, приложенное к диоду, больше порогового уровня (обычно оно равно 0.6 В), тогда диод действует как короткое замыкание и пропускает ток. Если полярность напряжения изменяется, что означает, что катод становится положительным по отношению к аноду, тогда он имеет обратное смещение и действует как разомкнутая цепь, в результате чего ток не течет.

Диод

Области применения диодов включают системы связи в качестве ограничителей, ограничителей, затворов; компьютерные системы как логические вентили, фиксаторы; системы электроснабжения в виде выпрямителей и инверторов; телевизионные системы в качестве фазовых детекторов, ограничителей, фиксаторов; схемы радара, такие как схемы регулировки усиления, усилители параметров и т. д.В следующем описании кратко описаны различные применения диодов.

ВЕРНУТЬСЯ В НАЧАЛО

Некоторые общие применения диодов

Прежде чем рассматривать различные применения диодов, давайте кратко рассмотрим небольшой список общих применений диодов.

• Выпрямители
• Цепи зажима
• Цепи зажима
• Цепи защиты от обратного тока
• В логических воротах
• Умножители напряжения

и многие другие.Теперь давайте разберемся с каждым из этих применений диодов более подробно.

Диод как выпрямитель

Самым распространенным и важным применением диода является преобразование мощности переменного тока в мощность постоянного тока. Используя диоды, мы можем построить различные типы выпрямительных схем. Основными типами этих выпрямительных схем являются полуволновые, двухполупериодные центральные выпрямители и полные мостовые выпрямители. Один или комбинация из четырех диодов используется в большинстве приложений преобразования энергии.На рисунке ниже показана работа диода в выпрямителе.

Диод как выпрямитель

• Во время положительного полупериода входного питания анод становится положительным по отношению к катоду, поэтому диод смещается в прямом направлении. Эти результаты позволяют протекать ток к нагрузке. Поскольку нагрузка является резистивной, напряжение на нагрузочном резисторе будет таким же, как и напряжение питания, что означает, что входное синусоидальное напряжение появится на нагрузке. И ток нагрузки пропорционален приложенному напряжению.
• Во время отрицательного полупериода входной синусоидальной волны анод становится отрицательным по отношению к катоду, поэтому диод получает обратное смещение. Следовательно, ток к нагрузке не течет. Цепь размыкается, и на нагрузке не появляется напряжение.
• И напряжение, и ток на стороне нагрузки имеют одну полярность, что означает, что выходное напряжение является пульсирующим постоянным током. Очень часто в этой схеме выпрямления есть конденсатор, подключенный к нагрузке, чтобы производить устойчивые и непрерывные постоянные токи без каких-либо пульсаций.

ВЕРНУТЬСЯ В НАЧАЛО

Диоды в схемах ограничения

Схемы ограничения используются в FM-передатчиках, где пики шума ограничены определенным значением, так что из них удаляются лишние пики. Схема ограничителя используется для снятия напряжения, превышающего заданное значение, без нарушения остальной части входного сигнала. В зависимости от конфигурации диодов в схеме эти клиперы делятся на два типа; серийные и шунтирующие клипсаторы, и снова они подразделяются на разные типы.

На приведенном выше рисунке показаны клипсаторы положительного ряда и шунтирующие зажимы. И с помощью этих схем ограничителя положительные полупериоды формы волны входного напряжения будут удалены. В ограничителе положительной последовательности во время положительного цикла входа диод имеет обратное смещение, поэтому напряжение на выходе равно нулю. Следовательно, положительный полупериод отсекается на выходе. Во время отрицательного полупериода входа диод смещен в прямом направлении, а отрицательный полупериод появляется на выходе.

В ограничителе положительного шунта диод смещен в прямом направлении в течение положительного полупериода, поэтому выходное напряжение равно нулю, поскольку диод действует как замкнутый переключатель. А во время отрицательного полупериода диод смещен в обратном направлении и действует как разомкнутый переключатель, поэтому на выходе появляется полное входное напряжение. С помощью указанных выше двух диодных ограничителей положительный полупериод входа ограничивается на выходе.

ВЕРНУТЬСЯ В НАЧАЛО

Диоды в схемах фиксации

Фиксирующая схема используется для сдвига или изменения положительного или отрицательного пика входного сигнала до желаемого уровня.Эта схема также называется переключателем уровня или восстановителем постоянного тока. Эти зажимные цепи могут быть положительными или отрицательными в зависимости от конфигурации диода. В схеме положительного ограничения отрицательные пики поднимаются вверх, поэтому отрицательные пики падают на нулевой уровень. В случае отрицательной схемы ограничения положительные пики фиксируются так, что она толкается вниз, так что положительные пики падают на нулевой уровень.

Посмотрите на схему ниже, чтобы понять применение диодов в схемах ограничения.Во время положительного полупериода входа диод смещен в обратном направлении, поэтому выходное напряжение равно сумме входного напряжения и напряжения конденсатора (учитывая, что конденсатор изначально заряжен). Во время отрицательного полупериода входа диод смещен в прямом направлении и ведет себя как замкнутый переключатель, поэтому конденсатор заряжается до пикового значения входного сигнала.

Цепь зажима

НАЗАД В начало

Диоды в логических вентилях

Диоды также могут выполнять цифровые логические операции.Состояния с низким и высоким импедансом логического переключателя аналогичны состояниям прямого и обратного смещения диода соответственно. Таким образом, диод может выполнять логические операции, такие как И, ИЛИ и т. Д. Хотя диодная логика является более ранним методом с некоторыми ограничениями, они используются в некоторых приложениях. На рисунке ниже показана логика логического элемента ИЛИ, реализованная с использованием пары диодов и резистора.

Диоды в логических вентилях

В приведенной выше схеме входное напряжение подается на уровне V, и, управляя переключателями, мы получаем на выходе логику ИЛИ.Здесь логическая 1 означает высокое напряжение, а логический 0 означает нулевое напряжение. Когда оба переключателя находятся в разомкнутом состоянии, оба диода находятся в состоянии обратного смещения, и, следовательно, напряжение на выходе Y равно нулю. Когда любой из переключателей замкнут, диод становится смещенным в прямом направлении, и в результате на выходе высокий уровень.

ВЕРНУТЬСЯ В НАЧАЛО

Диоды в схемах умножителя напряжения

Умножитель напряжения состоит из двух или более схем диодного выпрямителя, которые включены каскадом для создания выходного напряжения постоянного тока, равного умножителю приложенного входного напряжения.Эти схемы умножителей бывают разных типов, например, удвоитель, утроитель, учетверитель и т. Д. Используя комбинацию диодов с конденсаторами, мы получаем нечетное или даже кратное входному пиковому напряжению на выходе.

Полупериодный удвоитель напряжения

На рисунке выше показана схема полуволнового удвоителя напряжения, выходное постоянное напряжение которой в два раза больше пикового входного переменного напряжения. Во время положительного полупериода входа переменного тока диод D1 смещен в прямом направлении, а D2 – в обратном. Таким образом, конденсатор C1 заряжается до пикового напряжения Vm на входе через диод D1.Во время отрицательного полупериода входа переменного тока D1 смещен в обратном направлении, а D2 – в прямом. Итак, конденсатор C2 начинает заряжаться через D2 и C1. Таким образом, полное напряжение на C2 равно 2 Вм.

Во время следующего положительного полупериода диод D2 имеет обратное смещение, поэтому конденсатор C2 разряжается через нагрузку. Точно так же, каскадируя схемы выпрямителя, мы получим несколько значений входного напряжения на выходе.

ВЕРНУТЬСЯ В НАЧАЛО

Диоды в защите от обратного тока

Защита от обратной полярности или тока необходима, чтобы избежать повреждений, возникающих из-за неправильного подключения батареи или переполюсовки источника постоянного тока.Это случайное подключение источника питания вызывает протекание большого тока через компоненты схемы, что приводит к их взрыву. Поэтому защитный или блокирующий диод подключается последовательно с положительной стороной входа, чтобы избежать проблем с обратным подключением.

Диод в защите от обратного тока

На рисунке выше показана схема защиты от обратного тока, в которой диод включен последовательно с нагрузкой на положительной стороне источника питания батареи. При правильной полярности подключения диод смещается в прямом направлении и через него протекает ток нагрузки.Но в случае неправильного подключения диод имеет обратное смещение, что не позволяет току течь в нагрузку. Следовательно, нагрузка защищена от обратного тока.

ВЕРНУТЬСЯ В НАЧАЛО

Диоды для подавления скачков напряжения

В случае использования индуктора или индуктивных нагрузок внезапное отключение источника питания вызывает более высокое напряжение из-за накопленной в нем энергии магнитного поля. Эти неожиданные скачки напряжения могут привести к значительному повреждению компонентов схемы.Следовательно, диод подключается к катушке индуктивности или индуктивной нагрузке для ограничения больших скачков напряжения. Эти диоды также называются разными именами в разных схемах, таких как демпферный диод, обратный диод, подавляющий диод, диод свободного хода и так далее.

Диоды для подавления скачков напряжения

На приведенном выше рисунке диод свободного хода подключен к индуктивной нагрузке для подавления скачков напряжения в катушке индуктивности. Когда переключатель внезапно размыкается, в катушке индуктивности возникает скачок напряжения.Следовательно, диод свободного хода обеспечивает безопасный путь для прохождения тока для разряда напряжения, создаваемого выбросом.

ВЕРНУТЬСЯ В начало

Диоды в солнечных панелях

Диоды, которые используются для защиты солнечных панелей, называются байпасными диодами. Если солнечная панель неисправна, повреждена или затенена опавшими листьями, снегом и другими препятствиями, общая выходная мощность снижается и возникает повреждение горячих точек, потому что ток остальных элементов должен проходить через эту неисправную или затемненную ячейку, вызывая перегрев.Основная функция байпасного диода – защищать солнечные элементы от проблемы нагрева горячей точки.

Диоды в солнечных батареях

На приведенном выше рисунке показано подключение байпасных диодов в солнечных элементах. Эти диоды подключены параллельно солнечным элементам. Тем самым ограничивает напряжение на плохом солнечном элементе и пропускает ток от хороших солнечных элементов во внешнюю цепь. Таким образом, уменьшается проблема перегрева за счет ограничения тока, протекающего через неисправный солнечный элемент.

НАЗАД

ПРЕДЫДУЩАЯ – БАЙПАСНЫЕ ДИОДЫ В СОЛНЕЧНЫХ ПАНЕЛЯХ

СЛЕДУЮЩАЯ – КАК ПРОВЕРИТЬ ДИОД

Темы по применению диодов [Analog Devices Wiki]

В этой главе мы исследуем различные схемы, в которых используются определенные характеристики диода с PN переходом. В главе 6 мы обсуждали использование диода как средства преобразования переменного тока в постоянный.Есть и другие случаи, когда изменяющийся во времени сигнал может потребоваться преобразовать в сигнал постоянного тока. В этих ситуациях часто желательно эффективно компенсировать или скорректировать прямое падение напряжения на диоде, чтобы точно измерить требуемое значение сигнала.

Еще одним свойством диода является то, что проводимость (или сопротивление) небольшого сигнала диода является функцией постоянного тока, протекающего через диод (рабочая точка). Эта характеристика может быть использована для создания аттенюатора, зависящего от напряжения (фактически тока).Также, как мы обнаружили в главе 5, напряжение на диоде в области прямой проводимости экспоненциально связано с током через диод. Это свойство можно использовать для создания схем нелинейных усилителей, которые имеют логарифмические или антилогарифмические (экспоненциальные) отношения входа и выхода.

7.1 Однополупериодный выпрямитель с фильтрующим конденсатором или пиковым детектором

Простейшей формой схемы детектора пиков является последовательное соединение диода и конденсатора, которое выводит на конденсатор напряжение постоянного тока, равное пиковому значению входного сигнала переменного тока (за вычетом падения напряжения прямого смещения диода).Как правило, требуется какой-либо переключатель, подключенный параллельно конденсатору, для периодического сброса выходного напряжения, например, когда требуется новое обнаружение пика.

Рисунок 7.1.1 Простой пиковый детектор

Когда диод направлен, как показано на рисунке 7.1.1, схема обнаруживает положительные пики. Если направление диода было изменено на противоположное, схема обнаружит отрицательные пики на входе. Выходной сигнал простого пикового детектора на самом деле не является истинным пиковым значением входного сигнала из-за присущего встроенному падению напряжения диода.За счет включения операционного усилителя, как показано на рисунке 7.1.2, ошибка из-за падения напряжения на диодах значительно уменьшается за счет прямого усиления операционного усилителя.

Рисунок 7.1.2 Прецессионный однополупериодный выпрямитель или пиковый детектор

Однако существует фундаментальная проблема этой простой схемы в том, что, когда входной сигнал меньше (более отрицателен), чем напряжение, удерживаемое на конденсаторе, диод будет смещен в обратном направлении, а выход операционного усилителя будет «отключен». ”От инвертирующего входного терминала.В этом случае усилитель не будет иметь отрицательной обратной связи, и выход операционного усилителя будет насыщаться на отрицательной шине питания. Когда входное напряжение снова становится более положительным, чем напряжение, удерживаемое на конденсаторе, и выход выходит из состояния насыщения, это влияет на время отклика усилителя. Схема может не реагировать должным образом на быстрые кратковременные положительные пики входного сигнала. В следующем разделе мы исследуем лучшую форму полуволнового выпрямителя.

7.2 схемы абсолютного значения

В этом разделе мы исследуем схемы абсолютного значения. Выпрямители, или схемы «абсолютного значения», часто используются в качестве детекторов для преобразования амплитуд сигналов переменного тока в значения постоянного тока, чтобы их было легче измерить. Для этого типа схемы сигнал переменного тока сначала фильтруется в верхних частотах, чтобы удалить любые составляющие постоянного тока, а затем выпрямляется и, возможно, фильтруется нижних частот. Как мы обнаружили в главе 6, простые выпрямительные схемы, построенные на диодах, плохо реагируют на сигналы с амплитудой меньше, чем диодное падение (0.6В для кремниевых диодов). Это ограничивает их использование в конструкциях, где необходимо измерять малые амплитуды. Для схем, в которых требуется высокая степень точности, операционные усилители могут использоваться в сочетании с диодами для создания прецизионных выпрямителей или схем абсолютного значения.

7.2.1 Прецизионный однополупериодный выпрямитель

Схема инвертирующего операционного усилителя может быть преобразована в «идеальный» (линейной точности) полуволновой выпрямитель путем добавления двух диодов, как показано на рисунке 7.2.1. Для отрицательной половины входного размаха диод D ₁ смещен в обратном направлении, а диод D ₂ смещен в прямом направлении, и схема работает как обычный инвертор с коэффициентом усиления -1, предполагая, что R ₁ = R ₂ .Для положительной половины размаха входного сигнала диод D ₁ смещен в прямом направлении, замыкая обратную связь вокруг усилителя. Диод D ₂ имеет обратное смещение, отключая выход от усилителя. Выход будет иметь потенциал виртуальной земли (- входной терминал) через резистор R ₂ .

Рисунок 7.2.1 Схема прецизионного однополупериодного выпрямителя.

Пик выпрямленного выхода, как показано на рисунке 7.2.2, теперь равен пиковому значению входа.Также есть резкий переход, когда вход пересекает ноль. Читателю следует исследовать формы сигналов в различных точках схемы, таких как выход операционного усилителя, чтобы объяснить, почему эта схема работает лучше, чем простой диодный полуволновой выпрямитель.

Рисунок 7.2.2 Моделирование прецизионного полуволнового выпрямителя.

Пример применения: измерение пикового значения переменного напряжения

У нас есть доступ только к вольтметру постоянного тока, и нам нужно разработать схему, которая может измерять пиковое напряжение сигнала переменного тока.Мы можем использовать прецизионный полуволновой выпрямитель, чтобы обеспечить только отрицательную половину входного сигнала, а затем выполнить фильтрацию нижних частот выпрямленного выхода, как показано на рисунке 7.2.3. Каково выходное напряжение постоянного тока следующей цепи, если R ₁ = 3,24 кОм, R ₂ = 10,2 кОм, R ₃ = 20 кОм и R ₄ = 20 кОм Предположим, Vp = 1 В .

Для синусоидального входа с пиковым значением В _P выход полуволнового выпрямителя представляет собой полусинусоидальную волну с пиковым значением В _P (R ₂ / R ₁ ).Полусинусоидальная волна имеет постоянную составляющую, определяемую по формуле:

Фильтр нижних частот первого порядка удалит содержимое переменного тока и пропустит компонент постоянного тока с усилением, равным R ₄ / R ₃ . Окончательный выход постоянного тока будет:

7.2.2 Прецизионный двухполупериодный выпрямитель

Схема, показанная на рисунке 7.2.4, представляет собой схему абсолютного значения, часто называемую прецизионным двухполупериодным выпрямителем. Он должен работать как двухполупериодная схема выпрямителя, построенная на идеальных диодах (напряжение на диоде при прямой проводимости равно 0 вольт).Фактические диоды, используемые в схеме, будут иметь прямое напряжение около 0,6 В . Чтобы обе половины входного сигнала имели одинаковое усиление от входа к выходному резистору R ₂ = R ₃ и R ₄ = R ₅ .

Рисунок 7.2.4 Схема абсолютного значения.

Если значение R ₁ сделать ниже, чем ₂ R и ₃ R, схема имеет усиление. Если значение R ₁ выше, чем R ₂ и R ₃ , схема может принимать более высокие входные напряжения, поскольку она действует как аттенюатор.Например, если R ₁ составляет 1 кОм с R ₂ и R ₃ равным 10 кОм, схема имеет коэффициент усиления 10, а если R ₁ составляет 100 кОм, коэффициент усиления составляет 0,1 (ослабление 10 ). Все другие обычные ограничения для операционных усилителей применяются так же, как и другие каскады инвертирующих операционных усилителей, поэтому, если используется высокий коэффициент усиления, это повлияет на частотную характеристику.

Входной импеданс схемы равен значению R ₁ и остается постоянным, пока первый операционный усилитель работает в своих пределах, то есть его инвертирующий вход находится на виртуальной земле.Одна интересная особенность использования инвертирующей топологии заключается в том, что она позволяет схеме функционировать как схема суммирования для нескольких входов. R ₁ может быть воспроизведен для обеспечения второго входа или может быть расширен с помощью третьего резистора и т. Д.

Пик выпрямленного выхода, как показано на рисунке 7.2.5, снова равен пиковому значению входа. Есть резкий переход, когда вход пересекает ноль. Читатель должен исследовать формы сигналов в различных точках схемы, таких как выход операционного усилителя и диоды, чтобы объяснить, почему эта схема работает лучше, чем двухполупериодный диодный или мостовой выпрямитель.

Рисунок 7.2.5 Моделирование двухполупериодного выпрямителя.

ADALM1000 Лабораторная деятельность, Прецизионные выпрямители, Абсолютные схемы

7.3 Детектор конвертов

Детектор огибающей – это схема, которая принимает высокочастотный амплитудно-модулированный вход и выдает выходной сигнал, который является «огибающей» AM-сигнала. Конденсатор в цепи накапливает заряд на переднем фронте и медленно высвобождает его через резистор при падении сигнала.Последовательный диод выпрямляет входящий сигнал, позволяя току течь только тогда, когда положительный входной терминал имеет более высокий потенциал, чем отрицательный входной терминал.

В большинстве практических детекторов огибающей используется полуволновое или двухполупериодное выпрямление сигнала для преобразования входного сигнала AM в импульсный сигнал постоянного тока, где пики импульсов постоянного тока представляют собой модулирующий сигнал. Затем используется фильтрация нижних частот для сглаживания конечного результата, оставляя компонент низкочастотного модулирующего сигнала.Такая фильтрация редко бывает идеальной, и на выходе детектора огибающей, вероятно, останется некоторая «рябь», особенно для низкочастотных входов, таких как ноты бас-гитары. Большая фильтрация дает более гладкий результат, но снижает высокочастотный отклик на исходный модулирующий сигнал. Реальные проекты должны быть оптимизированы для данного приложения.

Рисунок 7.3.1 Детектор конверта

Рисунок 7.3.2 Формы сигналов на входе и выходе детектора огибающей

Простой диодный детектор огибающей имеет несколько недостатков:

1) Вход в детектор должен быть отфильтрован полосой пропускания вокруг полезного сигнала несущей, иначе детектор будет одновременно демодулировать несколько сигналов.Фильтрация может выполняться с помощью настраиваемого фильтра или, что более практично, супергетеродинного приемника
2) Он более восприимчив к шуму, чем детектор продукта
3) Если сигнал перемодулирован, возникнут искажения

Большинство из этих недостатков относительно незначительны и обычно являются приемлемым компромиссом для простоты и низкой стоимости использования детектора огибающей.

Лабораторная работа ADALM1000, АМ-модуляция и детектор конверта
Лабораторная работа ADALM2000, детектор конверта

7.4 зажима диода

Когда сигнал управляет разомкнутым конденсатором связи переменного тока, средний уровень напряжения на выходном выводе конденсатора определяется некоторым начальным зарядом на этом выводе конденсатора и, следовательно, будет непредсказуемым. В этом случае необходимо, чтобы обеспечить путь постоянного тока от выходной клеммы конденсатора к земле или какой-либо другой опорного напряжения через большой резистор. Этот путь постоянного тока истощает любой избыточный заряд и приводит к нулевому среднему или нулевому выходному напряжению постоянного тока.Это полезно, если мы хотим принудительно привязать среднее значение сигнала переменного тока к известному значению, однако, что, если мы хотим принудительно установить положительный или отрицательный пик сигнала переменного тока на известное значение? Так называемый зажим схема может быть использована для «зажима» пикового значения к известному опорному уровню.

Зажим – это электронная схема, которая предотвращает выход сигнала выше или ниже определенного заданного значения постоянного тока или уровня ограничения. Фиксатор не изменяет амплитуду сигнала от пика до пика, он сдвигает его вверх или вниз на фиксированное значение.Диодный зажим (простой, распространенный тип) основан на свойстве диода проводить только в одном направлении, а также на резисторах и конденсаторах для поддержания измененного уровня постоянного тока на выходе зажима.

Схема фиксации фиксирует верхний или нижний пик формы сигнала на фиксированном уровне постоянного напряжения. Эту схему также иногда называют устройством восстановления постоянного напряжения по понятным причинам. В несмещенном состоянии схема фиксации фиксирует нижний предел выходного напряжения (или верхний предел в случае отрицательных фиксаторов) равным 0 вольт.Посредством включения фиксированного напряжения смещения последовательно с диодом схема будет фиксировать пик формы волны до определенного уровня постоянного тока.

Рисунок 7.4.1 Формы сигналов на входе и выходе фиксатора постоянного тока

Схема диодного зажима, показанная на рисунке 7.4.2, показывает, что это относительно простое устройство. Два компонента, создающие эффект ограничения, – это конденсатор, за которым следует диод, включенный параллельно выходу. Схема фиксации основана на изменении постоянной времени конденсатора; это результат того, что диод меняет путь тока, проводящий или непроводящий, с изменяющимся входным напряжением.Значение C ₁ и величина любой внешней нагрузки R выбираются так, чтобы Τ = RC было достаточно большим, чтобы гарантировать, что напряжение на конденсаторе не будет значительно разряжаться во время непроводящего интервала диода. Во время первой отрицательной фазы входного переменного напряжения конденсатор в положительном фиксаторе быстро заряжается. Когда В _IN становится положительным, конденсатор служит удвоителем напряжения; поскольку он сохранил эквивалент пикового значения В _IN во время отрицательного цикла, он обеспечивает почти такое же напряжение во время положительного цикла; это по существу удваивает напряжение на выходе V _OUT .Когда В _IN становится отрицательным, конденсатор действует как батарея с таким же напряжением В _IN . Входное напряжение и конденсатор противодействуют друг другу, в результате чего на выходе получается нулевое напряжение на выходе V _OUT .

Рисунок 7.4.2 Схема восстановления диода по постоянному току

Простой способ создания ссылки постоянного тока для выходного напряжения с помощью диодного зажима, как показано на рисунке 7.4.2. Проводя проводку всякий раз, когда напряжение на выходном выводе конденсатора становится отрицательным, эта схема накапливает средний заряд на выводе, достаточный для предотвращения того, чтобы выходной сигнал когда-либо становился более отрицательным, чем прямое напряжение диода. Положительный заряд на этом выводе эффективно улавливается.

Схема зажима ОУ

Схема на рисунке 7.4.3 включает схему фиксации операционного усилителя с ненулевым опорным напряжением фиксации. Усиления разомкнутого контура очень большие операционный усилитель обеспечивает то преимущество, что зажимной уровень находится на очень почти опорном напряжении.Там нет необходимости принимать во внимание прямого падения вольтовую диода (который необходим в предыдущих простых схемах, как это добавляет к опорному напряжению). Влияние падения напряжения на диоде на выход схемы будет уменьшено коэффициентом усиления разомкнутого контура усилителя, что приведет к незначительной ошибке.

Рисунок 7.4.3 Схема прецизионных зажимов операционного усилителя

7.5 Ограничители / ограничители диодные

Схема ограничения на диоде может использоваться для ограничения размаха напряжения сигнала.Передаточная функция между входом и выходом идеальной схемы ограничения показана на рисунке 7.5.1. V _OUT равно V _IN , пока V _IN меньше V _{L +} и больше V _L- . Когда V _IN находится за пределами этих предельных напряжений V _OUT ограничивается или ограничивается до V _{L +} или V _L- .

Рисунок 7.5.1 Характеристика отсечки напряжения

Рисунок 7.5.2 Формы сигналов ограничителя

На рисунке 7.5.3 показана диодная схема, которая фиксирует как положительные, так и отрицательные колебания напряжения до опорных напряжений. Основные компоненты, необходимые для схемы ограничения, – это идеальный диод и резистор. Чтобы зафиксировать уровень ограничения на желаемом уровне, отличном от заземления, источник постоянного тока также должен быть включен последовательно с диодом, как показано на рисунке.Когда диод смещен в прямом направлении, он действует как замкнутый переключатель, замыкающий V _OUT на V _{L +} или V _L- , а когда диод смещен в обратном направлении, он действует как разомкнутый переключатель . Различные уровни ограничения можно получить, изменяя напряжение источника постоянного тока, а также меняя местами диод и резистор.

В зависимости от характеристик диода, положительная или отрицательная область входного сигнала «отсекается», и, соответственно, ограничители диода могут быть положительными или отрицательными.

Рисунок 7.5.3 Схема параллельного или параллельного ограничителя

Существуют две основные формы клипсаторов: последовательные и параллельные (или шунтирующие). В шунтирующем ограничителе диод находится в ветви, параллельной нагрузке, в то время как последовательная конфигурация, рисунок 7.5.4, определяется как конфигурация, в которой диод включен последовательно с нагрузкой.

Рисунок 7.5.4 Схема последовательного клипсатора

Недостатки шунтирующих и диодных клипсаторов серии В шунтирующих ограничителях, когда диод находится в непроводящем состоянии, передача входного сигнала на выход должна происходить без какого-либо затухания или потерь.Но в случае высокочастотных, РЧ входных сигналов емкость диода отрицательно влияет на работу схемы, и сигнал ослабляется (то есть проходит через емкость диода на землю).

В последовательных ограничителях, когда диод находится в непроводящем состоянии, входной сигнал не передается на выход. Но в случае высокочастотных радиочастотных сигналов утечка происходит через емкость диода, что нежелательно. Это недостаток использования диода в качестве последовательного элемента в таких клипсаторах.

7.6 Регулируемый аттенюатор с регулируемым напряжением

Регулируемые ВЧ-аттенюаторы с электронным управлением являются обычным явлением при проектировании цепей ВЧ-сигналов. Например, часто желательно иметь возможность управлять амплитудой радиочастотного сигнала с помощью управляющего напряжения. Эти регулируемые радиочастотные аттенюаторы можно использовать даже в программируемых радиочастотных аттенюаторах. Здесь управляющее напряжение генерируется цифроаналоговым преобразователем, который программируется микроконтроллером или цифровым сигнальным процессором ( DSP ).

Изменяя ток смещения через PN-диод, можно изменять ВЧ сопротивление. На высоких частотах диод выглядит как резистор, сопротивление которого обратно пропорционально прямому току. Кроме того, диод может использоваться в некоторых конструкциях регулируемых аттенюаторов в качестве амплитудных модуляторов или схем выравнивания выходного сигнала (автоматической регулировки усиления). Пример конфигурации схемы аттенюатора показан на рисунке 7.6.1.

Рисунок 7.6.1 Регулируемый аттенюатор с регулируемым напряжением

Назначение C ₁ (и C ₂ ) – блокировать постоянный ток от входных и выходных цепей, чтобы не влиять на рабочую точку диода.Назначение индуктора L ₁ – блокировать прохождение сигнала переменного тока в R ₂ . Аттенюатор использует тот факт, что сопротивление «слабого сигнала» диода r _D является функцией постоянного тока, протекающего в диоде I _D . См. Уравнения ниже:

Где:
n – масштабный коэффициент площади (размера) диода
V _T – тепловое напряжение
I _D – ток диода
k – постоянная Больцмана
q – заряд электрона
T – абсолютная температура

В схеме установлен делитель напряжения между R ₁ и сопротивлением D ₁ .Ток в D ₁ изменяется путем изменения тока в R ₂ . Когда ток в D ₁ мал, r _D велик и доля входного сигнала, видимого на выходе, велика. По мере того, как ток в D ₁ увеличивается, его сопротивление уменьшается, и доля входа, видимого на выходе, уменьшается.

7.7 Логарифмические выходные усилители

Рисунок 7.7.1 Логарифмический усилитель

Соотношение между входным напряжением В _в и выходным напряжением В _{на выходе} определяется следующим образом:

где I _S – ток насыщения, а V _T – тепловое напряжение.

Если операционный усилитель считается идеальным, отрицательный вывод находится на виртуальной земле, поэтому ток, протекающий через резистор со входа (и, следовательно, через диод на выход, поскольку ток не течет на входы операционного усилителя), составляет:

где I _D – ток через диод.

Как мы знаем из главы 5, соотношение между током и напряжением для диода таково:

Это уравнение, когда напряжение В _D больше нуля, можно аппроксимировать следующим образом:

Сложив эти две формулы вместе и учитывая, что выходное напряжение является отрицательной величиной напряжения на диоде ( В, , _{, выход} = – В, , _D ), логарифмическое соотношение между выходом и входом является истинным.

Обратите внимание, что эта реализация не учитывает температурный дрейф напряжения диода из-за теплового напряжения В, _T и других неидеальных эффектов.

Чтобы проиллюстрировать характеристики входного и выходного напряжения диодного логарифмического усилителя, была смоделирована схема на рисунке 7.7.1 с R, установленным на 1 кОм, и диодом 1N4148. Результаты представлены на рисунке 7.7.2. Нижняя зеленая кривая представляет собой линейную развертку V _IN от 0 до 5 В.Таким образом, с резистором 1 кОм ток через диод изменяется от 0 до 5 мА . Верхняя синяя кривая показывает характерную логарифмическую форму, которую мы ожидаем.

Рисунок 7.7.2 Моделирование логарифма усилителя

Усилители экспоненциального (антилогарифмического) выхода 7,8

Рисунок 7.8.1 Антилогарифмический усилитель

Соотношение между входным напряжением В _в и выходным напряжением В _{на выходе} определяется следующим образом:

где I _S – ток насыщения, а V _T – тепловое напряжение.

Если мы снова рассмотрим операционный усилитель как идеальный, то отрицательный вывод находится на виртуальной земле, поэтому ток через диод определяется выражением:

когда напряжение на диоде В _D больше нуля, оно может быть приблизительно выражено следующим образом:

Выходное напряжение определяется как:

Чтобы проиллюстрировать характеристики входного напряжения и выходного напряжения диодного антилогарифмического усилителя, схема на рисунке 7.8.1 был смоделирован с R, установленным на 1 кОм, и диодом 1N4148. Результаты представлены на рисунке 7.8.2. Нижняя зеленая кривая представляет собой линейную развертку V _IN от 0 до 660 мВ . Используя тот же диод, который мы использовали в разделе 7.7 для логарифмических ампер, мы знаем, что 660 мВ приведет к току 1 мА через диод, и с тем же самым выходным напряжением резистора 1 кОм будет 5 В. Верхняя синяя кривая показывает характерную экспоненциальную форму, которую мы ожидаем.

Рисунок 7.8.2 Имитация антилогарифмического усиления

Вернуться к предыдущей главе

Перейти к следующей главе

Вернуться к содержанию

.