Сходинка шоста. Напівпровідникові діоди, частина третя (продовження)


Статью просмотрели: 65 человек

Продовження статті, початок за посиланням.

 

Світлові пристрої (ліхтарики, освітлювальні лампочки, і под.) виготовляються із застосуванням широко вживаних світлодіодів підвищеної потужності. До цієї групи я б відніс:

— однокристальні світлодіоди діаметром 4.8 мм, та 8 мм,

— потужні світлодіоди для поверхневого монтажу,

— потужні SMD світлодіоди.

Однокристальні світлодіоди із дротяними виводами зовні нічим не відрізняються від своїх колег, а от здатність випромінювати світловий потік у них більша, у зв'язку з цим і більший робочий струм, втім, не завжди.

Світлодіоди для поверхневого монтажу на радіатор, їх іще чомусь називають "емітер", мають підвищену потужність. Для монтажу таких світлодіодів існують спеціальні алюмінієві монтажні пластини. Не слід лише забувати, що така пластина не є повноцінним радіатором, вона використовується лише для монтажу діода, а про відведення тепла, яке виділяється під час його роботи, слід подумати додатково.

Не вдаючись у детальні розрахунки скажу, що усереднено на відведення 1.0 Вт виділеної потужності потрібно близько 20 см2 площі охолодження. Якщо є бажання, підрахуйте площу поданої на світлині монтажної пластини для 3-х світлодіодів потужністю 1.0 Вт, її діаметр – 32 мм. Не забудьте відняти площі монтажних отворів: один діаметром 8.0 мм, три – 4.0 мм, і додати її товщину – 2.0 мм. Вийде приблизно 15 см2. Як ви гадаєте, вистачить цього для розсіювання потужності 3.0 Вт?

Така помилка найбільш типова для аматорів-початківців. Зверніть увагу, світлодіод можна експлуатувати на такій пластині лише один і то, сумарну потужність слід обмежити до 0.75 Вт. А це означає, що світловий потік не буде відповідати максимальним можливостям. Такий варіант використання, на мій погляд, нераціональний.

До того ж не забувайте про термо-пасту!

Така ж сама ситуація і з потужними SMD світлодіодами.

 Скажімо діоди серії 5050, 2835 (не плутайте із серією 3528, розміри схожі, але робочий струм менший, відповідно і потужність – 0.06 Вт) мають потужність 0.2 Вт і потребують додаткового відведення тепла при роботі навіть у штатних, не максимальних режимах. Алюмінієвої основи стрічки, на якій розташовані світлодіоди, явно замало. До того ж не даремно виробники пропонують радіатори для світлодіодних стрічок різної потужності. Такі профілі виконують не лише декоративну роль. До того ж останнім часом набувають популярності стрічки із потужними SMD світлодіодами, і ця потужність інколи перевищує 0.5 Вт на елемент!

Відсутність надійного і повноцінного відведення тепла – найголовніша болячка сучасних китайських дешевих світлодіодних освітлювальних побутових ламп. У "найвдаліших" варіантів відсутній навіть хоча б який-небудь радіатор. Потужні SMD світлодіоди розташовані на монтажній пластині, і все. Я вже не кажу про їхній елементарний блок живлення без жодного натяку на стабілізацію струму, який завзято реагує на нестабільність побутової мережі. До того ж, просто обмежений струм, як правило, ще й завищений для отримання збільшеної віддачі світла. Така лампочка працює, максимум, декілька місяців. І це при тому, що світлодіод розрахований на довготривалу роботу, роками.

Помилки при застосуванні світлодіодів

Перша помилка – підключення світлодіода безпосередньо до джерела живлення без обмежувача струму. Це може призвести до виходу діода з ладу. Причина – відсутність контролю за струмом, який протікає через нього.

Друга помилка – підключення до спільного баластного резистора світлодіодів, об'єднаних паралельно. Навіть діоди однієї партії мають певний допустимий діапазон параметрів, тому яскравість світлового потоку кожного екземпляра може бути різною. До того ж, в разі виходу з ладу одного з діодів, через інші потече збільшений струм, що обов'язково виведе їх з ладу. Тому для використання великої кількості світлодіодів, їх групують послідовним з'єднанням, найоптимальніше – послідовними групами по три зі спільним резистором. Це забезпечує однаковий струм у всій групі. Так, при виході з ладу світлодіода у такій групі вона потухне вся, але інші діоди, принаймні, залишаться цілими.

Третя помилка – поєднання різних світлодіодів (діодів із різними електричними параметрами) у послідовні групи. У такій групі деякі світлодіоди будуть горіти тьмяно, або навпаки – працюватимуть на знос.

Четверта помилка – використання баластного резистора із недостатньою величиною опору, як і драйвера із завищеним струмом стабілізації. Так, світлодіод горітиме яскраво, адже збільшений струм – це більша потужність. Така ситуація буде причиною постійного перегріву кристалу, отже – його прискореної деградації.

П'ята помилка – увімкнення світлодіода до кіл змінного струму з використанням простої схеми його обмеження, без врахування необхідності обмеження величини напруги зворотних півхвиль. Максимально допустима зворотна напруга у основної маси світлодіодів – не більша за 2.0-5.0 В.

Шоста помилка – використання баластного резистора недостатньої потужності. Це, однозначно, призведе до неприємних, негативних наслідків і почнеться усе зі звичайного почорніння такого резистора.

Основна помилка – ігнорування необхідності дотримання належного теплового режиму роботи світлодіода (зауваження стосується будь-якого світлодіода). Ця помилка найбільш поширена і на неї найменше звертають увагу. Не забувайте. Світлодіод це пристрій, який відповідно до своїх заявлених характеристик, повинен працювати протягом багатьох років і якщо це не так – шукайте причину. З досвіду скажу: перш за все – порушення теплового режиму.

Спеціальні світлодіоди

Лазерні світлодіоди. Перелік пристроїв де використовуються такі діоди досить великий, та основні, з якими, можливо, доведеться зіткнутися аматору це різноманітні указки, нівеліри, цілевказівники, далекоміри, аматорські CNC гравери, концертні пристрої для створення візуальних ефектів, дисководи для CD та DVD дисків.

Не вдаючись до складної фізики виникнення лазерного променю на межі напівпровідникового переходу, слід зауважити, що таке випромінення має характерно малу конусність. Колір променя може бути різним, навіть інфрачервоними.

Від себе скажу, що світлодіод потужністю 50-60 Вт сфокусованим променем здатен різати жерсть, а побутові CNC (ЧПУ) верстати, де використовуються діоди потужністю близько 5 Вт, ріжуть папір, тканину, картон, фанеру, дерево, пластик. Це я до того, що робота та експерименти з лазерними світлодіодами потребують обережності, бо сітківка ока надзвичайно чутлива до такого променю. Навіть лазерні випромінювачі потужністю 5.0 мВт здатні завдати їй шкоди!

Інфрачервоні світлодіоди. Діоди, які випромінюють невидиме світло у інфрачервоному діапазоні. Вони досить широко використовуються в електроніці. Це всім відомі пульти дистанційного керування, системи охорони, відео-нагляду, канали оптичного зв’язку, відкриті оптопари.

Знаєте як перевірити чи працює інфрачервоний світлодіод у пристрої? Неозброєним оком ви його випромінення не побачите, а от матриці фото- та відеокамер чудово бачать світло їхнього спектру. Тому, щоб дізнатися чи працює ваш пульт ДУ подивіться на інфрачервоний випромінювач, у момент натискання якоїсь кнопки пульта, через фотоапарат, смартфон або відеокамеру.

На цьому ефекті базується використання інфрачервоних прожекторів для нічного відеоспостереження. Такого освітлення порушник чи злочинець не бачить, а поле зору для відеокамери він освітлює неначе звичайний прожектор для ока.

Ультрафіолетові світлодіоди. Випромінення таких діодів за своїм спектром зміщене вище блакитної зони. Довжина хвилі коротше за 400 nm уже належить до ультрафіолетового діапазону, який закінчується на 100 nm – далі рентгенівські промені. Навіть світлодіоди видимого фіолетового світла, за рахунок свого широкого спектру випромінення, можуть охоплювати "теплу" ділянку УФ діапазону.

Спектр застосування УФ діодів досить широкий. Це і медицина, і косметологія, і криміналістика, і банківська справа.

Для аматорів світлодіоди зі спектром випромінення (400-350 nm) цікаві тим, що можуть використовуватися у пристроях стирання інформації УФ чутливих мікросхем ПЗП (постійні запам'ятовувальні пристрої), пристроях засвічування УФ чутливого фоторезисту для виготовлення маски майбутньої друкованої плати, ліхтариках для УФ полімеризації чутливого до такого спектру клею.

Деякі приклади практичного застосування світлодіодів

Світлодіод перевіряється як звичайний діод, якщо ж ви хочете перевірити його із засвічуванням, скористайтеся регулятором-стабілізатором. Приєднайте діод із дотриманням полярності (перевіреної мультиметром) до вихідних клем і поступово, потихеньку збільшуйте напругу виходу, виведену перед цим на мінімум, до того, як побачите світіння світлодіода. Можна зібрати простий перевірочний стенд на контактній макетній платі. За допомогою такого перевірочного стенда, зручно проводити контроль партії однотипних діодів.

На фото група червоних світлодіодів з напругою 2.0 В та струмом 20 мА впевнено заявляє про свою справність при струмі 10 мА на одиницю, адже загальний струм послідовної групи з п'яти штук – 50 мА. Додаткові резистори для обмеження струму відсутні, він обмежується вручну рівнем напруги та контролюється за допомогою вимірювальних приладів регулятора-стабілізатора.

Ви звернули увагу на те, що я наголосив стосовно перевірки полярності виводів мультиметром? На практиці мені зустрічалися світлодіоди, виводи яких не відповідали ані міткам, ані іншим прикметам. Буває різне.

Першим прикладом наведу можливість підключення світлодіодів до мережі побутової змінної напруги 220 В. Я вже наголошував, що не підтримую такого рішення, втім, ситуації бувають різні. Не слід забувати, що у цих схемах використовуються резистори з потужністю на рівні 3-5 Вт, що само по собі вже каже про її неефективність.

У схемі праворуч використано два світлодіоди, кожен з яких працює на своїй півхвилі змінної напруги, тож горітимуть обидва. Ще у таких схем є певний недолік, дехто з людей буде чітко розрізняти мерехтливе світіння індикатора, адже спалахуватиме він із частотою 50 Гц.

Подальшим розвитком таких схем може бути використання конденсатора замість певної частини резистора для створення ємнісного опору, використання додаткового містка випрямляча змінного струму. Це все веде до збільшення кількості необхідних компонентів, тобто – до ускладнення схеми.

У наступній схемі світлодіод використовується для індикації досягнення певного рівня напруги. Для цього послідовно зі світлодіодом вмикається стабілітрон із потрібною напругою. При досягненні U жив робочого рівня напруги стабілітрона відбувається його пробій і світлодіод отримавши живлення спалахує. Величина опору резистора R обирається стандартно, вона обмежує і рівень струму стабілітрона і світлодіода.

Схема перемикача полярності виходу, з індикацією позитивної клеми, наведена вище. На практиці інколи виникає і така потреба. Отже, незалежно від полярності джерела входу, тумблером можна задати полярність на клемах виходу, до того ж індикацією буде супроводжуватися активна позитивна клема.

За допомогою двох світлодіодів досить просто реалізувати індикатор полярності напруги та її виду. Табличка стану праворуч від схеми показує при якій полярності світиться той чи інший світлодіод. У випадку змінного струму загоряться обидва світлодіоди.

Особливістю блимаючого світлодіода є те, що він не потребує баластного резистора, але на нього не дозволяється подавати напругу живлення більшу за рекомендовану, від 3.0 до 9.0 В (для різних типів) – це умова безпечної роботи. Для захисту від зростання напруги можна використати стабілітрон, встановлений у зворотному напрямку паралельно до світлодіода. За допомогою блимаючого світлодіода можна змусити блимати декілька звичайних світлодіодів. Також діод можна використати для управління транзистором, який вмикатиме та вимикатиме більш потужне навантаження у блимаючому режимі.

Фотодіоди

Напівпровідникові елементи чутливі до світла. Фізика процесів у фотодіодах схожа на світлодіод з точністю до навпаки. Фотони, які бомбардують p-n перехід ініціюють утворення вільних пар: електронів та дірок. Саме тому, при опроміненні, виникає струм. Не будемо вдаватися у подробиці, гадаю, зрозуміло.

Найбільшого поширення набули фотодіоди чутливі до променів інфрачервоного спектру та інтегральні ІЧ (інфрачервоні) приймачі – своєрідна мікросхема до складу якої входить фотодіод та інтегрований підсилювач сигналу.

Найуживанішим у повсякденні є фотодіод приймача дистанційного керування. Адже саме за допомогою пари світлодіод – фотодіод створюють канал оптичного зв'язку необхідний для бездротового дистанційного керування. Така ж сама пара застосовується і для створення відкритих оптронів. Ми не бачимо і не побачимо їхнього світлового променя, адже він інфрачервоний. Фотодіоди використовуються у CD та DVD програвачах для зчитування інформації. На базі фотодіодів виготовляють безконтактні термометри.

Позначення фотодіодів на схемах відрізняється від світлодіодів лише напрямком стрілочок, які вказують напрямок потоку світла. Зверніть увагу на типову схему увімкнення фотодіода. Увімкнення зворотне, бо елемент працює на зворотній гілці ВАХ. Робота світлочутливого діоду характерна двома основними режимами: фотодіодним та фотогальванічним. Але то вже царина розбору більш детальних його можливостей.

Основними характеристиками фотодіода є у першу чергу його ВАХ, чутливість до світлового потоку, спектральна характеристика і частотна характеристика (швидкодія).

Окрім звичайних кремнієвих фотодіодів, існують світлочутливі діоди виготовлені з використанням технології Шотки, які відрізняються високою швидкодією, тобто, працюють у досить високому частотному діапазоні. Перспективним напрямком вважаються фотодіоди з використанням технології лавинного пробою, які відрізняються високою чутливістю завдяки саме лавиноподібному ефекту наростання потоку носіїв заряду.

-------------------------------------------------------------------

ВІДСТУП

модернізуємо джерело живлення


Для реалізації індикації напруги на вихідних клемах та струму споживання навантаженням найзручніше підійшов би мініатюрний прилад DSN-VC288.

Але я пішов дещо іншим шляхом і цьому було декілька причини. Перша – хотілося показати вам, як за допомогою вольтметра вимірюють струм. Друга – розмір індикаторів. Не подобаються мені дрібні. І третя – вольтметри у мене є. А якщо вже бути відвертим до кінця, мені для індикації струму більше подобається аналоговий міліамперметр. Що я, власне кажучи, і зроблю в остаточному варіанті приладу. Чому аналоговий? Прочитайте допис стосовно відмінностей між цифровими та аналоговими індикаторами мультиметрів.

Тож я використаю два вольтметри, один із яких має на виході три дроти, інший – два. Яка між ними відмінність? Практично ніякої. Різниця лише в тому, що двох-вивідний призначений для контролю напруги більшої за 4.5 вольти, бо отримує внутрішнє живлення паралельно з вимірюваною напругою. Таким вольтметром зручно контролювати, скажімо, бортову напругу автомобіля, скутера, чи ще яку-небудь. Там, де мінімально потрібна межа вимірюваного діапазону не менше за 4.5 В. Принаймні таку мінімальну напругу вказує виробник.

Не слід забувати, що при напрузі меншій за 7.0 В, вольтметр матиме певну похибку. Якщо ми перевіримо це, то з'ясуємо, що при напрузі живлення 4.5 В похибка становитиме 30-50 мВ. Така величина похибки для контролю напруги з рівнем у декілька одиниць чи десятків вольтів не є критичною. Але звідки ж вона береться?

Вольтметр має власний вмонтований стабілізатор 78L05. Відповідно до технічної характеристики, стабілізатор здатен гарантовано забезпечувати стабільну напругу 5.0 В за умови живлення min – 7.0 В. Гадаю ви пам'ятаєте, що падіння напруги такого стабілізатора близько 1.3 В, тож для надійної роботи йому потрібно: 5.0 (напруга стабілізації) + 1.3 (напруга падіння) = 6.3 В (критично необхідний мінімум), найкраще 7.0 вольтів. Отже, при мінімальній напрузі сім вольтів стабілізатор віддаватиме гарантовано стабільні 5.0 В на виході.

Мої вольтметри взагалі дивні, бо навіть при напрузі живлення 7.0 вольтів завищують виміри мілівольтів десь на 60. Якщо чесно, я б не звертав уваги на таку похибку. Знаючи про її існування, напругу завжди можна скоригувати, при потребі, у ручному режимі. Та я розкажу вам, як позбутися похибки і змусити вольтметр працювати точніше.

Повернемося до наших витворів китайського ноу-хау. Різниця між ними, як я вже писав, у тому, що один має три дроти, а інший – два. Варіант із трьома дротами, окрім чорного () та червоного (+) дротів живлення, має ще й третій (як правило – білий). Він призначений для приєднання вольтметра до кіл виміру напруги. При такому варіанті відокремленого живлення, вольтметр починає вимір напруги від 0 вольтів. Давайте уважніше роздивимося їхню конструкцію з боку друкованої плати.

Окрім того, що на двох-вивідному відсутній один дріт (1), на ньому ще й встановлено додатковий SMD резистор з індексом 0 (2). А ми вже знаємо, що так маркуються звичайні перемички, які не мають ніякого опору.

Отже, для того, щоб із вольтметра з двома виводами зробити трьох-вивідний потрібно:

1 – припаяти відсутній дріт, по якому буде подаватися вимірювана напруга;

2 – ліквідувати перемичку (J1), для того, щоб перервати подачу напруги на вхід її виміру мікросхемою від кіл живлення вольтметра.

Із трьох-вивідного зробити двох-вивідний ще простіше: слід просто скрутити докупи червоний дріт живлення (+) і дріт (білий, жовтий) по якому подається напруга для вимірювання.

З дротами розібралися. На черзі кола корекції вимірюваної напруги.

Для цього розробник передбачив встановлення підстроювального резистора (R2). Виробник, з метою здешевлення конструкції, замість підстроювального застосував постійний з номіналом 19С (15.4 кОм). Я не знаю при яких рівнях напруги обирався номінал цього резистора, але те, що таке спрощення знищило можливість корекції нуля вольтметра – факт.

Нам слід виправити цей недолік. Ми маємо завищену напругу, отже, для того, щоб її зменшити слід змінити баланс подільника напруги R2-R3 – збільшити опір R2 або зменшити опір R3. Найпростішим буде варіант збільшення опору R2.

Звісно, при бажанні, можна повністю видалити постійний резистор R2 і замість нього запаяти підстроювальний номіналом 20.0 кОм. Ми зробимо інакше. Переріжемо скальпелем доріжку (місце перерізу позначене жовтою смужкою). Відновимо коло, встановивши на місці перерізу підстроювальний резистор з величиною опору 5.0 кОм.

Така модернізація дає можливість коригувати напругу на вході мікросхеми контролера і відповідно результати вимірів вольтметра. Втім, очікувати надзвичайної точності від такого вольтметру не слід. Як показує практика, і не лише моя особисто, дешеві китайські цифрові прилади не відрізняються стабільністю виміру. При віддаленні від точки корекції нуля, у той чи інший бік, починає з'являтися наростаюча похибка. Їхня основна перевага – вартість.

Наступний крок – перетворення вольтметра на амперметр.

Для реалізації найпростішої з можливих переробок нам будуть потрібні:

- резистор 0.1 Ом (2 Вт) для шунта;

- підстроювальний (бажано дротяний, багатооборотний) резистор 20.0 кОм.

Зверніть увагу на фото ліворуч. Переробок зовсім мало. Видалений резистор-перемичка J1, залужена площинка безпосередньо на вході контролера. До цієї площинки і припаюємо наш підстроювальний резистор. За допомогою нього будемо коригувати точність виміру.

Відпаюємо мінусовий дріт виходу регулятора-стабілізатора від вихідної клеми і відновлюємо з'єднання через резистор 0.1 Ом. Фото праворуч. Це буде наш шунт. Критичним для його потужності буде струм 4.5 А, та наш регулятор для такого струму і не призначений. Максимально-короткочасний струм навантаження, враховуючи розміри існуючого радіатора, не більший за 500 мА, довготривало-робочий 250-300 мА. Тож шунта такої потужності нам цілком вистачить навіть на перспективу. Щоб провести розрахункову перевірку, слід пригадати закон Ома, а найліпше скористайтеся "чарівним колом":

- падіння напруги на шунті, при струмі 300 мА, становитиме 0.1 Ом х 0.3 А = 0.03 В.

- розсіювана потужність 0.3 А х 0.03 В = 0.009 Вт = 9 мВт.

Перевірте розрахунок для критичного струму 4.5 А.

Хитрість перетворення вольтметра на амперметр і полягає в тому, що ми будемо вимірювати падіння напруги на шунті. До речі, це звичайна практика виміру постійного струму. У будь-якому амперметрі ви знайдете шунт, або вмонтований, або зовнішній.

Напруга падіння на шунті є опосередкованим показником величини струму, який протікає через нього. У нашому випадку рівень напруги досить малий (одиниці, десятки мілівольтів), тому ми нехтуємо вхідними колами вольтметра і подаємо напругу, через підстроювальний резистор, безпосередньо на вхід контролера.

Нам уже не знадобиться світлодіод адже з індикацією увімкнення регулятора чудово впораються два цифрові вимірювачі. Напругу живлення вольтметрів беремо зі стабілізатора DА1, при будь-якій напрузі на вході ми матимемо стабільні 5.0 В для живлення наших вимірювачів. Цього трохи замало і при бажанні ви можете просто поміняти стабілізатор DA1 на, скажімо, 7807 чи 7808 без жодних переробок. Я цього не робив.

Як випливає зі схеми, на вхід вольтметра подаємо напругу з позитивної клеми стабілізатора, а на вхід амперметра – з негативної.

Рознесена по схемі позначка +5 В вказує на те, що ці виводи з'єднуються. Так роблять для кращого читання схем, щоб не перевантажувати їх з'єднувальними дротами.

Мінусові дроти живлення вимірювачів закінчуються символом "апаратної землі", або ще кажуть – корпус (термін зберігся з давніх-давен, коли пристрої монтувалися навісним монтажем на металевому шасі). Такий самий символ має і спільний мінусовий дріт регулятора. На друкованих платах це, як правило, найширший провідник, який охоплює всю конструкцію – загальна мінусова шина.

Отже, сигнали на вхід вимірювачів потрапляють через відповідний дріт, а іншим його кінцем є "апаратна земля" – корпус, це неначе щуп COM мультиметра.

Тож давайте звернемо увагу на схему.

Напругу ми вимірюємо між шиною "мінус" та клемою "плюс" регулятора.

струм вимірюємо як падіння напруги між шиною "мінус" та клемою "мінус" регулятора. Таке падіння нам створює шунт, фактично – ми вимірюємо падіння напруги на резисторі "Шунт".

Для виготовлення корпусу додаткового модуля використано уже відому вам технологію.

Я обклеїв його декоративною оздоблювальною плівкою, щоб показати вам можливий варіант фінішного оформлення. Таку плівку, уже з нанесеним шаром клею, найрізноманітніших однотонних кольорів, відтінків, з імітацією різноманітних матеріалів (дерева, шкіри, каменю, металу) ви знайдете у будівельних магазинах. Конструкція надбудови, розмір отворів, буде залежати від ваших бажань та індикаторів, тому я їх не наводжу.

На світлинах ви бачите остаточний вигляд конструкції та її випробування.

Струм 500 мА розігрів як інтегральний регулятор LM317 (1.75 Вт розсіяної потужності), так і 5-ти ватні резистори навантаження (4.25 Вт). Напруга на вході 12.0 В, при бажанні порахуйте, перевірте себе.

На цьому все, до зустрічі. Нехай вам щастить.

 

Наступний допис – огляд особливої групи напівпровідникових елементів з декількома p-n переходами. На нас чекає знайомство із тиристорами: диністорами, триністорами, симісторами.

У практичній частині продовжимо модернізацію універсальний модуля регулятора-стабілізатора, додамо йому можливість захистити себе від перенавантаження.

 

Автор статті Володимир Пустовіт.

 

Комментарии к статье

Отсутствуют
  • Вы, клиент нашего интернет-магазина? Войдите чтобы оставить комментарий
    Войдите
    Впервые в интернет-магазине? Чтобы продолжить вам нужно зарегистрироваться, это займет несколько минут
    Зарегистрируйтесь
Наверх