Падение напряжения на диоде как измерить

Измеряем прямое падение напряжения на неизвестном светодиоде

В целом данная тема уже рассматривалась достаточно часто.

Следует помнить, что для нормальной работы светодиодов важен ток потребления… и, по сути, не важно само напряжения питания — оно может быть и 5 вольт и 25 и 1025… главное, чтобы было ограничение по току потребления светодиода.

А вот падение напряжения надо знать чтобы понимать «сколько останется» напряжения после светодиода…

Например, падение напряжения на светодиоде — 4 вольта, тогда при подаче на него питания в 7 вольт (при наличии ограничения тока до рабочего параметра) светодиод загорится, но уже после него в цепи будет 3 вольта — 7-4=3

Последовательно соединенные светодиоды с таким падением напряжения в количестве 2-х штук (при таком напряжении питания — в 7 вольт) светиться уже не будут, поскольку общая сумма падения напряжения будет больше, чем сам источник питания.

Как правило у каждого светодиода есть свои паспортные характеристики, где и можно узнать как прямое падение напряжения, так и рабочий ток потребления…

Однако иногда в наличии просто имеется какая то куча светодиодов «без каких либо характеристик»… вот и надо как то выяснить те или иные параметры.

Для проверки можно использовать «мультиметр» для проверки полупроводников.
Типа такого с Али

Он вполне может показать прямое падение маломощного светодиода и еще покажет расположение анода и катода.

Кстати, мощные светодиоды он не тестирует…
По крайней мере «орлиный глаз» оказался ему не по зубам — он определял его как конденсатор.

Также прямое падение напряжение на светодиоде можно померить обычным мультиметром.
Включаем схему:

1. плюс питания — токоограничивающий резистор — анод светодиода
2. минус питания — на катод светодиода
3. к ножкам светодиода подключаем мультиметр в режиме измерения напряжения.

Подаем постоянное напряжение питания с нуля (можно и сразу подать воль от 4-х для маломощных светодиодов).
Постепенно увеличиваем напряжение питания и следим за показаниями мультиметра.
Как только показания мультиметра перестанут сильно увеличиваться в не зависимости от увеличения напряжения питания, это и будет значение прямого падения напряжения на светодиоде.

Вот пример: я на маломощный светодиод подаю через токоограничивающий резистор в 1,5кОма напряжение 9 вольт, на на самом светодиоде при этом присутствует 1,9 вольт.
1,9 вольт — это и есть прямое падение напряжения данного светодиода.

Или на примере более мощного светодиода «орлиный глаз»:
Через тот же резистор 1,5 кОма (имеющийся резистор в 33 Ом можно проигнорировать) я подаю 14 вольт.
Однако на самом светодиоде наблюдаем напряжение не более 8 вольт:

При подаче напряжения питания 12 вольт, мой светодиод «орлиный глаз» потребляет 72мА, при 13 вольтах — 90мА и начинает сильно греться — на корпусе светодиода я замерил 62 градуса после чего прекратил подачу напряжения питания.
Так что токоограничение для данного светодиода надо делать где то в пределах 70мА и резистор помощнее надо ставить или использовать регулятор тока.

А вот видео по измерениям…

0:00 — используем «тестер полупроводников»
1:20 — используем мультиметр для замера падения напряжения на маломощном светодиоде
5:17 — замер падения напряжения на «орлином глазе»

Разбор корпуса светодиода «орлиный глаз» я рассматривал в статье — Вскрытие «Орлиного глаза» в блоге.

А вот можно сделать пробник светодиодов из шприца…
А подключив к мультиметру в режиме измерения напряжения (естественно) — и падение напряжения на светодиоде:

Как проверить диод?

Чтобы определить исправность диода можно воспользоваться приведённой далее методикой его проверки цифровым мультиметром.

Но для начала вспомним, что представляет собой полупроводниковый диод.

Полупроводниковый диод – это электронный прибор, который обладает свойством однонаправленной проводимости.

У диода имеется два вывода. Один называется катодом, он является отрицательным. Другой вывод – анод. Он является положительным.

На физическом уровне диод представляет собой один p-n переход.

Напомню, что у полупроводниковых приборов p-n переходов может быть несколько. Например, у динистора их три! А полупроводниковый диод, по сути является самым простым электронным прибором на основе всего лишь одного p-n перехода.

Запомним, что рабочие свойства диода проявляются только при прямом включении. Что значит прямое включение? А это означает, что к выводу анода приложено положительное напряжение (+), а к катоду – отрицательное, т.е. (—). В таком случае диод открывается и через его p-n переход начинает течь ток.

При обратном включении, когда к аноду приложено отрицательное напряжение (—), а к катоду положительное (+), то диод закрыт и не пропускает ток.

Так будет продолжаться до тех пор, пока напряжение на обратно включённом диоде не достигнет критического, после которого происходит повреждение полупроводникового кристалла. В этом и заключается основное свойство диода – односторонняя проводимость.

У подавляющего большинства современных цифровых мультиметров (тестеров) в функционале присутствует возможность проверки диода. Эту функцию также можно использовать для проверки биполярных транзисторов. Обозначается она в виде условного обозначения диода рядом с разметкой переключателя режимов мультиметра.

Небольшое примечание! Стоит понимать, что при проверке диодов в прямом включении на дисплее показывается не сопротивление перехода, как многие думают, а его пороговое напряжение! Его ещё называют падением напряжения на p-n переходе. Это напряжение, при превышении которого p-n переход полностью открывается и начинает пропускать ток. Если проводить аналогию, то это величина усилия, направленного на то, чтобы открыть «дверь» для электронов. Это напряжение лежит в пределах 100 – 1000 милливольт (mV). Его то и показывает дисплей прибора.

В обратном включении, когда к аноду подключен минусовой (—) вывод тестера, а к катоду плюсовой (+), то на дисплее не должно показываться никаких значений. Это свидетельствует о том, что переход исправен и в обратном направлении ток не пропускает.

В документации (даташитах) на импортные диоды пороговое напряжение именуется как Forward Voltage Drop (сокращённо V_f), что дословно переводится как «падение напряжения в прямом включении«.

Само по себе падение напряжения на p-n переходе нежелательно. Если помножить протекающий через диод ток (прямой ток) на величину падения напряжения, то мы получим ни что иное, как мощность рассеивания – ту мощность, которая бесполезно расходуется на нагрев элемента.

Узнать подробнее о параметрах диода можно здесь.

Проверка диода.

Чтобы было более наглядно, проведём проверку выпрямительного диода 1N5819. Это диод Шоттки. В этом мы скоро убедимся.

Производить проверку будем мультитестером Victor VC9805+. Также для удобства применена беспаечная макетная плата.

Обращаю внимание на то, что во время измерения нельзя держать выводы проверяемого элемента и металлические щупы двумя руками. Это грубая ошибка. В таком случае мы измеряем не только параметры диода, но и сопротивление своего тела. Это может существенно повлиять на результат проверки.

Держать щупы и выводы элемента можно только одной рукой! В таком случае в измерительную цепь включен только сам измерительный прибор и проверяемый элемент.

Данная рекомендация справедлива и при измерении сопротивления резисторов, а также при проверке конденсаторов. Не забывайте об этом важном правиле!

Итак, проверим диод в прямом включении. При этом плюсовой щуп (красный) мультиметра подключаем к аноду диода. Минусовой щуп (чёрный) подключаем к катоду. На фотографии, показанной ранее, видно, что на цилиндрическом корпусе диода нанесено белое кольцо с одного края. Именно с этой стороны у него вывод катода. Таким образом маркируется вывод катода у большинства диодов импортного производства.

Как видим, на дисплее цифрового мультиметра показалось значение порогового напряжения для 1N5819. Так как это диод Шоттки, то его значение невелико – всего 207 милливольт (mV).

Теперь проверим диод в обратном включении. Напоминаем, что в обратном включении диод ток не пропускает. Забегая вперёд, отметим, что и в обратном включении через p-n переход всё-таки протекает небольшой ток. Это так называемый обратный ток (I_обр). Но он настолько мал, что его обычно не учитывают.

Поменяем подключение диода к измерительным щупам мультиметра. Красный щуп подключаем к катоду, а чёрный к аноду.

На дисплее покажется «1» в старшем разряде дисплея. Это свидетельствует о том, что диод не пропускает ток и его сопротивление велико. Таким образом, мы проверили диод 1N5819 и он оказался полностью исправным.

Многие задаются вопросом: «Можно ли проверить диод не выпаивая его из платы?» Да, можно. Но в таком случае необходимо выпаять из платы хотя бы один его вывод. Это нужно сделать для того, чтобы исключить влияние других деталей, которые соединены с проверяемым диодом.

Если этого не сделать, то измерительный ток потечёт через все, в том числе, и через связанные с ним элементы. В результате тестирования показания мультиметра будут неверными!

В некоторых случаях данным правилом можно пренебречь, например, когда чётко видно, что на печатной плате нет таких деталей, которые могут повлиять на результат проверки.

Неисправности диода.

У диода есть две основные неисправности. Это пробой перехода и его обрыв.

• Пробой. При пробое диод превращается в обычный проводник и свободно пропускает ток хоть в прямом направлении, хоть в обратном. При этом, как правило, пищит буззер мультиметра, а на дисплее показывается величина сопротивления перехода. Это сопротивление очень мало и составляет несколько ом, а то и вообще равно нулю.
• Обрыв. При обрыве диод не пропускает ток ни в прямом, ни в обратном включении. В любом случае на дисплее прибора – «1». При таком дефекте диод представляет собой изолятор. «Диагноз» – обрыв можно случайно поставить и исправному диоду. Особенно легко это сделать, когда щупы тестера порядком изношены и повреждены. Следите за исправностью измерительных щупов, провода у них ох какие «жиденькие» и при частом использовании легко рвутся.

А теперь пару слов о том, как по значению порогового напряжения (падению напряжения на переходе – Forward Voltage Drop (V_f)) можно ориентировочно судить о типе диода и материале из которого он изготовлен.

Вот небольшая подборка, составленная из конкретных диодов и соответствующих им величин V_f, которые были получены при их тестировании мультиметром. Все диоды были предварительно проверены на исправность.

Все о напряжении светодиода, а также как узнать на сколько вольт он рассчитан

Перед использованием светодиода необходимо ознакомиться с его технической документацией, ― правильное применение светоизлучающего элемента защищает его от преждевременной поломки. Главный параметр светодиода ― ток, но следует учитывать и его рабочее напряжение ― о этих двух факторах и поговорим в статье.

Понятие напряжения падения (рабочее)

Светодиод (он же LED) обладает одной важной характеристикой ― рабочее напряжение или напряжение падения. Данное значение показывает, на сколько вольт уменьшится напряжение при прохождении через светодиод при последовательном соединении.

Для понимания, стоит привести небольшой пошаговый пример:

1. Диод имеет падение 3,4 В, а напряжение питания 12 В.
2. После питания первого диода из 12 В останется 8,6 В (12-3,4=8,6).
3. На втором потеряется еще 3,4 В, а останется 5,2 В (8,6-3,4=5,2).
4. После третьего мы получим 1,8 В (5,2-3,4=1,8).

Конечное значение меньше, чем падение напряжения светоизлучающего диода, значит, запитать их большее количество не получится.

На величину рабочего напряжения оказывает влияние материал, из которого изготавливается LED. По рабочему напряжению они делятся на:

1. LED с напряжением от 3 В до 3,8 В: синий, белый, сине-зеленый.
2. LED с напряжением от 1,8 В до 2,1 В: красный, жёлтый, оранжевый, зелёный.

На сколько вольт бывают

Рабочее напряжение светодиода можно определить не только по его внешнему виду и характеристикам, но и по цветовому свечению LED. Для этого, ознакомьтесь с таблицей ниже.

Цвет LED

Напряжение, В

Как цвет влияет на яркость

Для понимания этого аспекта, следует узнать, что происходит внутри диода и что влияет на тип цвета.

Внутреннее устройство полупроводникового LED — это два полупроводника, рассчитанные на разный уровень проводимости. Электрический ток по первому полупроводнику проходит за счёт физического явления, обеспечивающее перемещение свободных электронов. По второму проводнику ток движется благодаря перемещению «дырок».

«Дырка» ― место, где отсутствует электрон.

В месте соединения полупроводников начинается этап рекомбинации «дырок» и электронов. На место «дырки» прилетает электрон, который делает атом нейтральным ― происходит излучение фотона, то есть появляется цвет.

Цвет способен изменяться, если на него влияют следующие факторы:

• из какого типа полупроводника изготавливался светодиод;
• какие примеси были использованы в местах контакта двух полупроводников;
• ширина запретной зоны (место рекомбинации);
• параметры и величина, оказывающие влияние на силу тока на участке электрической цепи.

Изменение цвета происходит за счёт увеличения или уменьшения электрического тока. Обращаясь к закону Ома, необходимо помнить, что чем больше напряжение, тем больше сила тока. Это означает, что энергия фотона будет также увеличиваться, тем самым приближаясь к более холодному (синему) и яркому свечению.

Как узнать на сколько вольт рассчитан

С помощью блока питания

Один из быстрых способов определения напряжения светодиода ― использование регулируемого источника питания. Блок питания должен регулироваться с нуля и при этом давать возможность контролировать ток, а ещё лучше ― его ограничение.

Для измерения выполните следующие шаги:

1. Подключите светодиод к источнику, соблюдая полярность.
2. Постепенно поднимайте напряжение ― до 3-3,5В.

В определённый момент диод загорится в полную силу — это значит, уровень напряжения соответствует рабочему току (его можно считать по амперметру). Если в приборе отсутствует встроенный амперметр, ток необходимо контролировать с помощью внешнего прибора.

В момент подъёма напряжения, нельзя пересекать черту в 3,5 В. Если светодиод при этих показателях не загорается, проверьте полярность подключения прибора.

По внешнему виду

Приблизительную силу рабочего напряжения можно оценить по внешнему виду, маркировке и цвету свечения светодиода. Для определения по цветовому спектру, воспользуйтесь таблицей, о которой было написано ранее в статье.

Стандартной маркировки не существует, каждый производитель указывает на ней свои параметры. Маркировка обычно указывается на упаковочной таре (коробках и пакетах). Если вы приобретаете светодиоды, которые сматывают в катушку, ― попросите у продавца упаковочную тару, чтобы узнать маркировку LED.

Мультиметром

Для измерения рабочего напряжения светодиода мультиметром, выполните следующие шаги:

1. Включите мультиметр, а поворотный переключатель установите в позицию «проверка диодов».
2. Светодиод имеет два вывода и полярность: короткий (минусовой вывод), длинный (плюсовой вывод). Подключите положительный (красный) щуп мультиметра к положительному выводу светодиода, а отрицательный (черный) щуп приложите к отрицательному.
3. Если светодиод исправен, лампочка загорится.

Как определить ток

Узнать о том, какой номинальный ток имеет светодиод, не используя специальных справочников, не так просто. По внешнему виду, силу тока можно определить по колбе диода: чем она больше, тем больше ток. Если во время проверки вы пересекаете допустимую черту, цвет диода изменится. Например, изначально жёлтый цвет может перейти в белый или синий оттенок.

Большинство стандартных светодиодов рассчитаны на ток 20 мА.

Современные технологии позволяют дополнять корпус прибора новыми комплектующими. Чаще всего используются гасящие резисторы. Таким способом можно получить светодиод с напряжением 5,12 или 220 В.

Помимо этого, номинальный ток светодиода определяется тем же мультиметром. Когда лампочка загорится, обратите внимание на экран прибора, на нём будет отображено напряжение, зная его и закон Ома, можно без проблем вычислить ток светодиода.

Посмотрев видео можно понять, как проверить различные типы светодиодов при помощи мультиметра.

Напряжение светодиодных ламп

Современные светодиодные лампы, изготавливаемые для домашнего пользования и в целях промышленности, предназначены для переменного напряжения питания 110 ― 220 В. Этот показатель достигается с помощью объединения нескольких чипов. За понижение напряжения и получения постоянного тока в этом случае отвечает драйвер, встраиваемый в каждую лампу.

Сами светодиоды в лампе рассчитаны на более низкое напряжение постоянного типа. В большинстве ламп используются светодиоды SMD 5050 или SMD 2835. В китайских лампах типа Кукуруза используются LED SMD 3014. Все эти светодиоды рассчитаны на рабочее напряжение 2-3,2 В (постоянный ток), более точное значение зависит от излучаемого цвета, падение напряжение также у всех разное, от 1,8 В до 3 В.

Напряжение светодиодных лент

В светодиодных лентах используются такие же светодиоды, как и в лампах, поэтому все что написано выше, применимо и к ним, т.е. рабочее напряжение для светодиода ленты составляет 2-3,2 В.

Подводя итоги, стоит отметить то, что каждый светодиод имеет свои индивидуальные характеристики, в том числе и по напряжению. Для того, чтобы точно узнать на сколько рассчитан конкретный светоизлучающий диод, нужно ознакомиться с его мануалом, так называемым Datasheet.

Что такое падение напряжения на диоде и как его измерить

Диоды широко используются в электронных схемах для выпрямления тока, коммутации, защиты и других целей. Но далеко не все знают, что при протекании через диод прямого тока на нем возникает падение напряжения. Давайте разберемся, что это такое и почему оно важно.

Определение падения напряжения на диоде

Падение напряжения на диоде – это величина напряжения, которая теряется (рассеивается) при протекании через диод прямого тока. Обозначается Vf (forward voltage).

Падение напряжения на диоде всегда больше нуля, то есть диод не является идеальным проводником.

Например, у классического кремниевого диода 1N4007 типовое значение Vf составляет 0,7 В. Это означает, что при протекании через него тока будет падение напряжения 0,7 В. У современных высокочастотных диодов Шоттки это значение может быть 0,1-0,3 В.

Причины возникновения падения напряжения на диоде

Падение напряжения на диоде возникает по причине его внутреннего сопротивления. Физически это связано с тем, что диод изготавливается на основе полупроводникового перехода между двумя областями с разным типом проводимости. При переходе носителей заряда через эту границу выделяется тепло и происходит падение напряжения.

Величина эффекта зависит от материала диода (кремний, германий, арсенид галлия), технологии изготовления, площади перехода и ряда других факторов. Чем совершеннее технология, тем меньше Vf. Например, у современных диодов Шоттки на основе карбида кремния это значение может достигать всего 0,1 В.

• Для сравнения, идеальный диод имеет нулевое падение напряжения при любых токах.
• Однако создать абсолютно идеальный диод пока не удается.

Как измерить падение напряжения на диоде

Падение напряжения на диоде можно измерить с помощью мультиметра в режиме прозвонки диодов. Прибор подает небольшой ток через диод прямым направлении и измеряет падение напряжения. Типовые значения для популярных диодов:

Тип диода	Vf, В
1N4148	0,65-0,75
1N4007	0,6-0,8
Диод Шоттки 1N5819	0,15-0,45

Более точные измерения прямого падения напряжения на диоде можно провести с помощью осциллографа или милливольтметра, подав на диод заданный ток от регулируемого источника и измерив падение напряжения.

Влияние падения напряжения на характеристики диода

Наличие падения напряжения на диоде влияет на его основные характеристики.

В прямом направлении падение напряжения приводит к следующим эффектам:

• — потеря части напряжения питания в цепях с диодами
• — рассеивание мощности в виде тепла, нагрев диода
• — нелинейность вольт-амперной характеристики

В обратном направлении увеличение Vf может привести к росту обратных токов утечки. Кроме того, значение падения напряжения зависит от температуры — чем выше температура диода, тем больше Vf.

Особенности диодов Шоттки с малым падением напряжения

Диод Шоттки с малым падением напряжения строится не на основе обычного p-n перехода, а использует контакт металл-полупроводник. Это позволяет существенно снизить Vf по сравнению с кремниевыми диодами (до 0,15-0,45 В).

К достоинствам диодов Шоттки можно отнести:

1. Низкое падение напряжения
2. Высокое быстродействие
3. Низкие обратные токи утечки

Однако у таких диодов есть и недостатки:

• Низкое обратное напряжение (до 60 В)
• Высокая стоимость

Диод с низким падением напряжения Шоттки широко используется в схемах выпрямления, стабилизации напряжения, импульсных источниках питания и другой силовой электронике.

Методы снижения падения напряжения на диодах

Хотя падение напряжения диоде в целом невозможно свести к нулю, есть несколько методов минимизации этого эффекта в электрических схемах.

На уровне схемотехники можно применять следующие подходы:

• Использовать диоды Шоттки вместо обычных кремниевых диодов
• Включать диоды с бОльшим запасом по допустимому току
• Устанавливать радиаторы охлаждения на диоды
• Питать радиоэлементы отдельно, в обход диодов

Существуют также специализированные интегральные схемы — «идеальные диоды», которые имитируют работу диода, но имеют очень низкое Vf благодаря использованию МДП транзисторов.

Какое падение напряжения допустимо для различных схем

Допустимая величина Vf зависит от конкретного применения. Некоторые типовые значения:

• Для стабилизаторов напряжения — не более 0,1-0,2 В
• В светодиодных лампах и RGB лентах — до 3 В
• В импульсных источниках питания — 0,4-1 В
• Для радиоприемников и АЦП — менее 0,1 В

При питании от батареек особенно важно учитывать падение напряжения, поскольку ресурс будет потрачен «вхолостую».

Учет температурной зависимости Vf

Величина падения напряжения на диодах неразрывно связана с их температурой. С повышением температуры кристалла диода значение Vf увеличивается по экспоненциальному закону вследствие изменения характеристик полупроводника.

Это особенно критично для мощных диодов, где возможен интенсивный саморазогрев. В результате может возникнуть тепловая нестабильность — лавинообразный рост Vf и температуры. Чтобы этого избежать, обязательно нужно закладывать запас по максимальному току и применять радиаторы.

Пример расчета схемы выпрямителя с учетом Vf

Рассмотрим на примере, как рассчитать простейший однополупериодный выпрямитель на диоде 1N4007 с емкостным фильтром, учитывая падение напряжения диода 0,7 В.

Расчет параметров источника питания

Допустим, номинальное действующее значение вторичного напряжения трансформатора составляет 12 В. Это означает амплитуду 17 В. Вычитаем из этого значения падение напряжения на диоде 0,7 В. Получаем 16,3 В — это будет выпрямленное напряжение на выходе без фильтра.

Теперь выбираем емкость конденсатора фильтра, исходя из требуемых пульсаций напряжения. Допустим, для нашего устройства допустимы пульсации в 200 мВ. Рассчитываем минимальную емкость фильтра по известным формулам с учетом частоты напряжения сети, тока нагрузки и коэффициента пульсаций. Получаем 390 мкФ.

Проверка запаса по мощности

Исходя из выбранных параметров трансформатора и диода, можем рассчитать максимальную мощность выпрямителя. Сравниваем ее с требуемой мощностью нагрузки и выбираем реальные компоненты с запасом 20-30%.

Моделирование и оптимизация

Для более точного анализа работы схемы выпрямителя целесообразно провести компьютерное моделирование в специализированных программах вроде Multisim. Это позволит учесть неидеальность характеристик реальных радиодеталей и оптимизировать параметры схемы.

Практическая сборка и тестирование

Перед запуском выпрямителя в работу обязательно нужно провести испытания собранной схемы. Проверить напряжения, токи, пульсации, температуру деталей. Это позволит выявить возможные ошибки монтажа, неверный выбор элементов и другие проблемы.

Рекомендации по эксплуатации

В процессе эксплуатации выпрямителя нужно контролировать нагрузку, не превышать температурные режимы. Периодически измерять напряжение и ток, особенно на диоде. При появлении отклонений — принимать меры по замене компонентов.