Полярность диода: особенности функционирования,

Светодиоды — полупроводниковые приборы с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении.

Излучаемый светодиодом свет лежит в узком диапазоне спектра. Иными словами, его кристалл изначально излучает конкретный цвет (если речь идёт об СД видимого диапазона) — в отличие от лампы, излучающей более широкий спектр, где нужный цвет можно получить лишь применением внешнего светофильтра. Диапазон излучения светодиода во многом зависит от химического состава использованных полупроводников.

Устройство светодиодов

Светодиод состоит из нескольких частей: 

  • анод, по которому подается положительная полуволна на кристалл; 
  • катод, по которому подается отрицательная полуволна на кристалл; 
  • отражатель; 
  • кристалл полупроводника; 
  • рассеиватель.  

Эти элементы есть в любом светодиоде, вне зависимости от его модели.  

Светодиод является низковольтным прибором. Для индикаторных видов напряжение питания должно составлять 2-4 В при токе до 50 мА. Диоды для освещения потребляют такое же напряжение, но их ток выше – достигает 1 Ампер. В модуле суммарное напряжение диодов оказывается равным 12 или 24 В.  

Подключать светодиод нужно с соблюдением полярности, иначе он выйдет из строя.  

Цвета светодиодов

Светодиоды бывают разных цветов. Получить нужный оттенок можно несколькими способами.  

Первый – покрытие линзы люминофором. Таким способом можно получить практически любой цвет, но чаще всего эта технология используется для создания белых светодиодов.  

RGB технология. Оттенок получается за счет применения в одном кристалле трех светодиодов красного, зеленого и синего цветов. Меняется интенсивность каждого из них, и получается нужное свечение.  

Применение примесей и различных полупроводников. Подбираются материалы с нужной шириной запрещенной зоны, и из них делается кристалл светодиода.   

Принцип работы светодиодов

Любой светодиод имеет p-n-переход. Свечение возникает при рекомбинации электронов и дырок в электронно-дырочном переходе. P-n переход создается при соединении двух полупроводников разного типа электропроводности. Материал n-типа легируется электронами, p-типа – дырками.  

При подаче напряжения электроны и дырки в p-n-переходе начинают перемещаться и занимать места. Когда носители заряда подходят к электронно-дырочному переходу, электроны помещаются в материал p-типа. В результате перехода электронов с одного энергетического уровня на другой выделяются фотоны. 

Не всякий p-n переход может излучать свет. Для пропускания света нужно соблюсти два условия: 

  • ширина запрещенной зоны должна быть близка к энергии кванта света; 
  • полупроводниковый кристалл должен иметь минимум дефектов.  

Реализовать подобное в структуре с одним p-n-переходом не получится. По этой причине создаются многослойные структуры из нескольких полупроводников, которые называются гетероструктурами.  

Для создания светодиодов используются прямозонные проводники с разрешенным прямым оптическим переходом зона-зона. Наиболее распространенные материалы группы А3В5 (арсенид галлия, фосфид индия), А2В4 (теллурид кадмия, селенид цинка).  

Цвет светоизлучающего диода зависит от ширины запрещенной зоны, в которой происходит рекомбинация электронов и дырок. Чем больше ширина запрещенной зоны и выше энергия квантов, тем ближе к синему излучаемый свет. Путем изменения состава можно добиться свечения в широком оптическом диапазоне – от ультрафиолета до среднего инфракрасного излучения.  

Светодиоды инфракрасного, красного и желтого цветов изготавливаются на основе фосфида галлия, зеленый, синий и фиолетовый – на основе нитридов галлия.  

Как можно визуально определить плюс и минус

Существует несколько типов диодов, которыми пользуются электрики, как любители, так и профессионалы, но методы визуального определения полярных полюсов примерно одинаковая:

  1. Новый источник света в корпусе DIP. После приобретения лампочки нужно внимательно посмотреть на ее ножки – одна длиннее другой. Это не брак завода-изготовителя, а особенность в конструкции – длинная ножка – это (+), а короткая (–).
  2. Если используется диод б/у, у которого часто ножки имеют одинаковую длину, тогда нужно обратить внимание на цоколь лампочки – на месте среза установлен катод. Если рассматривать внутреннее содержание элемента сквозь линзу, то более широкая деталь –  это минус, а маленькая – плюс.
  3. Корпус SMD применяется в светодиодных лентах, поэтому для правильного ее подключения также нужно знать полярность. Заглянуть внутрь такой лампы невозможно, поэтому определить место катода (–) можно по углу скоса. На стороне без скоса размещается анод (+).

Способы определения полярности

 

Светодиод, способы определения его полярности

Каждый из приёмов определения положительного и отрицательного полюсов отличается друг от друга и используется в различных конкретных ситуациях. Условно способы можно разделить на четыре группы:

  1. С помощью тестера (мультиметра);
  2. По внешнему виду;
  3. Включением в цепь питания;
  4. По технической документации.

Как определить полярность тестером (мультиметром)

Один из самых простых и надёжных способов определять полюсы – посредством мультиметра (тестера). Для этого необходимо:

  • Перевести прибор в режим омметра или режим проверки диода;
  • Подключить провод с красной изоляцией, на который подаётся плюс, к одному из выводов устройства;
  • Проводник с черной изоляцией, на который подаётся минус, подключить ко второму выводу двухполюсника.
  • Менять очередность подключения щупов к выводам устройства. Полярность будет правильной, когда на дисплее появятся численные значения. Тогда контакт красного цвета будет подключен к аноду, а черного – к катоду.
Определение полярности

Определение полярности

При осуществлении режима проверки диодов эти показатели находятся в диапазоне 500-1200 мВ. В режиме измерения они будут примерно такими, как показано на рисунке выше. Единица означает предельное превышение или бесконечность.

Обратите внимание! Выпускается большое количество двухполюсников специального назначения, итоги измерений которых могут иметь необычный результат. К ним относятся, например, стабилитроны, варикапы, диоды Шоттка.

Кроме этого, с помощью тестера полярность светодиода может определяться в режиме Hfe. Для этого необходимо:

  1. Включить тестер в соответствующий режим работы (Hfe);
  2. Вставить светодиод в гнездо для транзисторов, в место, помеченное как PNP. Длинная ножка двухполюсника должна войти в отверстие Е, короткая – в С.
Определение полярности в режиме Hfe

Определение полярности в режиме Hfe

Дополнительная информация. Способ Hfe можно также использовать, если нужно проверить светодиод в виде smd. Для этого достаточно вставить в Е и С портняжные иголки и прикоснуться к ним контактами двухполюсника.

Как определить полярность по внешнему виду

Полярность можно расшифровать при визуальном осмотре устройства. При изготовлении двухполюсников производители наносят на них специальную маркировку, позволяющую в дальнейшем правильно их идентифицировать.

Это могут быть:

  • точки, кольцевые полоски, расположенные ближе к аноду,
  • заостренная форма устройства со стороны плюса, плоская – со стороны минуса,
  • символы плюс и минус на корпусе (в больших приборах).

Внешний вид DIP-элементов поможет определить положительный и отрицательный полюсы по следующим признакам:

  • Вывод анода длиннее, чем катода;
  • Размер анода меньше, модель катода напоминает форму флажка;
  • При мощности выше 1 Вт на ножке анода имеется маркировка «+».

Обратите внимание! Если светодиод уже был использован в схеме, то размеры ножек могут не соответствовать заданным изначально параметрам.

У СМД-светодиодов:

  • Обозначение катода производят в виде среза корпуса;
  • Теплоотвод размещают ближе к аноду;
  • Треугольник, пиктограммы «П», «Т» наносят на поверхность устройства. Треугольник показывает направление движения тока и место расположения катода.
Определение полярности на SMD 1206

Определение полярности на SMD 1206

Дополнительная информация. Существуют производители, не соблюдающие общепринятые стандарты изготовления SMD. В таких моделях обязательно обозначение полюсов знаками «+», «−».

Место расположения катода в СМД может быть указано в виде среза угла корпуса.

Полярность SMD на led ленте

Полярность SMD на led ленте

Подобные маркировки катодов применяются в светодиодных лентах SMD 3528. В SMD 5630 срез корпуса аналогично указывает на катод.

Определение распиновки по теплоотводящей подложке

Определение распиновки по теплоотводящей подложке

Где у мощного диода плюс и минус, поможет понять внимательное рассматривание внешнего вида устройства.

Распиновка мощных световых двухполюсников

Распиновка мощных световых двухполюсников

На рисунке красным обведён положительный полюс – анод устройства, мощностью 10 ватт.

Как можно определить полярность диода при необходимости его замены в существующей схеме? Распайка световых двухполюсников в лампах (прожекторах) осуществляется на пластине из алюминия, сверху которой наносится слой диэлектрика с токоведущими дорожками. Сверху обычно имеет место белый слой, на котором указываются характеристики ресурса питания, распиновка.

Определение полярности путем подачи питания

Когда по внешнему виду не удается определить расположение выводов двухполюсника, и нет под рукой тестера, следует использовать метод подключения устройства в простейшую схему, состоящую из источника питания (батарейки 3 В) и лампочки.

Определение полюсов с помощью лампочки

Определение полюсов с помощью лампочки

Если при включении лампочка загорается, то «+» батарейки соединили с положительным полюсом – анодом. В этом случае устройство пропускает через себя ток. Если источник света не загорается, то соединение произвели с катодом – отрицательным полюсом. В этом случае ток протекать не будет.

Определить полюсы светодиода еще проще. Присоединяя попеременно выводы устройства к батарейке на 3 В, по свечению определяют расположение анода и катода.

Определение полярности с помощью батарейки

Определение полярности с помощью батарейки

Используя обычную батарейку и резистор, можно самостоятельно соорудить простейший тестер. Применение в этом случае резистора обязательно, иначе при обратном включении световой двухполюсник может выйти из строя или значительно сократить срок своей службы.

Важно! Напряжение источника питания не должно превышать допустимого напряжения светодиода.

Определение полярности по технической документации

Завод-производитель обеспечивает свою продукцию полной информацией, прописанной в сопроводительных технических документах, откуда можно получить все данные, касающиеся параметров приборов. Если при покупке такие документы предоставлены не были, зная марку двухполюсника, можно найти нужную информацию в справочной литературе или в сети интернет.

Полярность диода определяется множеством способов. Какой метод лучше, зависит от условий проведения исследования и возможностей исследователя.

Расчет сопротивления для светодиода

Диод имеет малое внутреннее сопротивление. При подключении его напрямую к блоку питания, элемент перегорит. Чтобы этого не случилось, светодиод подключается к цепи через токоограничивающий резистор. Расчет производится по закону Ома: R=(U-Uled)/I, где R – сопротивление токоограничивающего резистора, U – питание источника; Uled – паспортное значение напряжения для светодиода, I – сила тока. По полученному значению и подбирается мощность резистора.  

Важно правильно рассчитать напряжение. Оно зависит от схемы подключения элементов.  

Можно не производить расчет сопротивления, если использовать в цепи мощный переменный или подстроечный резистор. Токоограничивающие резисторы существуют разного класса точности. Есть изделия на 10%, 5% и 1 % – это значит, что погрешность варьируется в указанном диапазоне.  

Выбирая токоограничивающий резистор, нужно обратить внимание и на его мощность. почти всегда, если при малом рассеивании тепла устройство будет перегреваться и выйдет из строя. Это приведет к разрыву электрической цепи.  

Когда нужно использовать токоограничивающий резистор: 

  • когда вопрос эффективности схемы не является основным – например, индикация; 
  • лабораторные исследования. 

В остальных случаях лучше подключать светодиоды через стабилизатор – драйвер, что особенно это актуально в светодиодных лампах. 

Онлайн – сервисы и калькуляторы для расчета резистора:

  • https://cxem.net/calc/ledcalc.php
  • http://ledcalc.ru/
  • http://forum220.ru/calc-res-led.php

Источники: http://ledno.ru/svetodiody/polyarnost-led.html, https://RuBrowsers.ru/polarnost-svetodioda-prostejsie-sposoby-opredelit-plus-i-minus/, https://amperof.ru/teoriya/polyarnost-dioda.html, https://ArduinoMaster.ru/datchiki-arduino/printsip-raboty-i-vidy-svetodiodov/,

Регина Москвичева
/ автор статьи
Получила диплом ВСИТ (Восточно-Сибирский институт туризма, филиал Российской международной академии туризма).
Написано статей
2
Ссылка на основную публикацию

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: