Spadek napięcia na diodzie (wyjaśniony dla początkujących): co, dlaczego, jak

W tym artykule omówimy spadek napięcia diody, przyczynę jego powstawania i sposób jego obliczenia. Dioda jest urządzeniem półprzewodnikowym, które umożliwia przepływ prądu w jednym kierunku i ogranicza przepływ prądu po drugiej stronie.

Spadek napięcia diody zasadniczo odnosi się do spadku napięcia polaryzacji przewodzenia. Występuje w diodzie obecnej w obwodzie elektrycznym, gdy przepływa przez nią prąd. Ten spadek napięcia polaryzacji przewodzenia jest wynikiem działania obszaru zubożenia utworzonego przez złącze PN pod wpływem przyłożonego napięcia.

Jaki jest spadek napięcia diody?

Spadek napięcia diody jest wynikiem przepływu prądu od anody do katody. Gdy dioda przewodzi w kierunku przewodzenia, spadek potencjału na niej jest znany jako spadek napięcia diody lub spadek napięcia w kierunku przewodzenia. 

W idealnym przypadku nie powinno być żadnego spadku napięcia na diodzie, gdy przewodzi ona prąd i pracuje w celu generowania napięcia wyjściowego prądu stałego. W rzeczywistości występuje niewielki spadek napięcia ze względu na rezystancję przewodzenia i napięcie przebicia przewodzenia. W przypadku krzemu spadek napięcia diody wynosi około 0.7 V. 

Ile napięcia spada dioda?

Każda dioda obniża określoną ilość napięcia na swoich zaciskach. Spadek napięcia diody o 0.7 V oznacza, że ​​napięcie przez rezystor lub obciążenie obecne w obwodzie wynosi (napięcie zasilania – 0.7) wolta.

Spadek napięcia na różnych diodach jest inny. Zazwyczaj waha się od 0.6 do 0.7 V dla małej diody krzemowej. Dla diod Schottky'ego wartość spadku napięcia wynosi 0.2 Volt. W przypadku diod elektroluminescencyjnych lub diod LED spadek napięcia wynosi od 1.4 do 4 woltów. Diody germanowe mają spadek napięcia 0.25-0.3 wolta.

Przeczytaj więcej na….Spadek napięcia na kablu: jak obliczyć i szczegółowe fakty

Dlaczego dioda ma spadek napięcia?

Dioda przy polaryzacji przewodzenia wybiera odpowiedni poziom napięcia, aby mogła przesunąć ładunki elektroniczne w kierunku złącza PN. Można to powiedzieć analogicznie do „podnoszenia” każdej kuli z podłogi na szczyt stołu.

Różnica poziomów energii wymaganych do przemieszczenia ładunków elektronicznych przez złącze PN powoduje, że spadek napięcia. Ponadto w diodzie występuje pewien opór odpowiedzialny za pewien spadek napięcia. Spadek napięcia spowodowany rezystancją zależy od dopuszczalnego natężenia przepływu prądu na złączu PN.

Jak obliczyć spadek napięcia diody?

Spadki napięcia na różnych diodach są różne. Dla diody krzemowej jest to około 0.7 V, dla diody germanowej jest to 0.3 V, a dla dioda Schottky'ego wynosi około 0.2 wolta. Diody LED mają różne wartości spadku napięcia. 

Teraz, jeśli chcemy obliczyć spadek napięcia na dowolnym innym elemencie w obwodzie, musimy od napięcia źródła odjąć spadek napięcia diod obecnych między tym elementem a źródłem. Czyli spadek napięcia tego elementu wynosi (napięcie źródła - suma spadków napięcia diody).

Jak obniżyć napięcie za pomocą diody?

Diody Zenera są dobre do obniżania napięcia. Jednak trywialną metodą obniżenia napięcia za pomocą diod jest szeregowe połączenie wielu diod z zasilaczem. Każda dioda powoduje spadek napięcia o prawie 0.7 V.

Diody umożliwiają tylko jednokierunkowy przepływ prądu, ale dioda będzie przewodzić prąd tylko wtedy, gdy zasilanie osiągnie próg. Standardowy próg diody krzemowej wynosi 0.6 wolta. … Po połączeniu każdej diody w szereg napięcie spada o 0.6 wolta. Wykorzystując tę ​​technikę, możemy obniżyć napięcie w obwodzie za pomocą diod.

Czytaj także…Jak obliczyć spadek napięcia w obwodzie szeregowym: szczegółowe fakty

Spadek napięcia na diodzie Schottky’ego

Diody Schottky'ego wyposażone w złącze metal-półprzewodnik mają zazwyczaj wartość V_f w zakresie od 0.15 V do 0.45 V. Zakres ten wynika z różnic w zastosowanym metalu (np. platyna, chrom) i typie półprzewodnika (np. krzem typu n). Niższy V_f wynika z braku wtrysku nośnika mniejszościowego, który jest powszechny w diodach złączowych PN.

Konsultacje: Ich niski współczynnik V_f czyni je idealnymi do zastosowań wymagających wysokiej częstotliwości i prostowania mocy, gdzie efektywność energetyczna ma kluczowe znaczenie.

Spadek napięcia diody Zenera

Diody Zenera są zaprojektowane do pracy w polaryzacji zaporowej, ze stabilnym spadkiem napięcia (V_z), który może wynosić od 2 V do ponad 200 V. V_z zależy od poziomu dopingu; diody silnie domieszkowane mają niższe V_z. Diody Zenera podążają za mechanizmem przebicia Zenera do około 5.6 V, a powyżej tego dominuje przebicie lawinowe.

Konsultacje: Są szeroko stosowane w regulacji napięcia i zastosowaniach referencyjnych ze względu na ich zdolność do utrzymywania stałego napięcia w szerokim zakresie prądu.

Spadek napięcia na diodzie germanowej

Diody germanowe o energii pasma wzbronionego około 0.66 eV wykazują V_f około 0.3 V. Na ich działanie w wyższych temperaturach wpływa zwiększone wewnętrzne stężenie nośnika, co prowadzi do wyższych prądów upływowych w porównaniu z diodami krzemowymi.

Konsultacje: Chociaż diody germanowe są mniej powszechne, są stosowane w zastosowaniach niskonapięciowych i przy renowacji zabytkowego sprzętu elektronicznego.

Spadek napięcia diody krzemowej

Diody krzemowe o energii pasma wzbronionego około 1.1 eV mają V_f około 0.7 V. Wartość ta może się nieznacznie różnić w zależności od stężenia domieszki i konstrukcji diody. Diody krzemowe zachowują swoje właściwości w szerszym zakresie temperatur w porównaniu do diod germanowych.

Konsultacje: Ich niezawodność i stabilność sprawiają, że nadają się do szerokiego zakresu zastosowań, od prostowania mocy po przetwarzanie sygnałów.

Diody w szeregowym spadku napięcia

W konfiguracji szeregowej całkowity spadek napięcia w kierunku przewodzenia jest skumulowaną sumą spadków poszczególnych diod. Na przykład trzy diody krzemowe połączone szeregowo przy identycznych poziomach prądu będą miały całkowite V_f wynoszące około 2.1 V. Prąd przepływający przez każdą diodę musi być identyczny, ponieważ różne prądy mogą prowadzić do nierównomiernych spadków napięcia i potencjalnej awarii diody.

Konsultacje: Konfiguracje diod szeregowych są stosowane w zastosowaniach wymagających wyższych spadków napięcia, niż może zapewnić pojedyncza dioda.

Diody przy równoległym spadku napięcia

W połączeniach równoległych spadek napięcia na każdej diodzie jest taki sam, jak na pojedynczej diodzie. Jednak dopasowanie diod ma kluczowe znaczenie, ponieważ różnice w charakterystyce U_f i I/V mogą prowadzić do nierównego podziału prądu, potencjalnie przeciążając jedną diodę, jednocześnie nie wykorzystując pozostałych.

Aplikacje: Konfiguracje diod równoległych służą do zwiększenia obciążalności prądowej przy jednoczesnym zachowaniu określonego spadku napięcia.

Najczęściej zadawane pytania

Jak zmniejszyć napięcie za pomocą diody Zenera?

Dioda Zenera to szczególny przypadek diod, który umożliwia przepływ wsteczny prądu o określonym napięciu, znanym jako napięcie Zenera. Może również zmniejszyć odwrotność napięcia i pracy jako wydajny regulator napięcia.

Aby użyć diody Zenera do obniżenia napięcia, musimy połączyć ją równolegle z obciążeniem w obwodzie. Napięcie zasilania musi być wyższe niż napięcie Zenera, a dioda powinna być odwrócona. To połączenie pomaga zredukować napięcie wsteczne do określonej wartości i działać jako regulator napięcia.

Wzór na spadek napięcia diody

Dla uproszczenia przyjmuje się, że spadek napięcia na diodzie w kierunku przewodzenia wynosi 0.7 V. Teraz, jeśli w obwodzie z obciążeniem jest tylko jedna dioda, spadek napięcia na obciążeniu wynosi (napięcie zasilania – 0.7) Volt. 

W przypadku wielu diod połączonych szeregowo w obwodzie spadek napięcia na obciążeniu wynosi (napięcie zasilania – liczba diod * 0.7). Na przykład na obrazku 1 spadek napięcia na diodzie D1= (5-0.7) = 4.3 V. Spadek napięcia na diodzie D2= (5-2 * 0.7) = 3.6 V. Spadek napięcia na diodzie D3 = (5-3 * 0.7) = 2.9 V. 

Przeczytaj więcej na….Spadek napięcia dla pojedynczej fazy: jak obliczyć i szczegółowe fakty

Wykres spadku napięcia diody

Poniższa tabela przedstawia limity spadku napięcia dla różnych rodzajów diod.

Spadek napięcia diody a temperatura

Diody krzemowe mają ujemny współczynnik temperaturowy około -2 mV/°C. To zmniejszenie spadku napięcia wraz ze wzrostem temperatury wynika ze zwiększonej mobilności nośników. Diody Schottky'ego o niższej wysokości bariery wykazują niższy współczynnik temperaturowy, zwykle około -1 mV/°C.

Informacje o aplikacji: Ta właściwość jest istotna w zastosowaniach wrażliwych na temperaturę, gdzie diody mogą działać jako czujniki temperatury lub kompensatory w obwodach.

Spadek napięcia diody w funkcji prądu

Połączenia spadek napięcia przez diodę wzrasta wraz z prądem w sposób nieliniowy. Ale ponieważ opór różnicowy jest mniejszy, wzrost jest bardzo powolny. Możemy rozważyć charakterystykę napięcia przewodzenia w funkcji prądu. 

W diodach krzemowych, gdy prąd wzrasta od 1 mA do 1 A, V_f (spadek napięcia w kierunku przewodzenia) zwykle waha się od 0.7 V do 0.8 V z powodu zwiększonego przepływu elektronów. Diody germanowe wykazują wzrost V_f z 0.3 V do 0.4 V w podobnych warunkach. Równanie Shockleya szczegółowo opisuje zależność: V_f = nV_t ln(I/I_s + 1). Tutaj n (współczynnik idealności) waha się od 1 (idealna dioda) do 2 (warunki w świecie rzeczywistym), V_t (napięcie termiczne) wynosi około 26 mV w temperaturze pokojowej, a I_s (prąd nasycenia) mieści się w zakresie nanoamperów.

Z krzywej IV widać, że duży wzrost prądu początkowo daje pomijalnie mały wzrost napięcia. Następnie szybciej napięcie rośnie, a w końcu bardzo szybko eskaluje. Krzywa IV pokazuje wykładniczy wzrost napięcia z prądem. Gdy Vd przekroczy 0.6/0.7 V, szybko się podnosi.

Kiedy spadek napięcia na diodzie złącza PN?

Kiedy prąd przepływa przez dowolny komponent obecny w obwodzie, następuje spadek napięcia. Podobnie, gdy prąd przepływa przez diodę w kierunku przewodzenia, wtedy występuje A spadek napięcia, znany jako spadek napięcia w kierunku przewodzenia.

Dioda złącza pn nie może wysyłać prądu ze złącza w odwrotnej polaryzacji dla bardzo wysokiej rezystancji. Złącze pn działa jak obwód otwarty, więc spadek napięcia na tej idealnej diodzie złącza pn pozostaje taki sam. Jest równy napięciu akumulatora.

Ponadto kliknij, aby dowiedzieć się więcej Organiczne diody elektroluminescencyjne.

Spadek napięcia MOSFET podłączony do diody

MOSFET podłączony do diody, ze zwartą bramką i źródłem, wykazuje spadek napięcia równy napięciu progowemu (V_th), zwykle w zakresie od 0.7 V do 1 V. Spadek ten jest większy ze względu na wymagania tranzystora MOSFET V_gs (napięcie od bramki do źródła). Konkretny V_th zależy od typu i konstrukcji MOSFET-u, przy czym różnice obserwuje się w różnych węzłach technologicznych.

Aplikacje: Tranzystory MOSFET połączone z diodą są używane w obwodach analogowych jako napięcie odniesienia oraz w obwodach cyfrowych do przesuwania poziomu logicznego, wykorzystując wysoką impedancję wejściową MOSFET-u i kontrolowany spadek napięcia.

Kaushikee Banerjee

Cześć… Jestem Kaushikee Banerjee, ukończyłem studia magisterskie z elektroniki i komunikacji. Jestem entuzjastą elektroniki i obecnie zajmuję się dziedziną elektroniki i komunikacji. Moją pasją jest poznawanie najnowocześniejszych technologii. Jestem entuzjastycznym uczniem i majstruję przy elektronice typu open source.