El diody v elektrickém obvodu

LED diody se často používají v elektrotechnice například jako indikátory. Aby dioda fungovala a vydávala světlo, musí být správně zapojena do elektrického obvodu. A k tomu musíte určit polaritu LED. Podívejme se na způsoby, jak tomu pomoci.

Použití technické dokumentace. Označení LED na schématu.

Při nákupu velké série LED zařízení byste si měli vyžádat technickou dokumentaci od prodejce. To vám pomůže přesně zjistit mnoho charakteristik produktu, polaritu nevyjímaje. Pro malý počet LED se cestovní pas obvykle nevydává. Ale s použitím přesného názvu značky prvku není těžké najít technické specifikace na internetu.

V elektrickém schématu jsou LED znázorněny dvěma způsoby.

Trojúhelník označuje anodu a svislá čára katodu. Dvě šipky symbolizují záři.

Vizuální definice.

Pokud není k dispozici technická dokumentace, je třeba nejprve pečlivě zvážit prvek. To často pomáhá pochopit, kde je pozitivní strana LED. Nejběžnější typ LED zařízení – válcová dioda o velikosti minimálně 3,5 mm – má jeden delší kontakt. Toto konstrukční řešení bylo vynalezeno pro označení polarity. Dlouhé vedení je kladná anoda.

Plus a minus poznáte, pokud vidíte, co je uvnitř LED. Prostřednictvím průhledného pláště je patrné, že plocha anody (kladný kontakt) je menší než plocha katody (negativní).

Pokud je na těle LED zkosení, pak je to znak katody.

Čím vyšší je standardní velikost a výkon LED produktu, tím větší je šance na určení polarity „okem“.

Najdeme anodu a katodu LED prvků s výkonem přes 1W.

Vysoce výkonné LED se používají v elektrotechnice. Jak rychle určit jejich polaritu? Docela jednoduché. Stačí se pozorně podívat na diodu. Při výrobě jsou kontakty prvků s výkonem nad 0,5 W označeny. Anoda je označena znaménkem „+“.

Rozpoznáváme polaritu LED v pouzdře SMD.

Pokud je LED vyrobena v pouzdře SMD, pak není možné vidět, co je uvnitř. Výrobci se zpravidla starají o elektrotechniky a dělají určité poznámky. Polarita se pozná podle řezu na pouzdru, chladiči nebo piktogramu. První dvě metody jsou vhodnější pro velké velikosti.

Na těle takových diod lze nalézt strukturální řez. Je to on, kdo ukazuje na negativní kontakt (katodu). Na opačné straně bude tedy umístěna kladná anoda.

Polaritu naznačuje i chladič na zadní straně pouzdra. Je posunuta směrem k anodě.

Na malých SMD diodách (např. velikost 1206) jsou jako nápověda použity speciální piktogramy. Mají tvar trojúhelníku, písmene P nebo T. Výstupek představuje katodu.

Rozpoznávání pomocí multimetru.

Nejspolehlivějším způsobem, jak rozpoznat polaritu, je použití speciálních přístrojů. Pomocí konvenčního multimetru můžete označit kontakty diod s vysokou přesností. Cestou se ukáže obslužnost prvku a barva záře. Tester můžete používat 3 způsoby.

Nejprve zkontrolujte LED zařízení v režimu „test odporu – 2 kOhm“. V tomto případě se dotkněte sondami multimetru kontaktů LED. Pokud se červená pozitivní sonda testeru dotkne anody diody a černá negativní sonda se dotkne katody, obrazovka zobrazí hodnotu 1600-1800 Ohmů. V opačném případě tester vydá jeden. To znamená, že je třeba vyměnit sondy. Pokud to nepomůže, je prvek vadný. Touto metodou není možné zjistit barvu záře.

Za druhé, můžete nastavit multimetr do režimu „Kontinuita, kontrola diod“. Pokud se červený vodič dotkne anody a černý vodič katody, prvek bude svítit. Na obrazovce se zobrazí číslo mezi 500 a 1200 mV.

Za třetí, mnoho testerů vám umožňuje provádět měření bez sond. Multimetr musí mít speciální sekci pro testování tranzistorů PNP a NPN. Mají konektory označené písmeny „E“ a „C“. Při kontrole prvku v zóně PNP, pokud je katoda zasunuta do patice „C“ a anoda do patice „E“, LED začne svítit. Proto je polarita určena správně. Při práci v prostoru NPN se záře objeví, když jsou kontakty umístěny v opačném směru: katoda je v „E“ a anoda je v „C“. Možná je to nejrychlejší způsob, jak určit pinout. Mimochodem, pokud LED, kterou studujete, nemá dlouhé vodiče, můžete do konektorů umístit jehly a opatrně k nim připevnit LED prvek.

Rozpoznání polarity napájecího zdroje.

Další vizuální metodou pro rozpoznání katody a anody je její připojení ke zdroji energie. Tato metoda, stejně jako předchozí, také umožňuje zjistit provozuschopnost LED prvku.

Experiment samozřejmě vyžaduje zdroj napětí. Ideální je plynule měnitelné napájení. LED by měla být připojena a napětí postupně zvyšováno. Pokud se při přivedení 3-4 V prvek stále nerozsvítí, znamená to, že polarita nebyla správná.

Pokud takový zdroj není po ruce, můžete použít baterii nebo baterii z mobilního telefonu. Protože napětí na nich může dosáhnout 12 V, nelze LED připojit přímo. Aby se zabránilo poškození, měl by být v obvodu zahrnut rezistor. Článek „Výpočet rezistoru (odporu) pro LED“ vám pomůže vybrat vhodnou hodnotu odporu.

Rezistor by měl být připájen k jednomu z kontaktů prvku LED. Výsledný design se dotkněte svorek napájecího zdroje. Při správné polaritě začne dioda vyzařovat světlo. V opačném případě je třeba vyměnit kontakty.

Pokud máte po ruce plochou vybitou baterii z hodinek nebo ze základní desky (typ CR2032), pak se obejdete bez rezistoru. Napětí takových napájecích zdrojů nepřesahuje 6 V, což je pro LED bezpečné. Baterie je upnuta mezi vývody diody a polarita je určena svitem nebo jeho nepřítomností.

Výsledky

Popsané metody mají své silné a slabé stránky. Není možné zkontrolovat výkon LED pomocí technické dokumentace a vizuálně. Testování pomocí napětí vyžaduje zvláštní péči. Ale výkonnou LED nelze vždy měřit multimetrem. Aby elektrotechnik úspěšně pracoval, měl by ovládat všechny metody a podle potřeby je aplikovat.

Jsou shrnuty praktické obvody amplitudových detektorů a frekvenčních měničů (směšovačů a modulátorů) na bázi polovodičových diod. Materiál v článku je systematizován na základě proprietárních materiálů výrobců diod atypické obvody testoval autor ve své praxi radiotechnika.

úvod
Dioda je základní zařízení v radiotechnice a elektronických obvodech. Polovodičová polovodičová dioda, která byla nejprve, ihned po svém vynálezu, nazývána „krystalická“, je v současnosti jedním z nejoblíbenějších polovodičových mikroelektronických zařízení. Stovky společností po celém světě vyrábějí tisíce typů diod v milionech kopií: od výkonových usměrňovačů po ultravysokofrekvenční detektorové a převodníkové diody (směšovací, modulační a násobiče), a to jak ve formě balených zařízení, tak ve formě čipy a speciální sestavy.

Každý radioamatér používá polovodičové diody, prakticky bez pronikání do konkrétních fyzikálních principů jejich činnosti. Stačí, že při jejich používání nepřekročíte technické požadavky (TS) výrobce zařízení. Mnoho vlastností optimálního návrhu diodových obvodů doporučených výrobci přitom zůstává mimo pozornost radioamatérů.

Účelem článku je systematizovat obvody diod a optimalizovat jejich použití pro úkoly, jako je detekce a frekvenční konverze. V [1] byl publikován článek o použití bipolárních tranzistorů pro modulátory a směšovače. Pokud jde o provozní parametry (s výjimkou koeficientu přenosu), speciální diodové technologické sestavy doporučené referenčními knihami mnoha společností pro symetrické modulátory a směšovače nejsou horší než tranzistorové obvody a pokud jde o takový parametr, jako je vyvážení, mohou je překročit . To naznačuje, že technologie diodových obvodů není pro mnoho úkolů zdaleka vyčerpána. Materiály článku mají tuto tezi potvrdit.

Dioda jako prvek elektrického obvodu
Budeme předpokládat, že fyzika činnosti polovodičové diody je čtenáři buď obecně známá, nebo se s ní na přání může seznámit pomocí dostupných učebnic a četných speciálních pomůcek. Pro obvody diod jsou hlavními definujícími body následující tři ustanovení:

• polovodičová dioda v elektrickém obvodu je dvousvorkové zařízení;
• proudově-napěťová charakteristika polovodičové diody v propustném (vodivém) směru nezačíná od nuly jako u elektrické vakuové diody, ale je posunuta o hodnotu napětí bariéry potenciálu U® polovodičového přechodu diody (obr. 1);
• Proudově napěťová charakteristika polovodičové diody v opačném (nevodivém) směru má také tzv. „průrazný“ potenciální bod Up, od kterého se dioda stává vodivou.

Tento bod se používá jako pracovní bod u některých typů polovodičových diod (zenerových diod). Z první pozice vyplývá, že v pracovním obvodu je dioda současně zařazena do vstupního signálu, výstupního signálu, usměrněného stejnosměrného obvodu a do obvodu předpětí (je-li použito předpětí). Pokud alespoň jeden z těchto obvodů není uzavřen, pak dioda nebude fungovat, tzn. nebude plnit svou roli jako detektor usměrňovače nebo frekvenčního měniče. Zejména pokud je v pracovním obvodu směšovače i modulátoru zahrnuta dioda, pak budou existovat dva vstupní signály různých frekvencí, dva užitečné výstupní signály (na součtových a rozdílových frekvencích) a plus usměrněný přímý proud. To znamená, že na vstupech a výstupech dvou pólů diody musí být explicitně nebo implicitně použity frekvenční oddělovací obvody, jako jsou rezonanční obvody nebo dolní a horní propusti, a navíc musí být uzavřené stejnosměrné obvody. .

V případě použití tzv. vyvážených obvodů lze počet vstupních rezonančních obvodů nebo filtrů snížit použitím kombinací lineárních součtově-diferenčních obvodů. V tomto případě lze ve vyváženém obvodu použít sestavy dvou nebo čtyř diod stejného typu. Mnoho firem vyrábí takové sestavy ve formě čipů, vyrobených v jednom technologickém cyklu na polovodičovém waferu, což zaručuje vysokou identitu párů (čtyřiček) diod.

Jednopólová dioda
Primárně se jedna dioda používá jako jediný půlvlnný střídavý usměrňovač. V elektrické síti se takový obvod prakticky nepoužívá kvůli nízké energetické účinnosti, zatímco v technologii rádiového příjmu je obvod s jedním zakončením široce používán jako amplitudový (AM) detektor.

Hodnota potenciálové bariéry diody U® má různé hodnoty pro diody různých technologických typů. Pro křemíkové diody využívající tzv. Schottkyho technologii U® = 0,25 V, pro germaniové diody U® = 0,4 V a pro běžné, a tedy levné křemíkové diody U® = 0,6 V. Existuje speciální typ tzv. reverzních diod, výjimečně používané v radioamatérské praxi, pro které U®=0. Přítomnost nulového offsetového bodu způsobí, že dioda nezačne vést, dokud amplituda vstupního signálu nepřekročí tento práh. To znamená, že např. detektorový přijímač bez vysokofrekvenčního zesilovače bude „hluchý“, dokud signál na výstupu rezonančního obvodu po anténě nepřekročí Uo.

Měli byste také vědět, že pokud v praxi obvod detektoru začíná s kapacitou (uzavřený vstup), pak se výstupní signál objeví pouze tehdy, když amplituda vstupního napětí překročí dvojnásobek hodnoty Uo kvůli skutečnosti, že se vytvoří další předpětí na kapacita, která se téměř rovná usměrněnému špičkovému vstupnímu napětí.

Předpětí Uo může být kompenzováno použitím další diody D2 stejného typu v obvodu detektoru, jak je znázorněno na obr. 2a. Jeho „stojan“ s konstantním napětím rovným U® bude určovat nulový práh pro začátek vedení pro provozní diodu D1 a navíc bude kompenzovat odchylku jeho prahu odezvy U® se změnami okolní teploty.

Pokud je na vstupní sběrnici s diodou určitá konstantní úroveň provozního napětí, která se často vyskytuje v digitálních obvodech, pak ji lze kompenzovat i další diodou D2 (obr. 2b). Odpor rezistoru R1 je zvolen tak, že I2>I1 a dioda D2 je vždy otevřená.

Při použití uzavřeného vstupu (obr. 2, c) je realizován obvod AM detektoru se zdvojnásobením výstupního napětí. V některých případech může být takové zapojení užitečné, pokud je zajištěno, že následný stupeň v celkovém obvodu má vysokou vstupní impedanci.

Pokud jde o frekvenční limit činnosti konkrétní polovodičové diody v půlvlnném obvodu, je požadováno, aby perioda vstupního provozního frekvenčního signálu byla řádově větší než relaxační doba menšinových nosičů použité diody. U konvenčních diod je relaxační čas 10 ns a pracovní frekvence takové polovodičové diody může být F = 100 MHz. Schottkyho diody se používají hlavně na ultra vysokých frekvencích (mikrovlny), protože jejich doba relaxace může být 1000 pikosekund nebo méně. Proto by měl například optimální filtrační obvod pro jednokoncový ultra-vysokorychlostní diodový signálový spínač při výpočtu frekvencí separace vstupního a výstupního spektra brát v úvahu relaxační dobu diody jako určující maximální rychlost přepínání.

Vyvážené struktury diod
Push-pull neboli vyvážená struktura diody se původně používala v obvodech dvou půlvlnných výkonových usměrňovačů. Tento obvod se skládá z dvojice diod a transformátoru se středem. V praxi se nepoužívá jako AM detektor v rádiových přijímacích obvodech. Taková struktura zároveň tvoří základ symetrických obvodů používaných jako frekvenčně měnící obvody (směšovače a modulátory).

Symetrický obvod směšovače (modulátoru) je tvořen lineárním obvodem pro generování součtu a rozdílu vstupních signálů, obvykle také pomocí transformátoru se středovým bodem, na který je připojen další vstup obvodu (obr. 3). ke kterému je následně připojena samotná sestava diod. Typické zapojení vyváženého směšovače pomocí dvou diod je na obr. 4. Obr. Výstup využívá rozdíl napětí ze dvou zátěžových odporů. Stupeň potlačení vstupních signálů na výstupu je určen úrovní vyváženosti (symetrie) obvodu a charakterizuje izolaci směšovače nebo modulátorů ve vztahu ke vstupním signálům.

Číselně je vyvážení vyjádřeno jako poměr zbytkového napětí na výstupu vyváženého obvodu ke vstupnímu napětí a je určeno symetrií sekundárního vinutí obvodu vstupního transformátoru se středem a identitou diod. Zhruba se vyvážení jakéhokoli obvodu tohoto typu kontroluje velmi jednoduše: stačí vypnout jeden ze vstupních signálů a zkontrolovat úroveň zbytkového usměrněného signálu na výstupu vyváženého obvodu.

Také říkají, že jakýkoli vyvážený směšovač nebo modulátorový obvod je multiplikátorem vstupních signálů. V tomto případě lze matematicky ukázat, že na základě užitečného vstupního signálu bude směšovač (modulátor) pracovat v lineárním režimu pro jakoukoli proudově napěťovou charakteristiku diod za předpokladu, že referenční signál (lokální oscilátor) převodník překračuje vstupní úroveň alespoň o řád.

Základní obvod na obr. 4 tvoří základ celé rodiny symetrických obvodů, skládající se ze čtyř podrodin, jmenovitě čítačů typu „A“ a řady „B“, s otevřeným „C“ nebo uzavřeným „D“. ” zahrnutí páru diod (obr. 4). Výstupní napětí při zapojení diod zády k sobě vzniká odečtením napětí ve dvou ramenech usměrňovače. Když jsou diody zapojeny do série, užitečný signál vzniká sečtením napětí na výstupu dvou ramen. Každá dioda v sestavě dvou diod pracuje v režimu jednopůlvlnného usměrňovače.

Při použití sestav čtyř diod je možné použít dva provozní režimy půlvlnných (push-pull) diod. Takové obvody jsou také známé jako můstkové nebo kruhové obvody. Možné jsou také symetrické dvoupůlvlnné obvody se čtyřmi diodami, které nemají explicitní prstencovou strukturu, například ve tvaru hvězdy. V každém případě je každý takový obvod v rodině kombinací dvou půlvlnných základních obvodů. Tabulka obvodů na obr. 5 představuje taxonomii rodiny vyvážených 4 diodových obvodů získaných kombinatorickými metodami.

Je zajímavé poznamenat, že pokud obvod s kapacitním vstupem Obr. 2, když jsou kombinovány ve formě push-pull, pak každé rameno vyvážené sestavy bude pracovat v režimu zdvojení napětí s výstupním signálem, který není symetrický vzhledem ke společnému vodiči.

Moderní diodové sestavy dostupné na trhu poskytují převodní ztráty až 5 dB, garantovanou rovnováhu v pracovním bodě až 8 dB a úrovně vstupního signálu až několik miliwattů pro směšovací diody a několik wattů pro diody modulátoru. Všechny základní obvody směšovače zobrazené na obr. 25 a obr. 30 jsou převedeny na fázové detektory (PD), pokud frekvence místního oscilátoru v obvodu směšovače odpovídá frekvenci vstupního signálu jako referenčního signálu, jako v případě rádia s přímou konverzí. příjem V tomto případě se užitečný signál na výstupu diodového obvodu místo rozdílové frekvence tvoří kolem bodu nulové frekvence ve formě obrazového spektra vstupního modulovaného signálu. Protože vyvážený směšovací obvod provádí operaci násobení, pak, přísně vzato, výstupní signál PD je úměrný kosinu fáze vstupního signálu. Proto se takové jednoduché schéma PD používá pouze při malých úhlech odchylky fázové modulace (PM) vstupního signálu. Při velkých úhlech odchylky PM se používají složitější schémata se dvěma kvadraturními PD: jedna s nulovým fázovým posunem a druhá o 4° k referenčnímu signálu.

Speciální obvody symetrických diodových struktur
Řada firem vyrábí speciální sestavy diod ve formě čipů s paprskovými vývody čtyř diod zapojených do hvězdy pro symetrické obvody, zejména pro mikrovlnné směšovače (obr. 6). Takové sestavy jsou vhodně zahrnuty do dvoupáskových symetrických (vzhledem k „země“) přenosových vedení signálu a lokálního oscilátoru, připojených k hvězdicové diodové sestavě na obou stranách ve tvaru kříže. Užitečný mezifrekvenční signál se odebírá ze společného bodu řetězového kola.

Čtenář při své tvůrčí radioamatérské práci má možnost využít symetrický hvězdicový obvod na nižších frekvencích při použití balunového transformátoru nebo aktivních tranzistorových fázově dělicích obvodů. Speciální aplikace, jako jsou frekvenční syntezátory, někdy vyžadují použití frekvenčních měničů s vyvážením až 50 dB. V tomto případě diodové sestavy ani ve formě technologických čipů nezaručují dostatečnou identitu parametrů jednotlivých diod pro takové úlohy.

Pro takové úlohy se používá symetrický obvod frekvenčního měniče s vyrovnáváním charakteristik diod pomocí auto-bias. Jak je znázorněno na obr. 7, myšlenka je taková, že diody jsou zapojeny do párů přes speciální RC obvod, na kterém se vytvoří předpětí společné pro páry diod kvůli usměrnění signálu lokálního oscilátoru. Tento automatický offset zarovná společný pracovní bod páru. Vyrovnání pracovního bodu dvou párů diod se provádí externím diferenčním obvodem pro nastavení úrovně lokálního oscilátoru na dvou párech (ten není na obrázku znázorněn).

1. Skorik E.T. Vyvážené modulátory a směšovače na bipolárních tranzistorech s komplementární vodivostí // Radioamator. 2005. č. 8. S.54 55