Анод диода на схеме

Принцип работы диода. Вольт-амперная характеристика. Пробои p-n перехода.

Здравствуйте уважаемые читатели сайта sesaga.ru. В первой части статьи мы с Вами разобрались, что такое полупроводник и как возникает в нем ток. Сегодня мы продолжим начатую тему и поговорим о принципе работы полупроводниковых диодов.

Диод – это полупроводниковый прибор с одним p-n переходом, имеющий два вывода (анод и катод), и предназначенный для выпрямления, детектирования, стабилизации, модуляции, ограничения и преобразования электрических сигналов.

По своему функциональному назначению диоды подразделяются на выпрямительные, универсальные, импульсные, СВЧ-диоды, стабилитроны, варикапы, переключающие, туннельные диоды и т.д.

Полупроводниковые диоды

Теоретически мы знаем, что диод в одну сторону пропускает ток, а в другую нет. Но как, и каким образом он это делает, знают и понимают не многие.

Схематично диод можно представить в виде кристалла состоящего из двух полупроводников (областей). Одна область кристалла обладает проводимостью p-типа, а другая — проводимостью n-типа.

Диод в виде кристалла полупроводника

На рисунке дырки, преобладающие в области p-типа, условно изображены красными кружками, а электроны, преобладающие в области n-типа — синими. Эти две области являются электродами диода анодом и катодом:

Анод – положительный электрод диода, в котором основными носителями заряда являются дырки.

Катод – отрицательный электрод диода, в котором основными носителями заряда являются электроны.

На внешние поверхности областей нанесены контактные металлические слои, к которым припаяны проволочные выводы электродов диода. Такой прибор может находиться только в одном из двух состояний:

1. Открытое – когда он хорошо проводит ток;
2. Закрытое – когда он плохо проводит ток.

Определяем полярность диода: катод и анод – это минус или плюс

Чтобы создавать эффективные электронные схемы с диодами, требуется минимальный объем знаний об их устройстве и принципе работы. Перед началом пайки обязательно необходимо определить, где у этих элементов анод и где катод. Визуального осмотра бывает недостаточно, если электронные элементы приобретены без технической документации или выпаяны из старого оборудования. Для проверки обязательно требуется тестер с различными режимами работы и источник питания с напряжением 3-6 вольт.

  • 1 Что такое диод
  • 2 Виды диодов
  • 3 Назначение диода
  • 4 Катод и анод это плюс или минус
  • 5 Полярность светодиода как определить плюс и минус
    • 5.1 Как определить полярность тестером мультиметром
    • 5.2 По внешнему виду
    • 5.3 Путем подачи питания
    • 5.4 Технической документации

    Что такое анод и катод: объясняю простыми словами

    Для корректной работы полупроводниковых приборов, работающих в цепях с постоянным током, электроды радиоэлементов необходимо подключать с учетом их полярности. Неправильное подключение может привести к выходу из строя радиоэлемента либо к отказу в работе электронного прибора. С целью избегания ошибок электроды таких деталей получили специальное название – анод и катод.

    Часто эти электроды обозначаются на схемах соответствующими символами «+» или «–», либо определяются по схематическому изображению радиоэлемента. На корпусах деталей иногда проставляется точка или другая метка, позволяющая определить направление тока на конкретном электроде. Иногда полярность выводов приходится определять по специальным таблицам или с помощью измерительного прибора.

    Режимы работы pin-диода

    В этом состоянии через него протекает постоянный ток IF, а внешнее воздействие называется прямым смещением. Зная падение напряжения UDC на диоде (

    1 В), необходимо резистором ограничить ток в цепи смещения. Для такого включения диода положительный контакт источника должен быть подключен к аноду диода. В таком состоянии диод представляет собой постоянный резистор RS (

    1 Ом) для СВЧ тока. Существует зависимость RS от величины IF и она носит обратно пропорциональный характер, а наличие этой зависимости позволяет использовать диод как электрически управляемый аттенюатор. Область собственной проводимости заполнена носителями заряда, которые имеют некоторое конечное время жизни т. Важно, чтобы период колебаний СВЧ-поля был меньше этого времени, тогда высокочастотное поле не будет влиять на режим работы диода. Также в ряде случаев можно учесть паразитные емкости и индуктивности корпуса или просто индуктивности выводов L диода. Они могут быть либо измерены, либо предоставлены производителем.

    К аноду приложено отрицательное напряжение, ток через диод не течет, за исключением тока утечки IR (

    мкА). Носители заряда в базе отсутствуют. Диод представляет собой плоскопараллельный конденсатор, обкладками которого являются p и n области, а диэлектриком – база. Для СВЧ-поля диод в таком состоянии является емкостью, то есть имеет большое реактивное сопротивление, уменьшающееся с ростом частоты и самого значения емкости:

    Кроме того, параллельно емкости включен резистор RP (

    кОм), который определяет потери СВЧ-энергии. Иногда в литературе этот резистор рассматривают как включенный последовательно емкости, и тогда он имеет величину, примерно равную RS.

    При нулевом смещении на диоде в базе присутствует объемный заряд, который рассасывается при увеличении отрицательного напряжения. Тогда же и емкость стремится к своему конечному значению и после некоторого момента перестает зависеть от значения отрицательного напряжения. В зависимости от конструкции диода емкость может достигать «насыщения» как при единицах вольт отрицательного напряжения смещения, так и нескольких нескольких десятках вольт. В отличие от емкости, величина параллельного резистора увеличивается при увеличении обратного напряжения на диоде.

    Почему нужно уметь отличать анод от катода

    Определение «плюса» и «минуса» светодиода необходимо для проверки имеющейся пиктограммы там, где она отсутствует. Часто это случается на новых, «б-ушных», выпаянных из старых схем, диодах. В этом случае нет никакой гарантии, что производитель дешевых элементов не ошибся в их маркировке. Поэтому гарантии соответствия имеющейся маркировки никакой нет.

    Подключение без проведения предварительного тестирования может завершиться пробивкой LED и не работающей электрической цепью. Произойдёт это из-за того, что ток диода движется в одном направлении (кроме двухцветников, моргающих светодиодов или ИК). Только верная распайка позволит получить нормальную, рабочую электросхему.

    Важно! Точное определение, где у диода анод и катод позволяет собирать правильные электрические цепи, исключить вероятность пробивки LED или моргания светодиодов.

    Обратное включение диода. Обратный ток.

    Поменяем полярность источника постоянного напряжения – диод окажется в закрытом состоянии.

    Обратное включение диода

    В этом случае электроны в области n-типа станут перемещаться к положительному полюсу источника питания, отдаляясь от p-n перехода, и дырки, в области p-типа, также будут отдаляться от p-n перехода, перемещаясь к отрицательному полюсу источника питания. В результате граница областей как бы расширится, отчего образуется зона обедненная дырками и электронами, которая будет оказывать току большое сопротивление.

    Но, так как в каждой из областей диода присутствуют неосновные носители заряда, то небольшой обмен электронами и дырками между областями происходить все же будет. Поэтому через диод будет протекать ток во много раз меньший, чем прямой, и такой ток называют обратным током диода (Iобр). Как правило, на практике, обратным током p-n перехода пренебрегают, и отсюда получается вывод, что p-n переход обладает только односторонней проводимостью.

    Цоколевка светодиода путем подачи питания

    Преимущество этого метода в том, что его можно использовать для светоизлучающих диодов с любыми параметрами (падение напряжения и номинальный ток). Для такой проверки лучше использовать источник питания с установкой ограничения тока, или хотя бы с его индикацией для контроля. В противном случае можно вывести чувствительный полупроводниковый прибор из строя.

    Как определить катод и анод у светодиода

    Если имеется регулируемый источник, надо произвольным образом подключить светодиод к его выходу и подать напряжение, постепенно увеличивая его от нуля. Выше 2-3 В питание поднимать не следует, чтобы элемент не сгорел. Если он не зажегся, надо снять напряжение и переключить выводы противоположным образом.

    Как определить катод и анод у светодиода

    Постепенно поднимая напряжение, можно визуально определить момент зажигания светодиода. В этом случае плюсовой вывод источника присоединен к аноду, а минусовой – к аноду излучающего элемента.

    Если регулируемого источника нет, то можно попытаться использовать нерегулируемый блок питания с напряжением заведомо выше напряжения питания светодиода. В этом случае испытания проводить только через резистор 1-3 кОм, включенный последовательно с полупроводниковым прибором.

    Если и в том, и в другом случае светодиод не загорается, можно попробовать провести проверку с увеличенным напряжением. Если элемент неисправен, ему это вреда не принесет, а если он рассчитан на повышенное напряжение, то появится вероятность узнать правильное расположение выводов.

    Основные параметры pin-диодов

    Толщина базы W, мкм

    Паразитные параметры корпуса/выводов (обычно учитывают только индуктивность выводов L, нГн). В дальнейшем рассматриваться не будут, так как необходимы на этапе подробного компьютерного моделирования

    Тепловое сопротивление θ, °С/Вт. Определяет нагрев диода при выделении на нем мощности, как СВЧ, так и мощности цепей управления

    Максимальная температура кристалла диода

    Для открытого состояния

    Последовательное сопротивление RS, Ом

    Время жизни носителей заряда в базе τ (

    нс). Зависит от толщины базы и концентрации носителей

    Для закрытого состояния

    Емкость C, пФ. Типичные значения 0,01 – 1 пФ

    Максимальное обратное напряжение VB – напряжение пробоя. Определяется типом полупроводника и толщиной базы

    Обратное сопротивление RP, кОм

    При помощи батарейки

    Если источник питания отсутствует, можно попытаться определить расположение выводов от гальванического элемента, но следует иметь в виду особенности такой проверки:

    • батарейка может выдавать напряжение, недостаточное для открытия p-n перехода.
    • бытовые гальванические элементы имеют небольшую мощность, и выдаваемый ток нагрузки невелик – он зависит от начальной мощности батарейки и от остаточного заряда.

    В таблице приведены параметры некоторых отечественных светодиодов. Очевидно, что распространенные полуторавольтовые химические источники тока не смогут зажечь ни один прибор из списка.

    Тип прибора Прямое падение напряжения, В Рабочий ток, мА
    АЛ102А 2,8 5
    АЛ307А 2 10
    АЛ307В 2,8 20

    Чтобы увеличить напряжение, можно соединить батарейки последовательно. Для увеличения мощности – параллельно (только для элементов одного напряжения!). В итоге может получиться громоздкая конструкция, не гарантирующая конечного результата. Поэтому пользоваться таким методом лучше в тех случаях, когда других путей нет.

    Частотные ограничения работы pin-диода

    Модуляция режима работы диода СВЧ-волной в данном режиме отсутствует, при условии, что рабочая частота превышает критическую частоту, равную

    Физически это означает, что носители заряда из-за своей инерционности просто не успевают реагировать на изменение СВЧ-поля. При этом и время жизни зарядов, и время переключения диода из одного состояния в другое превышают период волны. Иногда считают, что частота СВЧ-волны должна превышать величину 10/t.

    Для данного режима работы диода существуют две критических частоты: снизу

    где r и e – параметры базы (релаксационная частота диэлектрика), а сверху – резонансной частотой емкости закрытого диода и индуктивности L выводов.

    Принцип работы диода

    Осталось посмотреть, как работает диод. Когда происходит соединение двух полупроводников разной проводимостью, между ними появляется пограничная полоса с нейтральным зарядом, поскольку часть электронов занимает часть дырок.

    принцип работы диода

    При прямом включении положительное напряжение подается на дырочную область, а отрицательное на электронную. В этом случае электроны под действием напряжения перескакивают нейтральную зону и, проходя через дырочную область, устремляются к положительному полюсу источника питания.

    Если поменять напряжение, электроны уходят к положительному полюсу, увеличивая нейтральную зону. В этом случае диод закрывается.

    По внешнему виду

    Иногда можно определить полярность по внешнему виду. У некоторых типов светодиодов на корпусе есть ключ – выступ или метка. Чтобы определить, какой вывод помечен ключом, лучше ознакомиться со справочными материалами.

    Как определить катод и анод у светодиода

    Как определить катод и анод у светодиода

    У бескорпусных светодиодов производства СССР можно выяснить цоколевку, присмотревшись к внутреннему устройству прибора сквозь слой компаунда. Вывод катода имеет большую площадь и сделан в виде флажка. Этот принцип мог стать стандартом, но сейчас производители его строго не соблюдают, поэтому данный способ ненадежен, особенно для элементов от неизвестного производителя. Поэтому использовать такое определение выводов можно только для предварительной ориентировки.

    Цоколевку отечественных светодиодов можно узнать по длине ножек – вывод анода делается более коротким. Но это верно только для элементов, не бывших в употреблении – при установке на место выводы могут быть обрезаны произвольно.

    Для наглядности рекомендуем к просмотру видео.

    Применение

    Электроды в качестве анода и катода наиболее часто применяются:

    • в электрохимии;
    • вакуумных электронных приборах;
    • полупроводниковых элементах.

    Рассмотрим в общих чертах сферы применения анодов и катодов.

    В электрохимии

    В данной сфере анод и катод являются ключевыми понятиями, в процессе прохождения электрохимических реакций, используемых в основном для восстановления металлов. Такие реакции называют электролизом. Использование процессов электролиза позволяет получать чистые металлы, так как на катоде образуются атомы только того металла, положительные ионы которого содержатся в растворе электролита.

    Методом электролиза наносят очень тонкое цинковое покрытие стальных листов и деталей любой конфигурации. Гальваническое покрытие эффективно защищает металл от коррозии.

    В вакуумных электронных приборах

    Примером вакуумных приборов служат радиоэлектронные лампы, электронно-лучевые трубки, кинескопы телевизоров. Они работают по одному и тому же принципу: Разогретый катод испускает электроны, которые устремляются к аноду с высоким положительным электрическим потенциалом.

    Образование электронов на раскаленном электроде называется термоэмиссией, а электрический ток, возникающий между катодом и анодом, называется термоэмиссионным. Ценность таких приборов в том, что они проводят ток только в одном направлении – от катода к аноду.

    Добавление сетки между электродами позволяет регулировать параметры тока в широких пределах, путем изменения напряжения на сетке. Такие вакуумные лампы используются в качестве усилителей сигналов. В данное время вакуумные приборы используются довольно редко, так как их с успехом заменяют миниатюрные полупроводниковые диоды и транзисторы, часто выполненные на монокристалле в виде микросхемы.

    В полупроводниковых приборах

    Электронные детали на основе полупроводников ценятся малым потреблением тока и небольшими размерами. Они почти вытеснили вакуумные лампы из употребления. Выводы полупроводниковых приборов традиционно называют анодами и катодами.

    При всех плюсах полупроводников, у этих приборов есть недостаток – они «шумят». В усилителях большой мощности эти шумы становятся заметными. В качественной усилительной аппаратуре по-прежнему применяются вакуумные лампы.

    Электронно-лучевые кинескопы в современных телевизорах вытесняются экранами с LED подсветкой. Они более экономичны, отлично передают цветовую палитру, позволяют сделать приемник почти плоским.

    Популярные светодиоды

    Как уже упоминалось, классификация современных светодиодов происходит с учётом их мощности, цвета, типа корпуса и целого ряда других признаков. Самыми распространёнными являются маломощные элементы в корпусах DIP или SMD, диаметром 3,5-10 мм.

    Вышеупомянутые параметры могут отличаться в зависимости от мощности и предназначения лампочек. Например, в фонариках, светодиодных лентах, светильниках их мощность может варьироваться в диапазонах от 0,5 Вт до 1 Вт и более.

    • Светодиод DIP представлен в виде маленькой лампочки с ножками, которые служат для определения полярности. Обратите внимание маркировка ряда производителей может не совпадать с реальной.
    • Светодиод SMD отличается усложнённой процедурой определения анода и катода. Поэтому довольно часто мастера полагаются на адекватную информацию производителя, отмечающего катод пиктограммой или посредством среза/ скоса на корпусе.

    Наглядный пример самостоятельного определения катода и анода на светодиоде данного типа, показан на представленных изображениях.

    Пробои p-n перехода.

    Пробоем p-n перехода называется явление резкого увеличения обратного тока при достижении обратным напряжением определенного критического значения. Различают электрический и тепловой пробои p-n перехода. В свою очередь, электрический пробой разделяется на туннельный и лавинный пробои.

    Пробои p-n переходов диода

    С помощью техдокументации

    Другие способы определения выводов можно поискать в техдокументации на элементы – в справочниках или онлайн-источниках. Для этого как минимум необходимо знать тип светодиода или его производителя. В документации может содержаться информация о габаритах и цоколевке прибора.

    Но даже если данных сведений в спецификации не найдется, напрасно усилия не пропадут. Техдокументация может стать источником информации о предельных параметрах электронного прибора. Эти знания помогут правильно выбрать режим работы, а также не допустить выхода светодиода из строя при проверке расположения выводов.

    Электрический пробой.

    Электрический пробой возникает в результате воздействия сильного электрического поля в p-n переходе. Такой пробой является обратимый, то есть он не приводит к повреждению перехода, и при снижении обратного напряжения свойства диода сохраняются. Например. В таком режиме работают стабилитроны – диоды, предназначенные для стабилизации напряжения.

    Туннельный пробой.

    Туннельный пробой происходит в результате явления туннельного эффекта, который проявляется в том, что при сильной напряженности электрического поля, действующего в p-n переходе малой толщины, некоторые электроны проникают (просачиваются) через переход из области p-типа в область n-типа без изменения своей энергии. Тонкие p-n переходы возможны только при высокой концентрации примесей в молекуле полупроводника.

    В зависимости от мощности и назначения диода толщина электронно-дырочного перехода может находиться в пределах от 100 нм (нанометров) до 1 мкм (микрометр).

    Для туннельного пробоя характерен резкий рост обратного тока при незначительном обратном напряжении – обычно несколько вольт. На основе этого эффекта работают туннельные диоды.

    Благодаря своим свойствам туннельные диоды используются в усилителях, генераторах синусоидальных релаксационных колебаний и переключающих устройствах на частотах до сотен и тысяч мегагерц.

    Лавинный пробой.

    Лавинный пробой заключается в том, что под действием сильного электрического поля неосновные носители зарядов под действием тепла в p-n переходе ускоряются на столько, что способны выбить из атома один из его валентных электронов и перебросить его в зону проводимости, образовав при этом пару электрон — дырка. Образовавшиеся носители зарядов тоже начнут разгоняться и сталкиваться с другими атомами, образуя следующие пары электрон – дырка. Процесс приобретает лавинообразный характер, что приводит к резкому увеличению обратного тока при практически неизменном напряжении.

    Диоды, в которых используется эффект лавинного пробоя используются в мощных выпрямительных агрегатах, применяемых в металлургической и химической промышленности, железнодорожном транспорте и в других электротехнических изделиях, в которых может возникнуть обратное напряжение выше допустимого.

    Полярность SMD-светодиода

    На текущий момент все более популярными становятся безвыводные элементы для непосредственного монтажа на плату (SMD – surface mounted device). Такие радиоэлементы, в отличие от обычных, имеют преимущества:

    • в процессе изготовления печатной платы не надо сверлить отверстия – технология становится дешевле и быстрее;
    • электронные устройства получаются меньших размеров;
    • упрощается конструирование ВЧ-устройств – отсутствие выводов сводит к минимуму паразитные наводки.

    Но стремление к миниатюризации имеет оборотную сторону – определить выводы СМД-светодиода сложнее. К нему трудно подключить щупы тестера или источника питания. Поэтому важно нанесение понятной маркировки прямо на корпус элемента для исключения ошибок при монтаже. Такое обозначение выполняется в виде метки на корпусе (скоса или углубления) или в виде мнемонического рисунка.

    Как определить катод и анод у светодиода

    Как определить катод и анод у светодиода

    А самым простым случаем является включение светоизлучающего диода в цепь переменного тока. В этом варианте полярность светодиода значения не имеет.

    Основные выводы

    То, что у любого диодного элемента есть анод и катод, знает большинство людей, показать их способны немногие. Зная все способы проверки, можно применять их по отдельности или комбинировать, так как ни один не идеален. Техническая документация и визуальный осмотр не позволяют определить работоспособность полупроводника. Тестер не всегда можно использовать для прозвона мощных источников света. Подключение к питанию дает самые точные результаты, но требует осторожности.

    Чтобы лучше запомнить, как определить расположение диодного элемента по схеме, придуман простой способ:

    Кроме букв на изображении можно увидеть стрелки, ток течет именно туда, куда они направлены.

    Током называется движение частиц в определенном направлении. Какие это частицы (молекулы, атомы, электроны, ионы, дырки), неважно. Важно знать другое – ток всегда течет от плюса к минусу. Плюс – это много, минус – мало.

    Если для тестирования используется батарейка, необходимо знать, как на ней обозначается плюс и минус. Плюс – длинная и тонкая «палочка», минус – кроткая и толстая.

    Анод полупроводника подключается к выводу, обозначенному длинной толстой «палочкой», катод – к выводу с короткой толстой. В анод ток входит, из катода выходит и возвращается на минус источника питания. При обратном подключении тока почти нет.

    Если один из выводов полупроводника подключается к источнику переменного напряжения, из другого выходит ток с постоянным напряжением. Полярность зависит от того, как полупроводниковый элемент подключен. Если напряжение на аноде положительное, на выходе будет такое же. При положительном напряжении на катоде на выходе оно отрицательное.

    Заключение

    Знание полярности диода, а точнее: где находится катод и анод, позволяет безошибочно собрать электросхему с гарантией того, что после подключения к питанию, диод не перегреется и продолжит функционировать. Фактически, в определении полярности элемента нет ничего сложного. Справиться с задачей по силам даже человеку, никогда раньше не сталкивающемуся с подобными заданиями.

Оцените статью
Рейтинг автора
4,8
Материал подготовил
Егор Новиков
Наш эксперт
Написано статей
127
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий