Lekcja 7: 1N4148 – szybka dioda przełączająca

Mówiąc „dioda” przeciętny człowiek ma na myśli diodę LED, ale prawda jest taka, że diody świecące (czy poprawnie mówiąc elektroluminescencyjne) to tylko jeden z wielu rodzajów diod. Z mojego poprzedniego wpisu dotyczącego podziału diod wiemy, że ich rodzajów jest sporo. Co je łączy?

Ryc

Ryc. 1 Różne rodzaje diod: a) elektroluminescencyjna (LED); b) pojemnościowa; c) prostownicza; d) Schottky;, e) Zenera; f) transil.

Wszystkie diody są zbudowane z dwóch elektrod: plusowej anody i minusowej katody. Generalnie dioda ma przewodzić prąd tylko w jednym kierunku, może dlatego podstawowy symbol diody przypomina strzałkę uderzająca w ścianę – zaporę. Gdy podłączymy diodę odwrotnie (w kierunku zaporowym), tzn. plus z katodą, a minus z anodą, prąd nie popłynie… teoretycznie. W rzeczywistości prąd popłynie, ale jego wartość będzie tak niewielka (rzędu μA), że z czystym sumieniem, możemy pominąć jego wartość.

Przyjrzyjmy się diodzie 1N4148 – szybkiej diodzie przełączającej. Jest to jedna z najpopularniejszych diod ze względu na jej parametry i niewielki koszt. Jej specyfikacje znajdziemy w nocie katalogowej (możecie ją znaleźć np. na stronie www.celtor.pl).

Ryc

Ryc. 2 Dioda 1N4148.

Co to znaczy szybka dioda przełączająca? Dioda potrafi przełączać się ze stanu w którym przewodzi prąd (mówimy, że jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia) do stanu w którym nie przewodzi prądu (jest spolaryzowana w kierunku zaporowym). Takie przełączenie zajmuje naszej diodzie, zgodnie z kartą charakterystyk, 4ns (nanosekundy).

W tym momencie możecie zapytać: no dobrze, ale kiedy i po co dioda ma się przełączać? Otóż, w normalnych warunkach pracy nasza dioda ma  przewodzić prąd. Dopiero w momencie np: zaistnienia ujemnego piku napięcia na  anodzie, dioda musi się jak najszybciej wyłączyć, tak aby ochronić przed przepięciem wrażliwe na takie skoki podzespoły, np. tranzystory. To wyłączenie, czyli spolaryzownie diody w kierunku zaporowym ma być jedynie chwilowe, bo naszym celem nie jest całkowite wyłączenie urządzenia, tylko „zatrzymanie” przepięcia, dlatego przełączanie trwa jedynie 4ns.

W naszych układach, które w ramach tego kursu, budujemy ochrona przed przepięciami nie jest konieczna, ponieważ wykorzystujemy na chwilę obecną baterie, diody LED, kondensatory, rezystory. Niemniej jednak sprawa trochę się skomplikuje podczas budowy robota, ponieważ załączające się i wyłączające silniki będą powodowały powstawanie krótkich impulsów o dużej amplitudzie mogących uszkodzić strukturę tranzystora. Do tego tematu wrócimy niebawem, a tymczasem spójrzcie na taki oto układ:

Ryc

Ryc. 3 Układ zbudowany ze źródła napięcia B1, diody przełączającej D1, diody LED D2 oraz rezystora R1.

Obwód jest zbudowany ze źródła zasilania B1, którym jest nasz koszyk z 4 bateriami.Następnie mamy dwie diody. Dzięki ich nieco różnym symbolom graficznym od razu widać, że pierwsza jest dioda przełączająca D1 (1n4148), a następnie czerwona dioda LED D2. Zauważcie także, że obie diody, mimo że różnych typów, posiadają tą samą nazwę i kolejny numer porządkowy: D1, D2. W dalszej kolejności widzimy rezystor R1, czyli nieodłączny element (prawie) każdego układu. Jego zadaniem jest ograniczanie  natężenia prądu, tak aby nie uszkodzić diody…

Czy skoro rezystor chroni diodę, to czy nie powinien znajdować się przed nią?

To czy umieścimy go przed czy za diodą nie ma żadnego znaczenia. Pamiętajmy, że to iż prąd płynie od plusa do minusa jest sprawą umowną. Przyjmujemy, że tak się dzieje ponieważ dawniej przyjęto takie założenie i mimo tego że teraz wiemy że jest odwrotnie (ujemnie naładowane elektrony podążają do plusa) dalej przyjmujemy takie założenie, co w dużej mierze podyktowane jest obawą przed pomyłkami podczas obliczeń.

Już samo umieszczenie rezystora w obwodzie (nie ważne po której stronie diody) zmienia rozkład spadków napięć na elementach (przypomnij sobie drugie prawo Kirchoffa), a tym samym wielkość prądu w całym obwodzie (prąd w całym nierozgałęzionym układzie ma tą samą wartość).

Wyliczmy jaka powinna być wartość rezystora R1:

R1 = UB1 – UD1 – UD2 / I

Znamy wartość UB1 – 4 x 1,5V = 6V. Spadek napięcia na czerwonej diodzie LED to 2,1V, a co z diodą D1? Tu musimy odwołać się do noty katalogowej – w obwodzie chcemy mieć natężenie rzędu 20mA (bo takie „lubi” dioda LED), a z poniższej tabeli widać (patrz. VF – forward voltage), że spadek napięcia dla prądu 10mA i większego wynosi 1V.

Ryc

Ryc. 4 Fragment noty katalogowej diody 1N4148 dot. elektrycznej charakterystyki diody.

Podstawmy dane do wzoru:

R1 = UB1 – UD1 – UD2 / I

R1 = 6V – 1V – 2,1V / 20mA

R1 = 145Ω

Ja użyję dwóch rezystorów: 100Ω i 47Ω.

Pozostaje nam tylko odpowiedzieć na pytanie jak poprawnie zamontować diodę? Gdzie jest jej anoda, a gdzie katoda? Znów odwołamy się do noty katalogowej:

Ryc

Ryc. 5 Fragment noty katalogowej diody 1N4148 dot. najważniejszych cech diody oraz układu anody i katody.

Czarny pasek oznacza katodę (czyli nóżkę minusową) – jest to zasada w oznaczaniu diod. Nie pozostaje nam nic innego jak tylko zbudować układ na płytce stykowej, a następnie zmierzyć spadek napięcia na diodzie D1, zgodnie z poniższym schematem.

Ryc

Ryc. 6 Układ zbudowany ze źródła napięcia B1, diody przełączającej D1 (podłączonej w kierunku przewodzenia), diody LED D2 oraz dwóch rezystorów: R1 i R2.

Ryc

Ryc. 7 Pomiar napięcia na diodzie przełączającej 1N4148 gdy jest ona podłączona w kierunku przewodzenia (tj. anoda do plusa zasilania, a katoda do minusa).

U mnie spadek napięcia na diodzie D1 wyniósł 0,77. Prąd płynie, nie ma pików napięcia, dioda D1 przewodzi prąd (nie przełącza się), a czerwona dioda LED świeci.

Co się stanie gdy podłączymy diodę odwrotnie? Jakie wtedy będzie napięcie? Odwróćcie diodę D1 i ponownie zmierzcie napięcie, tak jak to przedstawiłam na poniższym schemacie:

Ryc

Ryc. 8 Układ zbudowany ze źródła napięcia B1, diody przełączającej D1 (podłączonej w kierunku zaporowym), diody LED D2 oraz dwóch rezystorów: R1 i R2.

Ryc

Ryc. 9 Pomiar napięcia na diodzie przełączającej 1N4148 gdy jest ona podłączona w kierunku zaporowym (tj. anoda do minusa zasilania, a katoda do plusa).

Spadek napięcia na diodzie D1 wyniósł 4,70V. Na innych elementach voltomierz wskazywał 0V. Dioda LED nie zapaliła się.

Co dzieje się w naszym układzie? Dioda podłączona odwrotnie przepuszcza bardzo mały prąd, za mały aby dioda LED się zapaliła. Dlatego też cały spadek napięcia jaki dostarcza nam bateria B1 występuje na diodzie D1. W obwodzie płynie tak niewielki prąd (niemierzalny moim mikroamperomierzem), że spadki napięć na diodzie D2 i rezystorach również są bardzo małe (niemierzalne moim voltomierzem).

Zgodnie z drugim prawem Kirchoffa suma spadków napięć na odbiornikach powinna być równa napięciu źródłowemu. Moja bateria B1 ma napięcie 6,3V, dlaczego w takim razie spadek napięcia na diodzie D1 wyniósł tylko 4,70V zamiast 6,3V? Co się stało z brakującymi 1,6V? Musicie wiedzieć, że idealny voltomierz miałby rezystancję wewnętrzną nieskończoności. Niestety jako że nie ma rzeczy idealnych w praktyce voltomierz ma jakąś dużą rezystancję, rzędu M-mega om. Normalnie nie ma to żadnego znaczenia, ale musicie pamiętać, że w naszym układzie prąd jest bardzo, bardzo mały. W związku z tym nawet  rezystancja wewnętrzna rzędu M om powoduje przepływ większego prądu od tego płynącego przez diodę podłączoną w kierunku zaporowym. Wygląda to trochę w ten sposób, że miernik  stał się kolejnym rezystorem w obwodzie bocznikującym diodę, na którym spadek napięcia wyniósł brakujące 1,6V.

Doświadczenie to pokazało nam, że dioda spolaryzowana w kierunku zaporowym przepuszcza tak niewielki prąd, że jest on praktycznie niemierzalny naszym multimetrem i w przyszłości spokojnie możemy go pominąć w naszych rozważaniach.

 

Na poprzedniej lekcji omawialiśmy prosty podwajacz napięcia. Dziś spróbujemy go trochę zmodyfikować dodając 2 diody przełączające.

Ryc

Ryc. 10 Schemat układu zbudowanego ze źródła napięcia B1, dwóch diod przełączających D1 i D2, kondensatorów elektrolitycznych C1 i C2, przełącznika S1, rezystora R1 i diody LED D3.

Za chwilę na płytce stykowej zbudujemy obwód przedstawiony na powyższym schemacie. Źródło napięcia B1 to bateria 6V. Diody D1 i D2 to nasze szybkie diody przełączające 1N4148. Kondensatory elektrolityczne 6,3V, 1000uF zostały oznaczone symbolami C1 i C2. W drugiej części układu znajdują się jeszcze: przełącznik S1, rezystor R1 i czerwona dioda LED D3.

Doświadczenie będzie polegało na podłączaniu baterii B1w dwóch cyklach: plus do jednej lini obwodu, minus do drugiej. W drugim cyklu podłączymy baterię odwrotnie.

Przyjrzyjcie się jeszcze naszemu schematowi przez chwilę. Które linie obwodu są ze sobą połączone, a które nie? Jaką funkcję pełnią diody D1 i D2?

Jak już pisałam wcześniej: krzyżujące się linie łączą się tylko wtedy, gdy w miejscu ich styku widzimy kropkę! Zaś zadaniem diod D1 i D2 jest jednokierunkowe przewodzenie prądu. Gdyby ich nie było kondensator w każdym cyklu jeden z kondensatorów byłby podłączony odwrotnie, a jak pamiętamy może się to skończyć nawet wybuchem!

Rezystor R1 będzie miał tą samą rezystancję co w poprzednim podwajaczu napięcia, tj. 520Ω (ja użyję rezystorów R1 – 470Ω i R2 – 100Ω).

R1 = UC1+C2 – UD3 / I

R1 = 12,5V – 2,1V / 20mA

R1 = 10,4 / 20mA

R1 = 520Ω

 Tak jak poprzednio doświadczenie odbywa się następującymi etapami:

  • ładujemy kondensator C2 – z uwagi na małą pojemność kondensatorów źródło zasilania wystarczy podłączyć na krótką chwilkę
Rys

Rys. 11 Schemat układu w którym źródło zasilania zostało podłączone tak, aby naładować kondensator C2; kierunek przepływu prądu zaznaczają czarne strzałki na liniach obwodu.

Ryc.

Ryc. 12 Obwód połączony na płytce stykowej, w którym źródło zasilania zostało przyłączone tak aby naładować jeden z kondensatorów.

  • ładujemy kondensator C1 – źródło napięcia B1 podłączamy odwrotnie i też tylko na krótką chwilkę
Ryc

Ryc. 13 Schemat układu w którym źródło zasilania zostało podłączone tak, aby naładować kondensator C1; kierunek przepływu prądu zaznaczają czarne strzałki na liniach obwodu.

Ryc

Ryc. 14 Obwód połączony na płytce stykowej, w którym źródło zasilania zostało przyłączone tak aby naładować jeden z kondensatorów.

  • odłączamy źródło napięcia B1 i zwieramy przełącznik S1

 

Ryc

Ryc. 15 Schemat układu w którym źródłem napięcia są dwa kondensatory C1 i C2; przycisk S1 jest zwarty; kierunek przepływu prądu zaznaczają czarne strzałki na liniach obwodu.

Ryc

Ryc. 16 Obwód połączony na płytce stykowej – źródłem napięcia są dwa kondensatory elektrolityczne, przełącznik jest zwarty tak aby przepływający prąd przez rezystory dotarł do diody.

Nasz podwajacz napięcia po zastosowaniu diod, które przewodzą prąd jednokierunkowo i uniemożliwiają ładowanie kondensatorów odwrotnie do ich biegunowości, nadal pozostaje bardzo prostym układem (jednakże spełniającym swoją funkcję!). Przyznacie jednak, że zamienianie przewodów jest dość kłopotliwe. W dalszej części kursu wrócimy do tematu.

Na koniec chcę Wam jeszcze przedstawić ciekawą i bardzo przydatną konstrukcję, jaką można zbudować, mając do dyspozycji 4 diody – mostek Graetza. Poniżej zamieszczam dwa różne sposoby graficznego zapisu tego samego układu:

Ryc.

Ryc. 17 Schemat układu zbudowanego ze źródła zasilania B1, mostka Graetza (złożonego z 4 diod D1, D2, D3, D4) oraz rezystora R1 i diody LED D5.

 

Ryc

Ryc. 18 Schemat układu zbudowanego ze źródła zasilania B1, mostka Graetza (złożonego z 4 diod D1, D2, D3, D4) oraz rezystora R1 i diody LED D5.

Jako, że pierwszy sposób zapisu jest popularniejszy w dalszej części będziemy opierali się na nim, ale pamiętajcie, że to jest to samo: ta sama zasada działania, ten sam rozpływ prądów, te same wartości natężenia i napięcia, inny jest tylko sposób graficznego rozrysowania elementów.

Do czego służy mostek Graetza? Zwykle jest wykorzystywany do „prostowania” prądu zmiennego, tak aby na wyjściu uzyskać prąd stały. Z tego powodu mostek Graetza nazywany jest również mostkiem prostowniczym. My na razie zajmujemy się jedynie prądem stałym, dlatego do tematu prostowania prądu wrócimy później.

Mostek Graetza może pełnić jeszcze jedną funkcję, przydatną także, gdy mamy do czynienia z prądem stałym. Jest on wykorzystywany jako zabezpieczenie – niezależnie od tego jak podłączymy źródło napięcia: prawidłowo (plus do plusa, minus do minusa) czy nieprawidłowo (plus do minusa, minus do plusa) układ będzie działał właściwie i nie ulegnie uszkodzeniu! Takie zabezpieczenie może być o tyle ważne i przydatne, ponieważ niektóre podzespoły elektroniczne są szczególnie wrażliwe na tego typu pomyłki, a ich skutki mogą być nie ciekawe (np. źle podłączony kondensator elektrolityczny może wybuchnąć!).

Przyjrzyjmy się naszemu układowi – co się stanie gdy źródło napięcia podłączymy w ten sposób:

Ryc

Ryc. 19 Schemat układu zbudowanego ze źródła zasilania B1, mostka Graetza (złożonego z 4 diod D1, D2, D3, D4) oraz rezystora R1 i diody LED D5; kolorami oznaczono umownie kierunek przepływu prądu.

Prąd „wychodzi” z dodatniego bieguna baterii kierując się do mostka Graetza. Tam jego droga jest oczywista – może przejść jedynie przez diodę D3, ponieważ dioda D1 ustawiona jest dla niego w kierunku zaporowym. Prąd trafia do kolejnej części układu zbudowanego w tym przypadku z rezystora R1 i diody LED D5. Stamtąd wraca do mostka, gdzie to wyboru ma dwie drogi: przez diodę D1 lub D2, ponieważ obie te diody są ustawione dla niego w kierunku przewodzenia. Wybór jednej z diod jest dla prądu oczywisty – przejdzie przez diodę D2, a potem prosto do baterii. Dlaczego? Po pierwsze prąd jest „leniwy” i chce jak najkrótszą drogą powrócić do baterii. Po drugie gdyby prąd przeszedł przez diodę D1 trafiłby na prąd o potencjale wyższym, a jak wiemy prąd płynie od potencjału wyższego ku niższemu.

Teraz sytuacja, w której do tego samego układu źródło napięcia B1 podłączono odwrotnie:

Ryc

Ryc. 20 Schemat układu zbudowanego ze źródła zasilania B1, mostka Graetza (złożonego z 4 diod D1, D2, D3, D4) oraz rezystora R1 i diody LED D5; kolorami oznaczono umownie kierunek przepływu prądu.

Prąd „wychodzi” z dodatniego bieguna baterii kierując się ponownie do mostka Graetza. Tam jego droga jest oczywista – może przejść jedynie przez diodę D4, ponieważ dioda D2 ustawiona jest dla niego w kierunku zaporowym. Prąd trafia do kolejnej części układu zbudowanego z rezystora R1 i diody LED D5. Stamtąd wraca do mostka, gdzie to wyboru ma dwie drogi: przez diodę D1 lub D2, ponieważ obie te diody są ustawione dla niego w kierunku przewodzenia. Wybór jednej z diod jest dla prądu oczywisty (z tych samych powodów co poprzednio) – przejdzie przez diodę D1, a potem prosto do baterii.

Żeby zbudować taki układ na płytce stykowej musimy tylko wyliczyć minimalną wartość rezystora R1. Jako, że w obu przypadkach podłączenia źródła napięcia B1, prąd zawsze przejdzie tylko przez trzy diody (D3, D5, D2 lub D4, D5, D1) rezystancję obliczymy w ten sposób:

R1 = UB1 – UD3 – UD5 – UD2 / I           lub           R1 = UB1 – UD4 – UD5 – UD1 / I

R1 = 6V – 0,8V – 2,1V – 0,8V / 20mA      (spadek 0,8V na diodzie 1N4148 to przybliżony wynik jaki zmierzyliśmy voltomierzem w pierwszym ćwiczeniu)

R1 = 2,3V / 20mA

R1 = 115Ω

Użyję rezystorów o rezystancji: R1 – 100Ω i R2 – 22Ω.

Ryc

Ryc. 21 Schemat układu zbudowanego ze źródła zasilania B1, mostka Graetza (złożonego z 4 diod D1, D2, D3, D4) oraz rezystorów R1, R2 i diody LED D5

Ryc

Ryc. 22 Obwód połączony na płytce stykowej z mostkiem Graetza, rezystorami i diodą LED.

Ryc

Ryc. 22 Obwód połączony na płytce stykowej z mostkiem Graetza, rezystorami i diodą LED.

Niezależnie jak podłączymy źródło zasilania nasza dioda świeci. Mostek prostowniczy to konstrukcja niewątpliwie bardzo pomocna i przydatna (prostuje prąd, zabezpiecza układ przed niepoprawnym podłączeniem), ale ma też wady – pamiętajmy, że na każdej z dwóch diod mostka przez które przechodzi prąd występuje spadek napięcia. Przy dużym prądzie oprócz tego dochodzi do wydzielania ciepła.

Musicie wiedzieć, że nie trzeba za każdym razem budować własnoręcznie mostka z 4 diod, można wykorzystać gotowy układ mostka – 4 diody umieszczone w jednej obudowie.

Ryc

Ryc. 23 Mostek Graetza.

Mostek prostowniczy można zrobić z jakichkolwiek diod. W powyższym ćwiczeniu użyłam diod prostowniczych, ale można też wykorzystać diody LED! Świecące się diody świetnie pokazują którędy płynie prąd. Spróbujcie sami zbudować taki mostek, w swoich doświadczeniach poeksperymentujcie z różnymi rodzajami diod LED (prąd i napięcie przewodzenia dla diod o różnych kolorach znajdziecie w tym poście). Pamiętajcie o dobraniu odpowiedniego rezystora, w przeciwnym razie spalicie diody! Poniżej zamieszczam zdjęcie mojego świecącego mostka Graetza (w każdym z tych układów, choć na zdjęciu tego nie widać, świecą się 2 diody żółte i 1 czerwona):

Ryc

Ryc. 24 Obwód zbudowany na płytce stykowej złożony z mostka Graetza (wykonanego z 4 diod LED), 2 rezystorów oraz żółtej diody LED.

IMG_6004

Ryc. 25 Obwód zbudowany na płytce stykowej złożony z mostka Graetza (wykonanego z 4 diod LED), 2 rezystorów oraz żółtej diody LED.

Dodaj komentarz