Как определить ампераж диода

Как сделать расчет потребления ампер для светодиодной ленты, диода

Сегодня светодиодная продукция прочно вошла в наши дома и стала незаменимой. Это утверждение касается не только лампочек, но и светодиодных лент, с помощью которых можно создать в домашних или уличных условиях красивейшие световые эффекты.

Но чтобы светодиодная лента работала долго и качественно, ее нужно правильно подключить. А для этого необходимо выяснить, сколько ампер будет потреблять купленная лента. Это очень важный параметр, который обязательно должен знать человек, делающий светодиодную подсветку с помощью данной продукции своими руками. Все, что нужно знать, чтобы выяснить, сколько потребляет led-лента, расскажет данная статья.

Для чего необходимо выяснять

Светодиодная лента представляет собой прибор, имеющий гибкую основу, на которой размещены последовательно подключенные диоды. Данная продукция при своей работе использует низкое напряжение (12 или 24 вольт).

Обратите внимание! Наиболее популярными являются ленты на 12 вольт. Главное их преимущество заключается в том, что они стоят дешевле, чем изделия на 24 вольт.

Из-за того, что данная продукция является низковольтной, имеются трудности подключения ее к стандартной сети в 220 вольт. Ведь если подключение будет идти напрямую, то лента на 12 вольт просто сгорит. Поэтому для подключения светодиодной продукции такого плана используют специальные преобразователи напряжения – блоки питания.

Блоки питания для светодиодных лент

Блок питания осуществляется понижение напряжения 220 вольт для требуемого уровня – 12 или 24 вольт. Для питания данной продукции на сегодняшний день существует достаточно большой выбор преобразователей, что затрудняет выбор. Для того, чтобы правильно выбрать блок питания, необходимо знать какой ток или сколько ампер будет потреблять светодиодная лента, применяемая для подсветки. А это не постоянная величина, которая зависит от следующих параметров:

• длина (сколько метров используется). Это изделие может нарезаться на различные отрезки. Главное, чтобы нарезка осуществлялась в четко определенных местах. Иначе лента будет повреждена и не сможет работать;

Обратите внимание! Данная продукция продается в катушках. В одной катушке находится пять метров led.

Место для разрезания

• тип led;
• тип светодиодов;
• плотность размещения источников света.

Все перечисленные выше параметры необходимы для того, чтобы рассчитать потребляемую мощность светодиодной ленты, а именно, какой ток или сколько ампер она способно потреблять.

Рассмотрим типы светодиодов

Чтобы рассчитать, какой ток или сколько ампер будет потреблять диодная лента, необходимо в первую очередь знать тип ее чипа. На сегодняшний день чипы различаются по мощности. Рассмотрим наиболее популярные модели чипов:

• 3528. Это самая первая продукция, появившаяся на рынке. Они не такие мощные, как более поздние модели, но при этом экономные;

Диодный чип 3528

• 5050. Это чипы уже нового поколения. Для них характерна большая мощность. Лента содержит в своем составе меньше светодиодов в одном метре.

Диодный чип 5050

Какой ток будет потреблять led-лента зависит в первую очередь не столько от вида чипа, сколько от плотности расположения светодиодов на изделии на 1 м ее длины. Для того чтобы выяснить, сколько диодов расположено в 1 м нужно знать тип чипа, марку led, а также иметь под рукой следующую таблицу. Данные приведены для изделий на 12 вольт.

Обратите внимание! Количество потребляемого тока для 1 м продукции должно быть указано в сопроводительной ее документации. Но если ее нет, можно воспользоваться нижеприведенной таблицей или разыскать более расширенный вариант, где учитывают и редко встречаемые модели.

Количество диодов в одном метре

Как видим из таблицы, в 1 м изделия с чипом 3528 могут быть размещено 30, 60 или 90, и 120 диодов. Встречаются даже модели на 12 вольт, где в установлены 240 штук светодиодов. Наиболее часто встречаются изделия 3528 на 12 вольт с 60 диодами в одном метре длины.
Диодная лента с чипами 5050 имеет четыре разновидности, которые делятся в зависимости от количества светодиодов в 1 м. В таблице приведены значения того, какой ток будет потреблять осветительное изделие при размещении в 1 м 30 или 60 диодов. Такие осветительные приборы применяются для подсветки домашних помещению Но есть еще модели, имеющие в 1 м 72 и 120 штук. С их помощью подсвечивают витрины магазинов, рекламные щиты и здания.

Наружная подсветка зданий

Кроме этого в таблице приведен такой важный параметр, как потребляемый ток (ампер) для различной длины (1,2,3,4 и 5 метров). Для приборов с длиной в 5 м данный показатель составит один ампер. Это таблицей очень удобно пользоваться, когда подсветка имеет точное количество метров (например, 4 или 5 метров). В таком случае расчет такого параметра, как потребляемый ток будет достаточно простым.

Как правильно рассчитать требуемый параметр

Чтобы определить, сколько ампер или какой ток будет потреблять led на 12 или 24 вольт, нужно просто выяснить тип приобретенной продукции и по таблице, приведенной выше, выяснить искомый параметр.
Из таблицы мы получим уже готовые значения для изделий с длиной до пяти метров. При этом, если длина подсветки будет превышать 5 метров, к конечному значению таблицы нужно просто приплюсовать необходимую длину. Гораздо проблематичнее дела обстоят при вычислении нужного параметрам в ситуации, когда длина подсветки составляет, например, 2,4 м. В таком случае необходимо вычислить, сколько светодиодов приходиться на кусочек (в данном случае 0,4 м). Это можно выяснить, подсчитав количество диодов вручную. После этого, используя метод пропорций, можно легко вычислить, сколько тока будут потреблять конкретное количество источников света.

Как видим, каждая осветительная установка будет носить исключительно индивидуальный характер. Поэтому расчет нужно проводить для каждой отдельной подсветки. Это позволит избежать ситуации преждевременного выхода из рабочего состояния источников света вследствие нарушения условий эксплуатации.
После этого можно спокойно подбирать блок питания. Поскольку вычисленное количество потребляемого тока это и будет тот параметр, по которому необходимо подбирать преобразователь. От блока питания можно запитать led с напряжением в 12, 18 и 24 вольт.
Вычислив, какую мощность имеет 1 м изделия, можно легко вычислить данный параметр для всей длины подсветки. Для этого полученное значение просто умножает на общую длину осветительного прибора.
Обратите внимание! Осуществляя расчеты для подбора оптимального блока питания, обязательно необходимо закладывать в них 20-30 % от полученного конечного результата, формируя тем самым запас прочности покупаемого преобразователя.
Такой объем запаса необходимо делать из-за того, что в сети напряжения иногда встречаются скачки. Они, в ситуации, когда блок питания был выбран без хотя бы минимального запаса в 20%, могут вывести его из строя. Это означает, что преобразователь может просто перегореть. В результате вы не сможете пользоваться свой подсветкой, пока его не замените. Но бывают ситуации, когда от перенапряжения из строя выходят и сами диоды.

Светодиодная подсветка в комнате

Чтобы вычислить энергопотребление подсветки, необходимо потребляемую мощность всей подсветки (с учетом 20-30 % запаса) нужно просто умножить на то количество времени, сколько она будет включена в день. К примеру, предполагается, что работать светодиодное изделие будет в течение четырех часов. Но здесь в расчетах необходимо учитывать цвет светодиодов.

Как определить искомый параметр для одного диода

Если нет возможности с помощью справочной литературы выяснить, какой ток потребляет один светодиод, тогда можно осуществить измерения своими руками. Это необходимо делать в той ситуации, когда длина подсветки будет не целой (например, 2,4 м).

Обратите внимание! Светодиоды могут светить разными цветами (белый, красный, синий и зеленый). И каждый вид будет потреблять определенное количество тока. Например, красный диод почти всегда использует 20 мА.

Для определения нужной величины вам понадобятся:

• лабораторный блок питания, рассчитанный на 12 вольт;
• постоянные резисторы (1 кОм, 560 Ом и 2,2 кОм);
• миллиамперметр;
• цифровой вольтметр;
• монтажный провод;
• мощный переменный резистор на 470-680Ом.

Определять нужно следующим образом:

• выясняем полярность диода с помощью монтажного провода и постоянного резистора. Если диод загорится, то это будет «+»;
• собираем электрическую цепь: постоянный резистор для нужного диода, переменный резистор, а также миллиамперметр. Параллельно светодиоду нужно подключить вольтметр;

• переменный резистор ставим на максимальное сопротивление;
• подключаем цепь;
• записываем показания прибора;
• далее уменьшаем сопротивление для переменного резистора и смотрим на вольтметр. Показания нужно записывать каждые 0,1В при нарастающем напряжении;
• когда напряжение будет расти меньше чем ток — уменьшаем сопротивление резистора.

В результате получим ток одного диода.

Заключение

Вычислить сколько ампер потребляет конкретная светодиодная лента не так уж сложно. Достаточно иметь под рукой справочную литературу и провести не сложные вычисления.

Как определить ампераж диода

Полупроводниковый диод или просто диод представляет из себя радиоэлемент, который пропускает электрический ток только в одном направлении и блокирует его прохождение в другом направлении. По аналогии с гидравликой диод можно сравнить с обратным клапаном: устройством, которое пропускает жидкость только в одном направлении.

Диод — это радиоэлемент с двумя выводами. Некоторые диоды выглядят почти также как и резисторы:

А некоторые выглядят чуточку по-другому:

Есть также и SMD исполнение диодов:

Выводы диода называются — анод и катод. Некоторые по ошибке называют их «плюс» и «минус». Это неверно. Так говорить нельзя.

На схемах диод обозначается так

Он может пропускать электрический ток только от анода к катоду.

Из чего состоит диод

В нашем мире встречаются вещества, которые отлично проводят электрический ток. Сюда в основном можно отнести металлы, например, серебро, медь, алюминий, золото и так далее. Такие вещества называют проводниками. Есть вещества, которые ну очень плохо проводят электрический ток — фарфор, пластмассы, стекло и так далее. Их называют диэлектриками или изоляторами. Между проводниками и диэлектриками находятся полупроводники. Это в основном германий и кремний.

После того, как германий или кремний смешивают с мельчайшей долей мышьяка или индия, образуется полупроводник N-типа, если смешать с мышьяком; или полупроводник P-типа, если смешать с индием.

Теперь если эти два полупроводника P и N -типа приварить вместе, на их стыке образуется PN-переход. Это и есть строение диода. То есть диод состоит из PN-перехода.

Полупроводник P-типа в диоде является анодом, а полупроводник N-типа — катодом.

Давайе вскроем советский диод Д226 и посмотрим, что у него внутри, сточив часть корпуса на наждачном круге.

Вот это и есть тот самый PN-переход

Как определить анод и катод диода

1) на некоторых диодах катод обозначают полоской, отличающейся от цвета корпуса

2) можно проверить диод с помощью мультиметра и узнать, где у него катод, а где анод. Заодно проверить его работоспособность. Этот способ железный ;-). Как проверить диод с помощью мультиметра можно узнать в этой статье.

Где находится анод, а где катод очень легко запомнить, если вспомнить воронку для наливания жидкостей в узкие горлышки бутылок. Воронка очень похожа на схему диода. Наливаем в воронку, и жидкость у нас очень хорошо бежит, а если ее перевернуть, то попробуй налей-ка через узкое горлышко воронки ;-).

Диод в цепи постоянного тока

Как мы уже говорили, диод пропускает электрический ток только в одном направлении. Для того, чтобы это показать, давайте соберем простую схему.

Так как наша лампа накаливания на 12 Вольт, следовательно, на блоке питания тоже выставляем значение в 12 В и собираем всю электрическую цепь по схеме выше. В результате, лампочка у нас прекрасно горит. Это говорит о том, что через диод проходит электрический ток. В этом случае говорят, что диод включен в прямом направлении.

Давайте теперь поменяем выводы диода. В результате, схема примет такой вид.

Как вы видите, лампочка не горит, так как диод не пропускает электрический ток, то есть блокирует его прохождение, хотя источник питания и выдает свои честные 12 Вольт.

Какой вывод можно из этого сделать? Диод проводит постоянный ток только в одном направлении.

Диод в цепи переменного тока

Кто забыл, что такое переменный ток, читаем эту статью. Итак, для того, чтобы рассмотреть работу диода в цепи переменного тока, давайте составим схему. Здесь мы видим генератор частоты G, диод и два клеммника Х1 и Х2, с которых мы будем снимать сигнал с помощью осциллографа.

Мой генератор частоты выглядит вот так.

Осциллограмму будем снимать с помощью цифрового осциллографа

Генератор выдает переменное синусоидальное напряжение.

Что же будет после диода? Цепляемся к клеммам X1 и X2 и видим вот такую осциллограмму.

Диод вырезал нижнюю часть синусоиды, оставив только верхнюю часть.

А что будет, если мы поменяем выводы диода? Схема примет такой вид.

Что же получим на клеммах Х1 и Х2 ? Смотрим на осциллограмму.

Ничего себе! Диод срезал только положительную часть синусоиды!

Характеристики диода

Давайте рассмотрим характеристику диода КД411АМ. Ищем его характеристики в интернете, вбивая в поиск «даташит КД411АМ»

Для объяснения параметров диода, нам также потребуется его ВАХ

1) Обратное максимальное напряжение U_обр — это такое напряжение диода, которое он выдерживает при подключении в обратном направлении, при этом через него будет протекать ток I_обр — сила тока при обратном подключении диода. При превышении обратного напряжения в диоде возникает так называемый лавинный пробой, в результате этого резко возрастает ток, что может привести к полному тепловому разрушению диода. В нашем исследуемом диоде это напряжение равняется 700 Вольт.

2) Максимальный прямой ток I_пр — это максимальный ток, который может течь через диод в прямом направлении. В нашем случае это 2 Ампера.

3) Максимальная частота F_d , которую нельзя превышать. В нашем случае максимальная частота диода будет 30 кГц. Если частота будет больше, то наш диод будет работать неправильно.

Виды диодов

Стабилитроны

Стабилитроны представляют из себя те же самые диоды. Даже из названия понятно, чтоб стабилитроны что-то стабилизируют. А стабилизируют они напряжение. Но чтобы стабилитрон выполнял стабилизацию, требуется одно условие. Они должны подключатся противоположно, чем диоды. Анод на минус, а катод на плюс. Странно не правда ли? Но почему так? Давайте разберемся. В Вольт амперной характеристике (ВАХ) диода используется положительная ветвь — прямое направление, а вот в стабилитроне другая часть ветки ВАХ — обратное направление.

Снизу на графике мы видим стабилитрон на 5 Вольт. Сколько бы у нас не изменялась сила тока, мы все равно будем получать 5 Вольт ;-). Круто, не правда ли? Но есть и подводные камни. Сила тока не должны быть больше, чем в описании на диод, иначе он выйдет из строя от высокой температуры — Закон Джоуля-Ленца. Главный параметр стабилитрона — это напряжение стабилизации (Uст). Измеряется в Вольтах. На графике вы видите стабилитрон с напряжением стабилизации 5 Вольт. Также есть диапазон силы тока, при котором будет работать стабилитрон — это минимальный и максимальный ток (I_min, I_max). Измеряется в Амперах.

Выглядят стабилитроны точно также, как и обычные диоды:

На схемах обозначаются вот так:

Светодиоды

Светодиоды — особый класс диодов, которые излучают видимый и невидимый свет. Невидимый свет — это свет в инфракрасном или ультрафиолетовом диапазоне. Но для промышленности все таки большую роль играют светодиоды с видимым светом. Они используются для индикации, оформления вывесок, светящихся баннеров, зданий а также для освещения. Светодиоды имеют такие же параметры, как и любые другие диоды, но обычно их максимальный ток значительно ниже.

Предельное обратное напряжение (U_обр) может достигать 10 Вольт. Максимальный ток (I_max) будет ограничиваться для простых светодиодов порядка 50 мА. Для осветительных больше. Поэтому при подключении обычного диода нужно вместе с ним последовательно подключать резистор. Резистор можно рассчитать по нехитрой формуле, но в идеале лучше использовать переменный резистор, подобрать нужное свечение, замерять номинал переменного резистора и поставить туда постоянный резистор с таким же номиналом.

Лампы освещения из светодиодов потребляют копейки электроэнергии и стоят дешево.

Очень большим спросом пользуются светодиодные ленты, состоящие из множества SMD светодиодов. Смотрятся очень красиво.

На схемах светодиоды обозначаются так:

Не забываем, что светодиоды делятся на индикаторные и осветительные. Индикаторные светодиоды обладают слабым свечением и используются для индикации каких-либо процессов, происходящих в электронной цепи. Для них характерно слабое свечение и малый ток потребления

Ну и осветительные светодиоды — это те, которые используются в ваших китайских фонариках, а также в LED-лампах

Светодиод — это токовый прибор, то есть для его нормальной работы требуется номинальный ток, а не напряжение. При номинальном токе на светодиоде падает некоторое напряжение, которое зависит от типа светодиода (номинальной мощности, цвета, температуры). Ниже табличка, показывающая какое падение напряжения бывает на светодиодах разных цветов свечения при номинальном токе:

Как проверить светодиод можно узнать из этой статьи.

Тиристоры

Тиристоры представляют собой диоды, проводимость которых управляется с помощью третьего вывода — управляющего электрода (УЭ). Основное применение тиристоров — это управление мощной нагрузкой с помощью слабого сигнала, подаваемого на управляющий электрод. Выглядят тиристоры примерно как диоды или транзисторы. У тиристоров параметров столько, что не хватит статьи для их описания. Главный параметр — I_ос,ср. — среднее значение тока, которое должно протекать через тиристор в прямом направлении без вреда для его здоровья. Немаловажным параметром является напряжение открытия тиристор — (U_у), которое подается на управляющий электрод и при котором тиристор полностью открывается.

а вот так примерно выглядят силовые тиристоры, то есть тиристоры, которые работают с большой силой тока:

На схемах триодные тиристоры выглядят вот таким образом:

Существуют также разновидности тиристоров — динисторы и симисторы. У динисторов нет управляющего электрода и он выглядит, как обычный диод. Динисторы начинают пропускать через себя электрический ток в прямом включении, когда напряжение на нем превысит какое-то значение. Симисторы — это те же самые триодные тиристоры, но при включении пропускают через себя электрический ток в двух направлениях, поэтому они используются в цепях с переменным током.

Диодный мост и диодные сборки

Производители также несколько диодов заталкивают в один корпус и соединяют их между собой в определенной последовательности. Таким образом получаются диодные сборки. Диодные мосты — одна из разновидностей диодных сборок.

На схемах диодный мост обозначается вот так:

Существуют также и другие виды диодов, такие как варикапы, диод Ганна, диод Шоттки и тд. Для того, чтобы их всех описать, нам не хватит и вечности.

Как определить параметры светодиода?

В связи с глобальным развитием технологий широкое применение в электронике получили светодиоды. Они обладают множеством особенностей, из которых можно выделить компактность и яркое свечение. Помимо номинального тока, который является их главным параметром, нужно знать рабочее напряжение светодиодов. Этот параметр часто используют для проведения расчетов. Если правильно подобрать параметры устройства, можно продлить срок его службы. Напряжение для светодиода является разницей потенциалов на p-n-переходе, что отмечается в паспортных данных прибора. Бывают случаи, когда нет информации о конкретном изделии, тогда возникает вопрос: «Как определить падение напряжения на светодиоде?».

Определение тока

Для осуществления этого есть несколько методов. Рассмотрим наиболее простой из них. Чтобы определить номинальный ток светодиода, потребуется наличие тестера, называемого мультиметром. Такой метод также применяется для обычных диодов.

Измерение силы тока светодиода

Тестирование проводится следующим образом:

• Щупы мультиметра подключаются плюсовым выводом к аноду, а минусовым к катоду.
• Анодный вывод у светодиода делается длиннее, чем катодный.
• Прозванивать можно светодиоды, у которых небольшое напряжение питания. Если у них большая мощность, применять такой метод нельзя.

Лучше воспользоваться проверенным способом измерения характеристик устройства. Для этого понадобятся:

• блок питания, рассчитанный на 12 В;
• мультиамперметр;
• постоянные резисторы – 2,2 и 1 кОм, а также 560 Ом;
• переменный резистор – 470–680 Ом;
• вольтметр, желательно цифровой;
• провода для коммутации схемы.

Как и в предыдущем случае, потребуется узнать полярность диода. Если по его выводам непонятно, где «+» и «-», тогда придется к одному из выводов подсоединить резистор 2,2 кОм. После этого нужно подключить светодиод к блоку питания. При его свечении нужно отключить питание и промаркировать нужный выход «+».

Теперь нужно заменить резистор 2,2 кОм на 560 Ом. В эту цепь последовательно подсоединяется переменный резистор, а также миллиамперметр для проведения замера. Вольтметр, у которого разрешение 0,1 В, подключается параллельно светодиоду. После этого необходимо установить максимальное сопротивление у переменного резистора.

Мультиметр для замера силы тока и напряжения светодиода

Можно подсоединить собранную схему к блоку питания, соблюдая полярность. После включения у светодиода будет блеклое свечение. Сопротивление постепенно снижают и следят за вольтметром. Определенное время напряжение будет расти до 0,5 В, расти будет и ток, что влияет на увеличение яркости светодиода. Необходимо фиксировать показания каждые 0,1 В. Оптимальный рабочий ток будет достигнут, когда величина напряжения станет расти медленнее силы тока, а яркость перестанет увеличиваться.

Как узнать падение напряжения?

Для того чтобы определить, на сколько вольт светодиод, можно воспользоваться теоретическим и практическим методами. Они оба хороши и применяются в зависимости от ситуации и сложности испытуемого прибора.

Теоретический метод

Для анализа характеристик светодиода таким способом большую подсказку дают габариты прибора, цвет и форма его корпуса. Примеси различных химических элементов вызывают свечение кристаллов от красного до желтого цвета. Конечно, если видна расцветка корпуса, тогда можно определить некоторые параметры светодиода по внешнему виду. Но при его прозрачности придется воспользоваться мультиметром. Выставляем тестер на «обрыв» и щупами прикасаемся к выводам светодиода. Ток, проходящий через светодиод, вызывает слабое свечение кристалла.

Типы и виды светодиодов

В состав этих изделий входят различные полупроводниковые металлы. Этот фактор и влияет на падение напряжения на p-n-переходе. Чтобы обозначить такие характеристики, независимо от марок и производителей светодиода, их окрашивают в различные цвета. Но стоит знать, что конкретно утверждать, на сколько вольт светодиод, опираясь только на его окраску, будет неверно. Цвета этих приборов дают приблизительные значения для проведения измерений. Примерные параметры по цветовому признаку приведены в таблице.

Цвет прибора	Напряжение, В
Красный	1,63–2,03
Желтый	2,1–2,18
Зеленый	1,9–4,0
Синий	2,48–3,7
Оранжевый	2,03–2,1
Инфракрасный	до 1,9
Фиолетовый	2,76–4
Белый	3,5
Ультрафиолетовый	3,1–4,4

Примерные характеристики светодиода можно определить по цвету его корпуса и размерам

На прямое напряжение светодиода не воздействуют габариты или вариации корпуса, однако может проглядываться количество кристаллов, которые излучают свет и соединяются последовательно. Бывают виды элементов SMD, где люминофор прячет цепочку кристаллов.

В корпусе SMD-светодиода последовательно соединяются три кристалла белого цвета. Наиболее часто они применяются в лампах на 220 В китайского производства. Из-за того, что такие светодиоды начинают реагировать только от 9,6 вольт, протестировать их мультиметром не удастся, так как его батарейка питания рассчитана на 9,5 В.

Теоретически можно воспользоваться интернетом, скачав специальную программу datasheet, в поисковике которой вписать известные параметры светодиода, его цвет. Это позволит найти приблизительные характеристики, где падение напряжения и значения тока могут быть неточными.

Практический метод

Проведение тестирования практическим способом позволяет получить наиболее точные значения силы тока и падения напряжения. Рассчитанная таким образом характеристика прибора позволяет безопасно и долговременно использовать его по назначению. Для получения неизвестных параметров потребуется вольтметр, мультиметр, блок питания, рассчитанный на 12 В, резистор от 510 Ом.

Принцип измерений аналогичен описанному выше для тестирования светодиода на номинальный ток. Необходимо собрать схему с резистором и вольтметром, после чего увеличивать постепенно напряжение до начала свечения кристалла. При достижении яркости высшей точки показания замедляют рост. Можно снимать с экрана номинальное напряжение светодиода.

При 1,9 вольт может отсутствовать свечение. В этом случае часто проверяется инфракрасный диод. Чтобы это уточнить, необходимо перевести излучатель в телефонную камеру. Если будет видно на экране белое пятно, то это и есть инфракрасный диод.

Схема проверки падения напряжения на светодиоде

Если нет возможности применить блок питания на постоянные 12 В, можно использовать батарейку «Крона», рассчитанную на 9 вольт. При отсутствии вышеперечисленных источников питания отлично подойдет стабилизатор сетевого напряжения, который может выдавать необходимое выпрямленное напряжение, только потребуется заново рассчитать номинал сопротивления резистора, задействованного в схеме. В этом случае также нужно повышать напряжение до засвечивания светодиода. Напряжение, при котором произойдет свечение, и будет номинальным, на которое он рассчитан.

При неизвестных характеристиках светодиода обязательно необходимо рассчитывать его значения номинального тока и падения напряжения, чтобы предотвратить быстрый выход из строя.

Как определить ампераж диода

Некоторые популярные диоды

Определение и типы диодов

Упрощенно диод можно понимать как активный электрический элемент проводящий ток только в одном направлении. Как клапан в гидравлике. Существует несколько типов диодов отличающихся как по физическому принципу работы, так и по базовому материалу. В очень общих чертах они делятся на полупроводниковые и вакуумные. Итак, диоды бывают:

— вакуумные (они же кенотроны);

— на основе p-n перехода между полупроводниками различных типов проводимости: кремниевые (Si) и карбидокремниевые (SiC) диоды;

— на основе контакта Шоттки между металлом и полупроводником.

Вакуумные диоды используются крайне редко, только в спецприложениях, например высоковольтной и высокочастотной технике. Наиболее популярными диодами являются кремниевые диоды и диоды Шоттки.

Кроме физической природы диоды классифицируются по функциональному назначению:

— выпрямительные диоды , используемые, как правило, для выпрямления сетевого напряжения низкой частоты (50 Гц). Как правило, это кремниевые, дешевые диоды. Они ставятся как непосредственно на входе безтрансформаторных импульсных источников питания, так и после трансформатора в трансформаторных источниках.

— быстродействующие кремниевые диоды — используются в составе импульсных источников питания при высоких значениях обратного напряжения (100-1000 вольт). Отличаются малым временем восстановления обратной проводимости, составляющим величину менее 200 нс. Внутри класса имеют условную подклассификацию Fast (500-150 нс), UltraFast (70-50 нс), HiperFast (35-20 нс).

— кремниевые импульсные диоды – используются в составе функциональных (не силовых) цепей. Типичный пример – диод 1N4148; Отличаются малыми рабочими токами (миллиамперы) и большим быстродействием (время обратного восстановления 1N4148 – 4 нс).

— высоковольтные диоды – представляют собой последовательное соединение нескольких (5-20 штук) кристаллов кремниевых диодов в одном корпусе. При этом максимальное обратное напряжение составляет единицы-десятки киловольт, а ток как правило – небольшой и не превышает 1 ампера. Используются в ряде специальных приложений. Быстродействие этих диодов, как правило, невысокое.

Отдельно следует выделить диоды Шоттки – которые используются и как функциональные (сигнальные) диоды и как силовые. Их отличительными чертами являются высокое быстродействие, малое падение напряжения (0,3-0,5 В) по сравнению с кремниевыми диодами (1-1,2 В). К недостаткам относят сравнительно малое обратное напряжение (20-100 В) чувствительность к перенапряжению, значительный обратный ток. Диоды Шоттки часто используются в качестве выпрямительных диодов высокочастотных преобразователей с малым выходным напряжением.

Здесь не рассматриваются диоды чисто радиочастотных применений СВЧ, варикапы, смесительные и т.д. поскольку это вы ходит за рамки данного повествования.

Условное обозначение диода представлено на рисунке VD.1

Рисунок VD.1 – Условное обозначение диода на основе p-n перехода и диода Шоттки

Электрод, в который втекает ток, называется анодом, а электрод из которого ток вытекает – катодом. Исторические названия эти связаны с вакуумными диодами, в которых электроны эмитировались накальным катодом и принимались анодом. Символически диод обозначает собой направление протекания тока.

Функциональные применения диода

— выпрямление переменного тока в составе тех или иных выпрямителей (включая умножители напряжения);

— защита от превышения напряжения в схемах ограничения уровня и снабберах;

— в пиковых детекторах на операционных усилителях;

— в низковольтных стабилизаторах напряжения (используется прямое падение напряжения);

— в схемах на переключаемых конденсаторах, включая схемы бустрепного питания;

— схемах реализации логических операций ИЛИ (рисунок VD.3 ).

Ниже представлено несколько примеров использования диодов.

Рисунок VD.2 — Схема двухполупериодного выпрямителя

Рисунок VD.3 — Схема реализации логических операций ИЛИ

— схемах ограничения амплитуды сигнала (рисунок VD.4).

Рисунок VD.4 — Схема ограничения амплитуды сигнала

Характеристики диодов

Основной характеристикой диода является его ВАХ – вольтамперная характеристика – зависимость тока пропускаемого диодом от напряжения на нем. Она не линейна и имеет фактически экспоненциальный характер.

Форма кривой ВАХ диода (рисунок VD.5) зависит от температуры: при нагреве уменьшается прямое падение напряжения и возрастает обратный ток, снижается напряжение пробоя.

Рисунок VD.5. Форма вольтамперной характеристики диода

Из вольтамперной характеристики следуют её производные:

— прямое падение напряжение на диоде V_F (при заданных токе и температуре);

— обратный ток утечки I_RM (при заданном обратном напряжении и температуре);

— максимальное обратное напряжение V_R (при заданной температуре).

Площадь p-n перехода, размер кристалла, конструкция теплоотвода определяют мощностные характеристики диода:

— максимальный постоянный рабочий ток;

— максимальный импульсный ток (при заданной длительности импульса);

— максимальная отводимая (рассеиваемая мощность);

— тепловое сопротивление корпуса.

Динамическими характеристиками диода, определяющими его быстродействие, являются:

— время восстановления при резкой смене напряжения с прямого на обратное;

На рисунках VD.6 — VD.8 представлены экспериментально измеренные ВАХ распространенных типов диодов (для сравнения представлены ВАХ кремниевых диодов и диода Шоттки).

Рисунок VD.6 — Экспериментально измеренная вольтамперная характеристика кремниевого диода 1N4148

Рисунок VD.7 Экспериментально измеренная вольтамперная характеристика кремниевого диода FR157

Рисунок VD.8 Экспериментально измеренная вольтамперная характеристика диода Шоттки 1N5819

Основные параметры реальных диодов

1. Максимальное импульсное обратное напряжение (Peak Repetitive Reverse Voltage) V_RRM– максимальная величина прикладываемого к диоду импульсного обратного напряжения.

2. Максимальное рабочее обратное напряжение (Working Peak Reverse Voltage) V_RWM – максимальная величина прикладываемого к диоду обратного напряжения в рабочем режиме.

3. Максимальное блокирующее напряжение (DC Blocking Voltage) V_R – максимальная величина прикладываемого к диоду постоянного напряжения. Выше этого напряжения начинается пробой. Соответствует началу пробоя на обратной ветви ВАХ.

NB: На практике все перечисленные типы напряжения равны между собой и при проектировании схем необходимо, не допускать превышения напряжения на диоде данной величины.

4. Максимальное среднеквадратичное обратное напряжение (RMS Reverse Voltage) V_R(RMS) – максимальная величина действующего (среднеквадратичного) напряжения в цепи переменного тока, превышение которой приводит к пробою диода. Фактически подразумевается переменное напряжение синусоидальной формы.

5. Средний рабочий ток (Average Rectified Output Current) I_O – максимальное среднеквадратичное значение тока проходящего через диод в стационарном режиме.

6. Максимальный импульсный ток (Repetitive peak forward current) I_FRM — максимальная амплитуда импульсного периодического тока проходящего через кристалл диода. Как правило, указывается длительность импульсов и частота повторения.

7. Максимальный импульсный непериодический ток (Non-Repetitive Peak Forward SurgeCurrent) I_FSM — максимальная амплитуда импульсного непериодического тока проходящего через кристалл диода. Как правило, указывается длительность импульса.

8. Прямое падение напряжения на диоде (Forward Voltage) V_FM – падение напряжения на диоде при прямом смещении (в открытом состоянии). Как правило, указывается при конкретной величине прямого тока.

9. Максимальный обратный ток (Peak Reverse Current) I_RM – максимальный обратный ток через диод. Указывается при максимальном обратном напряжении на диоде и при конкретном значении температуры.

10. Ёмкость p-n перехода (Typical Junction Capacitance) C_j – паразитная емкость p-nперехода диода. Сильно зависит от приложенного обратного напряжения, поэтому в datasheetкроме усредненной величины, как правило, приводят зависимость емкости от обратного напряжения.

11. Тепловое сопротивление кристалл – воздух (Typical Thermal Resistance Junction toAmbient) R_θJA – тепловое сопротивление между кристаллом (p-n переходом) диода и окружающим воздухом. Зависит от типа корпуса.

12. Максимальная рабочая температура (Maximum DC Blocking Voltage Temperature) T_A – максимальная рабочая температура при которой сохраняется указанное значение максимального обратного напряжения.

13. Максимальная рассеиваемая мощность (Total power dissipation) P_tot – максимальная мощность рассеиваемая корпусом диода.

14. Параметр максимальной энергии поглощаемой кристаллом без разрушения (Rating for fusing) I 2 t – произведение квадрата максимального импульсного тока через диод на его длительность. Это соотношение, измеряемое в А 2 с (ампер в квадрате на секунду) используется при выборе защитных цепей от перегрузки (предохранителей).

15. Время восстановления обратной проводимости (Reverse recovery time) t_rr – время за которое диод после приложения обратного напряжения переходит в закрытое состояние (обратная проводимость).

Максимальные ток и мощность диода

Режим постоянного тока

Полупроводниковый диод – нелинейный элемент мощность, рассеиваемая на диоде равна произведению напряжения на диоде V_VD и тока через него I_VD:

Для практических расчетов в качестве V_VD можно брать падение напряжения при номинальном токе, указываемое в справочных листках. Поскольку напряжение на диоде составляет величину порядка 1,0-1,5 В (для кремниевого диода, для Шоттки меньше) и слабо изменяется с ростом тока, то в первом приближении можно считать, что рассеиваемая на диоде мощность прямо пропорциональна току через него:

Это существенно отличает нелинейный диод от линейного резистора, мощность которого пропорциональна квадрату тока. В справочных листках указывается максимальное значение постоянного тока через диод. Этот ток задает максимальное значение отводимой от кристалла диода тепловой мощности.

Представленная формула описывает потери на кристалле диода при прямом смещении, то есть при протекании прямого тока через диод. Потери при обратном смещении, то есть при реверсном токе обычно пренебрежимо малы, однако в ряде случаев их необходимо учитывать (об этом ниже).

Режим импульсного тока

Импульсный ток через диод может в разы превышать максимальное значение для постоянного тока. В режиме импульсных токов на первое место выходит максимальная энергия рассеивания кристалла диода, определяющая предельные режимы импульсных нагрузок при которых еще не происходит термическое разрушение кристалла. В справочных листках обычно приводят номограммы произведения длительности токового импульса на его величину.

Динамические характеристики диода. Восстановление обратной проводимости. Барьерная емкость диода

Быстродействие диода, то есть свойство быстро восстанавливать обратную проводимость, является важной характеристикой для диодов, работающих в условиях быстрой смены полярностей напряжения прикладываемого к диоду – в высокочастотных выпрямителях, схемах бустрепного питания, детекторных схемах и ряде других.

На рисунке VD.9 представлен один из типовых фрагментов электрических схем с диодами и полупроводниковыми ключами. Эта схема описывает жесткий режим восстановления обратной проводимости диода. На примере этой схемы поясним процесс восстановленияобратной проводимости диода [EE33D — Power Electronic Circuits ссылка], [2 Reasons Why Soft-Recovery Trr is Important in High Voltage Diodes ссылка], [Understanding Diode Reverse Recovery and its Effect on Switching Losses. Peter Haaf, Jon Harper. Fairchild Power Seminar 2007]. Временные диаграммы токов и напряжений, описывающих процессы в представленной схеме представлены на рисунке VD.10.

Рисунок VD.9. Электрическая схема включения диода для пояснения эффекта обратного восстановления

Рисунок VD.10. Временные диаграммы напряжений и токов схемы поясняющие процесс восстановления обратной проводимости диода

Для упрощенного понимания процессов выключения диода примем индуктивность L в схеме достаточно большой, чтобы она фактически играла роль источника тока. В начальный момент времени полупроводниковый ключ закрыт, и ток индуктивности полностью замыкается через диод. После подачи управляющего импульса на затвор транзистора и превышения им некоторого порогового напряжения происходит постепенный рост тока через ключ I_SW, начиная с момента времени t_switch. При этом ток, протекающий через диод I_Dпостепенно уменьшается, поскольку ток индуктивности начинает частично «сливаться» через открывающийся ключ. В некоторый момент времени (начало интервала t_A) когда ток индуктивности полностью замкнется через ключ (I_L = I_SW) ток через диод изменит свое направление. В первой половине импульса реверсного тока (период t_A) происходит разряд емкости p-n перехода при этом напряжение на диоде некоторое время остается положительным а обратный ток достигает максимума. Далее обратный ток через диод начинает снижаться (период t_B), а обратное напряжение возрастает до напряжения источника V_DC.

Практически важной характеристикой является форма кривой обратного тока в момент восстановления обратной проводимости (рисунок VD.10). По кривой определяется время восстановления и «мягкость восстановления». Кривая реверсного тока имеет два характерных периода:

— период t_A – время от начала импульса реверсного тока (пересечение током нулевой линии) до максимального значения обратного тока I_RRM . Соответствует разряду зарядов накопленных в так называемой обеднённой области p-n перехода.

— период t_B – время между моментом соответствующим максимуму обратного тока I_RRM и моментом когда ток уменьшится на 25% от максимального достигнутого значения.

Время восстановления обратной проводимости (reverse recovery time) t_RR определяется по осциллограмме обратного тока (рисунок VD.10) как время между пересечением тока нулевой отметки (начало реверсного тока) и моментом когда величина реверсного тока спадает на 25% от своего максимально достигнутого значения. Время восстановления – интуитивно понятный параметр, характеризующий время, за которое диод восстанавливает свои непроводящие свойства. Время восстановления обратной проводимости t_RR равно сумме времен периодов t_A и t_B:

Максимальное значение реверсного тока I_R связано с длительностью периода t_A и скоростью спада тока:

Критерий «мягкости восстановления» (softness factor) SF – критерий определяющий скорость обрыва обратного тока. Если обрыв тока происходит слишком резко, то это может стать причиной нежелательных перенапряжений обусловленных паразитными индуктивностями контуров. Иногда этот эффект используют в генераторах импульсов на основе специализированных SOS-диодов. В качестве критерия «мягкости» использую так называемы «фактор мягкости» SF определяемый как отношение длительностей периодов t_B к t_A :

Для обычных диодов t_A много больше t_B , для импульсных «мягких» диодов наоборот t_Bмного больше t_A. «Фактор мягкости» SF можно определить из datasheet диодов исходя из представленных временных осциллограмм восстановления обратной проводимости. Обычно для импульсных силовых диодов класса «ultrafast» характерное значение SF равно 1, для обычных диодов величина SF может составлять 0,2-0,6.

Заряд обратного восстановления (Reverse Recovery Charge) Q_RR – это реверсный заряд, который должен пройти через переход диода для перевода его из состояния проводимости в закрытое состояние. Заряд обратного восстановления является базовым параметром диода, определяющим его динамические характеристики. Исходя из формы импульса реверсного тока этот заряд равен:

Откуда максимальный ток определяется из соотношения:

Приравнивая выражения для I_R получаем:

Преобразуя это выражение получаем:

Учитывая, что t_A и t_B связаны через «фактор мягкости» SF:

Откуда выразим t_A:

Откуда получаем практически важные соотношения:

— для расчета времени восстановления обратной проводимости t_RR :

— и для расчета максимальной величины обратного тока I_RRM :

Используя представленные выражения, рассчитываются динамические характеристики диода.

Барьерная емкость диода — собственное значение емкости p-n перехода находящегося в обратном смещении (закрытом состоянии). В дополнение к выше описанному инерционному процессу «переключения» диода в непроводящее состояние диод, когда к нему приложено обратное напряжение он (диод) обладает собственным значением барьерной емкости, которая зависит от напряжения, что важно также учитывать при расчете динамических режимов. Емкость пропорциональна площади p-n перехода, на практике это означает, что более мощные диоды с большим номинальным током будут иметь и большее значение емкости. Реально величина емкости не является постоянной и существенно зависит от приложенного напряжения.

Расчет тепловых потерь в диоде на переключение

В момент восстановления проводимости к диоду приложено обратное напряжение и через него протекает некоторый импульс тока длительностью t_rev. Таким образом, в кристалле диода выделяется некоторая энергия:

Общая выделяемая тепловая мощность пропорциональна частоте импульсов f.

Основное выделение энергии происходит в периода t_B когда напряжение на диоде имеет величину существенно большую по сравнению с прямым падением напряжения (как в период t_A). Полагая линейную форму спада тока и роста обратного напряжения получим:

Выражение для напряжения на диоде будет иметь вид:

Выражение для тока через диод будет иметь вид:

Выражение для выделяющейся мощности на диоде будет иметь вид:

Перемножая V_VD(t) и I_VD(t), получаем:

Упрощая которое получаем выражение для мощности динамических потерь P_{VD_trans}«на переключение»:

V_DC – обратное напряжение, (напряжения источника питания);

f — рабочая частота;

I_RRM — максимальная величина обратного тока, вычисляемая по формуле:

здесь: Q_RR заряд обратного восстановления (Reverse Recovery Charge) – представлен в datasheet-ах, скорость спада тока di/dt определяется характеристиками схемы, а «фактор мягкости» SF можно определить из datasheet диодов исходя из представленных временных осциллограмм восстановления обратной проводимости. Обычно для импульсных диодов характерное значение SF равно 1.

t_B — время между моментом соответствующим максимуму обратного тока I_RRM и моментом когда ток уменьшится на 25% от максимального достигнутого значения. Учитывая связь t_A и t_B через «фактор мягкости» SF получаем:

Отсюда t_B может быть вычислено по соотношению:

Учитывая, что в большинстве случаев SF≈1, то в первом приближении t_B может быть определено как:

Объединим в итоговое выражение для мощности динамических потерь диода P_{VD_trans} «на переключение»:

Упростим данное соотношение:

Результирующее выражение для мощности динамических потерь P_{VD_trans} «на переключение» имеет вид:

Q_RR — заряд обратного восстановления;

V_DC – обратное напряжение, (напряжения источника питания);

f — рабочая частота;

SF — «фактор мягкости» диода (в первом приближении может быть принят равным 1).

В ряде случаев в datasheet не приводится значение заряда обратного восстановления Q_RR, а приводятся:

— зависимости тока восстановления обратной проводимости от I_RRM от скорости спада тока di/dt;

— зависимости времени восстановления обратной проводимости t_RR от скорости спада тока di/dt.

В этом случае мощности динамических потерь P_{VD_trans} вычисляется по соотношению:

V_DC – обратное напряжение, (напряжения источника питания);

I_RRM(di/dt) — ток восстановления обратной проводимости от I_RRM при заданной скорости спада тока di/dt;

t_RR(di/dt) — зависимости времени восстановления обратной проводимости t_RR при заданной скорости спада тока di/dt.

SF — SF — «фактор мягкости» диода (в первом приближении может быть принят равным 1);

f — рабочая частота.

Обратная ветвь ВАХ – напряжение пробоя, обратный ток

По мере увеличения прикладываемого к диоду обратного напряжения монотонно возрастает и обратный ток. При этом для каждого диода существует обратное напряжение, при достижении которого резко возрастает обратный ток и напряжение на диоде быстро падает. При этом пороговом напряжении происходит пробой диода – в большинстве случаем необратимое изменение внутренней структуры диода, сопровождаемое нарушением целостности p-n перехода. Следствием пробоя является выход диода из строя. Исключением являются лавинные диоды, пробой которых носит обратимый характер.

Обратный ток возрастает с увеличением температуры, также с увеличением температуры снижается напряжение пробоя.

Для кремниевых диодов, эксплуатируемых при нормальной температуре тепловой мощностью, выделяемой при приложенном обратном напряжении можно пренебречь. Однако при более жестком температурном режиме и больших значениях обратного напряжения эта мощность может иметь значительную величину, сопоставимую с мощностью потерь в проводящем состоянии.

Для диодов Шоттки обратный ток существенно больше, чем для кремниевых диодов и его необходимо учитывать в расчетах в любом случае.

Мощность, рассеиваемая на диоде при обратном смещении равна произведению напряжения приложенного к диоду V_{VD_rev} и протекающего под действием этого напряжения обратного тока через него I_{VD_rev}:

— для диода MUR1100E при температуре 100 °С обратный ток составляет величину порядка 600 мкА, если к диоду приложено обратное напряжение 800 В то выделяющаяся тепловая мощность равна 0,48 Вт!

— для диода серии US1 максимальный обратный ток составляет 150 мкА (при температуре 100 °С) и при обратном напряжении 1000 В выделяющаяся тепловая мощность составляет 0,15 Вт.

Важно то, что здесь работает принцип положительной обратной связи: с ростом температуры выделяемая мощность увеличивается, что в свою очередь приводит к росту температуры.

Итак, тепловой режим диода работающего в условиях тока переменной полярности складывается из мощности, выделяемой при прохождении прямого тока, мощности выделяемой в диоде при смене направления тока и мощности выделяемой при обратном смещении:

P_{VD_total} – общая мощность, рассеиваемая на диоде;

P_{VD_stat+} – мощность, выделяемая при прохождении прямого тока;

P_{VD_stat-} – мощность, выделяемая при прохождении обратного тока;

P_{VD_trans} – мощность, выделяющаяся на диоде в результате переходных процессов.

Последовательное и параллельное включение диодов

Последовательное включение

Последовательное включение диодов используют для увеличения максимального обратного напряжения V_R (рисунок VD.11). При этом необходимо помнить, что увеличивается прямое падение напряжения на диодной сборке.

Рисунок VD.11 — Последовательное включение диодов для увеличения максимального обратного напряжения

При приложении обратного напряжения к сборке падения напряжения на диодах распределяются в соответчики с обратной ВАХ каждого из диодов. Из за разброса ВАХ может возникнуть ситуация в которой к некоторым диодам сборки будет приложено напряжение превышающее максимальное и возникнет пробой одного диода сборки. После этого общее приложенное напряжение перераспределится между оставшимися диодами и при этом напряжение на каждом из них возрастет. Это с высокой долей вероятности может привести к постепенному выгоранию всех диодов сборки. Для повышения надежности применяют выравнивающие резисторы, сопротивление которых выбирается таким образом, чтобы ток через резистор был в 2-5 раз больше максимального тока утечки диода:

V_R – максимальная величина прикладываемого к диоду постоянного напряжения.

I_RM – максимальный обратный ток через диод. В расчетах необходимо учитывать ток при температуре соответствующей рабочей температуре эксплуатации.

Рисунок VD.12 — Последовательное включение диодов с резисторами, выравнивающими падение обратного напряжения на диодах

Параллельное включение

Параллельное включение диодов можно использовать для диодов с положительным (например на основе карбида кремния SiC) или небольшим отрицательным температурным коэффициентом более 2 мВ/К, но при условии их термического соединения (размещение на одном радиаторе). Это необходимо для того чтобы токи, протекающие через диоды выравнивались. На практике при параллельном соединении двух кремниевых диодов или диодов Шоттки максимальные рабочий ток не удваивается, а увеличивается на 50-70 %. Это обусловлено разницей хода ВАХ диодов, так что один диод будет нагружен по максимуму, а второй будет ему «помогать». Физика этого эффекта объясняется наличием положительной обратной связи: если через какой-либо из диодов протекает несколько больший, чем через другой, то он нагревается больше. При нагреве кремниевых диодов ВАХ изменяется таким образом, что при постоянном приложенном напряжении ток возрастает. Это приводит еще большему увеличению доли общего тока через этот диод. Уменьшить эту положительную обратную связь можно путем организации термической связи между диодами, то есть разместить их на одном радиаторе охлаждения. В этом случае «лидирующий» по току диод будет подогревать «отстающий» и увеличивать долю тока через него. В целом на практике целесообразно параллельно соединять лишь диоды, расположенные на одном кристалле в одном корпусе.

Рисунок VD.13 — Параллельное включение диодов для увеличения максимального рабочего тока