Główna zawartość
Elektrotechnika
Dioda w obwodzie elektrycznym
Diody przewodzą prąd tylko w jednym kierunku. Obwody z diodami rozwiązujemy metodą graficzną rysując charakterystykę i-v diody i opornika tak by znaleźć ich przecięcie. Stworzone przez Willy McAllister. Tłumaczenie na język polski: Fundacja Edukacja dla Przyszłości dzięki wsparciu Fundacji Akamai.
Pierwszym urządzeniem półprzewodnikowym, które omówimy jest dioda. Cechą szczególną diody jest to, że przewodzi prąd tylko w jedną stronę. Nie będziemy wnikać w szczegóły jak to się dzieje, albo jak dioda jest zrobiona. Na całe szczęście nie musisz wiedzieć, jak wytworzyć diodę, jeśli jedyne co chcesz zrobić to użyć jej w obwodzie.
Dokąd zmierzamy
Krzywa i-v diody jest opisana poniższym równaniem nieliniowym:
- Zdefiniujemy pojęcia takie jak napięcie polaryzacyjne (w kierunku przewodzenia i wsteczne) i prąd nasycenia.
- Dowiesz się, jak w praktyce rozpoznać końce prawdziwej diody.
- Nauczymy się w sposób graficzny rozwiązywać równanie diody.
Symbol diody
Schematycznie diodę oznacza się w następujący sposób:
Czarna strzałka (▶) wyznacza charakterystyczny dla danej diody kierunek przepływu prądu przewodzenia, start color #11accd, i, end color #11accd. Napięcie diody, start color #e07d10, v, end color #e07d10, zorientowane jest tak, że od strony plus, prąd wpływa do diody. Stosujemy konwencją dla elementów pasywnych. Opcjonalna zakrzywiona pomarańczowa strzałka wyznacza kierunek polaryzacji napięcia.
Krzywa i-v diody
Typowa krzywa i-v krzemowej diody widoczna jest poniżej. Dioda jest urządzeniem o nieliniowej charakterystyce.
Prąd przewodzenia i wsteczny
Prąd przewodzenia
Przyjmijmy, że do diody krzemowej przyłożono niewielkie dodatnie napięcie, rzędu plus, 0, comma, 2 wolta. Jesteśmy więc po prawej stronie krzywej i-v. Dla niewielkiego dodatniego napięcia nie płynie prawie żaden prąd przewodzenia. Po zwiększeniu napięcia do około 0, comma, 6, start text, V, end text, przez diodę zaczyna płynąć mierzalny prąd zgodnie z kierunkiem przewodzenia. Przekraczając odrobinę wartość 0, comma, 6, start text, V, end text, natężenie prądu gwałtownie rośnie. Krzywa i-v staje się prawie pionowa (z lekkim przechyłem na prawo).
Mówimy, że dioda jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia, gdy napięcie na zaciskach jest dodatnie. O polaryzacji w tym kierunku mówimy zawsze wtedy, gdy napięcie jest dodatnie. W trakcie normalnej pracy, napięcia na diodzie spolaryzowanej w kierunku przeowdzenia wynosi pomiędzy 0, comma, 60 - 0, comma, 75, start text, V, end text. Jeśli przyłożymy zewnętrzne napięcie powyżej 0, comma, 75 wolta, prąd diody stanie się bardzo wysoki i może doprowadzić do przegrzania.
Prąd w kierunku wstecznym
Po przyłożeniu ujemnego napięcia do diody, tak, że styk oznaczony minus ma potencjał wyższy od styku plus, znajdujemy się po lewej stronie wykresu krzywej i-v. Mówimy, że dioda jest spolaryzowana wstecznie. W kierunku wstecznym (zaporowym), natężenie prądu jest bliskie zeru. Na wykresie znajdujemy się odrobinę po stronie ujemnych wartości, tuż poniżej osi napięcia.
Spolaryzowana zaporowo dioda nie utrzyma się wiecznie. Kiedy napięcie osiągnie odpowiednio wysoką (ujemną) wartość nazwaną napięciem przebicia (start text, V, end text, start subscript, start text, B, R, end text, end subscript), dioda zaczyna przewodzić w ujemnym kierunku. Typowym napięciem przebicia dla zwykłych diod jest start text, V, end text, start subscript, start text, B, R, end text, end subscript of minus, 50, start text, V, end text. Zwykle chcielibyśmy uniknąć zbliżania się wartości napięcia do start text, V, end text, start subscript, start text, B, R, end text, end subscript.
Zaciski diodowe
Na schematach możliwe jest w jasny sposób oznaczenie kierunku przepływu prądu. Nie ma więc potrzeby nazywania dwóch zacisków diody. Jeżeli jednak operujemy rzeczywistymi diodami i budujemy z nich obwód, musimy być w stanie określić w którą stronę wpiąć diodę. Diody są z reguły małymi urządzeniami. Nie ma na nich miejsca do umieszczenia symbolu diody. Potrzebny jest więc inny sposób znakowania, który pomoże w identyfikacji zacisków diody.
Zaciski diody nazywamy anodą i katodą.
Jak zapamiętać nazwy anody i katody?
Przez długi czas wielką trudność sprawiało mi nauczenie się, który z zacisków jest anodą, a który katodą. Za każdym razem musiałem to gdzieś sprawdzić. W końcu wpadłem na sztuczkę mnemotechniczną, która mi w tym pomaga. Przyjrzyjmy się słowie Katoda. Wielka litera K przypomina nieco symbol diody.
Odwrócimy symbol diody tak by wyglądał jak litera K. Jednocześnie strzałka wskazuje na katodę. Czyli katoda jest zaciskiem po lewej stronie.
Identyfikacja zacisków rzeczywistej diody
Diody zrobione z małych chipów krzemowych. Można dostać je w wielu różnych maleńkich obudowach. Istnieje kilka sposobów na oznaczenie, który zacisk diody to który.
Obudowy w kształcie cylindrów, wykonanych ze szkła bądź plastiku, zwykle posiadają paski po jednej stronie. Pasek odpowiada pionowej linii z symbolu diody. Wskazuje więc, po której stronie znajduje się katoda.
Dioda o innym kształcie, jak widoczna tutaj czerwona dioda LED (dioda elektroluminescencyjna, ang. light emitting diode) posiada druciki o różnych długościach. Prąd wpływa do dłuższego drucika - anody. Zdarza się, że obudowa ma wybrzuszenie albo odstającą wypustkę po stronie, którą prąd wpływa do diody.
Identyfikacja anody i katody przy pomocy miernika
Pewnym sposobem identyfikacji zacisków jest użycie omomierza do określenia kierunku przepływu prądu. W trybie pomiaru rezystancji, \Omega, miernik aplikuje niewielkie napięcie na podłączonych do niego sondach (dlatego omomierz potrzebuje baterii). To napięcie pozwala określić kierunek przepływu prądu.
Na powyższych obrazkach dioda jest podłączona raz w jedną, raz w drugą stronę. Jeśli na omomierz odczytujemy skończoną rezystancję, oznacza to, że dioda przewodzi niewielki prąd w tym kierunku a czerwona sonda plus dotyka anody. Jeśli na omomierzu odczytamy O.L (przeciążenie, ang. overload), to znaczy, że dioda nie przewodzi prądu. Czerwona sonda plus w tym przypadku dotyka katody.
Twój miernik może posiadać nastawę do pomiaru diod oznaczoną małym symbolem diody. Jeśli skorzystamy z tego ustawienia a czerwona sonda dotknie anody, na wyświetlaczu odczytamy wartość napięcia przewodzenia.
Równanie i-v diody
Charakterystykę prądowo-napięciową diody (i-v) modeluje się równaniem diody, które oparte jest na fizyce leżącej u podstaw działania diody oraz na uważnych pomiarach rzeczywistych diod.
Powyższy wykres nie przypomina jednak krzywej wykładniczej, a natężenie prądu dla ujemnych napięć wygląda jakby wynosiło 0. Jeśli przeskalujemy osie (start text, m, i, l, l, i, a, m, p, e, r, y, end text right arrow start text, p, i, k, o, a, m, p, e, r, y, end text i analogicznie dla napięć), zależność wykładnicza zaczyna być wyraźnie widoczna. Okazuje się też, że pojawia się niewielki ujemny prąd start text, I, end text, start subscript, start text, S, end text, end subscript gdy dioda jest spolaryzowana wstecznie:
start text, I, end text, start subscript, start text, S, end text, end subscript nazywamy prądem nasycenia. Przyłożenie wstecznej polaryzacji powoduje przepływ wstecznego prądu. Dla diody krzemowej typową wartością start text, I, end text, start subscript, start text, S, end text, end subscript jest 10, start superscript, minus, 12, end superscript, start text, A, end text, (1 pikoamper). Dla diod germanowych typową wartością start text, I, end text, start subscript, start text, S, end text, end subscript jest 10, start superscript, minus, 6, end superscript, start text, A, end text, (1 mikroamper).
O równaniu diody lepiej jest myśleć jako o modelu niż o prawie rządzącym jej zachowaniem. Równanie to odzwierciedla wyidealizowany przypadek diody. Rzeczywiste działanie zależy od sposobu wykonania diody, temperatury, oraz na jak szczegółowym opisie nam zależy.
Spojrzenie z bliska na równanie i-v diody
[W kolejnej części rozłożymy równanie diody na czynniki pierwsze. Nie jest to wiedza, która będzie Ci niezbędna do używania diod w Twoich obwodach. Nic nie stoi na przeszkodzie, byś przeszedł od razu do przykładu poniżej.]
W równaniu diody znajduje się wiele nowych parametrów. Przejdziemy przez nie krok po kroku.
v oznacza napięcie na zaciskach diody. Znajduje się w wykładniku eksponenty, co wyjaśnia dlaczego zależność i od napięcia v ma charakter wykładniczy.
Teraz zobaczmy co jeszcze znajduje się w wykładniku .
Wiemy, że wykładnik powinien być bezwymiarowy, więc pozostałe parametry powinny mieć miano 1, slash, v.
q jest ładunkiem elektronu wyrażonym w kulombach:
q, equals, 1, comma, 602, dot, 10, start superscript, minus, 19, end superscript, start text, C, end text.
k nazywamy stałą Boltzmanna. Jest to bardzo istotna wielkość w fizyce. Energia cząstki zwiększa się wraz ze wzrostem temperatury. Jeśli znasz temperaturę cząstki, k pomoże Ci znaleźć wkład do jej energii kinetycznej wynikający z samego faktu znajdowania się w danej temperaturze. Stała Boltzmanna wyraża się w jednostkach energii na 1 kelwin.
start text, T, end text oznacza temperaturę w skali bezwzględnej w start text, k, e, l, w, i, n, a, c, h, end text (albo start text, K, end text). Temperatura zera bezwzględnego, 0, start text, K, end text, to inaczej minus, 273, degrees, start text, C, end text, start text, left parenthesis, s, t, o, p, n, i, space, C, e, l, s, j, u, s, z, a, right parenthesis, end text.
Jeśli cząstka znajduje się w start text, T, end text, equals, 300, start text, K, end text, (temperaturze pokojowej), jej energia termiczna wynosi około:
Jeśli mamy do czynienia z elektronem, cząstką o znanym ładunku, możemy rozważać jego energię termiczną dzieloną przez ładunek. Energia dzielona przez ładunek może brzmieć znajomo, ta wielkość ma interpretację różnicy potencjałów, czyli napięcia.
W temperaturze pokojowej (około 300, start text, K, end text), k, start text, T, end text, slash, q wynosi 26 miliwoltów. Jest to różnica potencjałów odpowiadająca typowej energii termicznej elektronu w obwodzie. Wykładnik w równaniu diody, v, slash, 26, start text, m, V, end text, jest stosunkiem napięcia diody do różnicy potencjałów równoważnej termicznej energii typowego elektronu.
Jeśli chcesz, możesz zapisać równanie diodowy w temperaturze pokojowej:
Nieliniowe równanie i-v diody jest trudniejsze do rozwiązania niż liniowe równania i-v dla elementów start text, R, end text, start text, L, end text, and start text, C, end text. Jedynie w kilku określonych przypadkach spotkasz się z zadaniem wymagającym znalezienia analitycznego rozwiązania. Zazwyczaj w obwodach z diodami znajdujemy rozwiązanie metodą graficzną albo stosujemy oprogramowanie symulujące obwody, by znaleźć przybliżone rozwiązanie.
Przykładowy obwód z diodą
Zbudujemy teraz obwód z diodą. W nasz obwód wpięta jest zielona dioda elektroluminescencyjna (LED).
Przez opornik i diodę płynie ten sam prąd o natężeniu start color #11accd, i, end color #11accd. Chcemy wyznaczyć wartość start color #11accd, i, end color #11accd oraz napięcie pojawiające się na diodzie, start color #e07d10, v, start subscript, start text, D, end text, end subscript, end color #e07d10.
Wykorzystamy fakt, że przez wszystkie elementy płynie ten sam prąd i rozpiszemy równania w których występuje jego natężenie.
Dla diody wyrazimy natężenie prądu i jako funkcję v, start subscript, start text, D, end text, end subscript -- równanie diody w temperaturze pokojowej:
Korzystnie byłoby również dla opornika znaleźć zależność i od v, start subscript, start text, D, end text, end subscript. Wtedy będziemy mogli narysować jej kształt na tym samym wykresie co krzywą i-v diody. Prawo Ohma dla opornika przyjmuje postać:
Wiemy już, że v, start subscript, start text, R, end text, end subscript, equals, 3, start text, V, end text, minus, v, start subscript, start text, D, end text, end subscript. Zatem równanie opornika przyjmuje postać:
Zapiszmy to równanie tak, by bardziej przypominało równanie kierunkowe prostej:
i, equals, minus, start fraction, 1, divided by, 330, \Omega, end fraction, v, start subscript, start text, D, end text, end subscript, plus, 9, start text, m, A, end text
Nachylenie prostej obciążenia wynosi minus, start fraction, 1, divided by, 330, end fraction.
Przecięcie z osią i wypada w 9, start text, m, A, end text.
Rozwiązanie graficzne
Mamy do czynienia z dwoma równaniami z dwiema niewiadomymi, i i v, start subscript, start text, D, end text, end subscript:
Rozwiązanie możemy znaleźć metodą graficzną. Narysujemy wykresy obu równań w tej samej skali i znajdziemy ich przecięcie. Punkt, w którym wykresy się przetną odpowiada sytuacji, gdy natężenia prądu na oporniku i na diodzie są sobie równe.
Dość dokładne rozwiązanie znajdziemy odczytując współrzędne punktu przecięcia z wykresu
v, start subscript, start text, D, end text, end subscript, equals, 0, comma, 6, start text, V, end text i i, equals, 7, comma, 2, start text, m, A, end text
Rozwiązania odczytane z wykresu często są w zupełności wystarczające jeśli chodzi o ich dokładność.
Pytania kontrolne
Jaśniej
Załóżmy, że po zbudowaniu tego obwodu okaże się, że dioda LED nie jest wystarczająco jasna. Dioda będzie świeciła jaśniej kiedy podniesiemy prąd. Jak to zrobić?
Zastanów się, jaki parametr w naszym obwodzie zmienić aby zwiększyść jasność świecenia diody. Następnie naszkicuj nowe rozwiązanie na wykresie.
Suppose we go for maximum brightness by leaving out the resistor altogether. Is this a good idea or a bad idea?
Imagine how the resistor line changes as the resistor goes from 200, \Omega to 0, \Omega.
Nasz obwód z diodową charakterystyką i-v
Gdybyśmy do zadania wstawili charakterystyką i-v diody o napięciu przewodzenia 2, start text, V, end text, nasze rozwiązanie wyglądałoby następująco:
Typowa dioda LED ładnie świeci po przyłożeniu prądu o natężeniu 20, start text, m, A, end text. Aby go uzyskać, dostraja się nachylenie linii obciążenia opornika do momentu w którym punkt przecięcia z charakterystyką diody wypada tam gdzie chcemy. Znając nachylenie wyznaczamy wartość oporu korzystając ze wzoru na wartość współczynnika kierunkowego: minus, start fraction, 1, divided by, start text, R, end text, end fraction.
Standardowo stosowany opornik 47, \Omega pozwala na osiągnięcie wartości natężenia bliskiej 20, start text, m, A, end text. Dla innego napięcia zasilającego zastosować musimy, oczywiście, inny opornik.
W większości kart katalogowych diod LED wyspecyfikowane są wartości napięcia przewodzenia, ale nie znajdziemy tam równania diody, które widzieliśmy na powyższych wykresach. Jeśli przyjmiemy, że charakterystyka diody jest pionową linią przechodzącą przez punkt o napięciu równym napięciu przewodzenia, dostaniemy dość dobre przybliżenie.
Podsumowanie
Symbol diody i oznaczenie jej zacisków:
Równanie diody ma postać:
start text, I, end text, start subscript, start text, S, end text, end subscript nazywamy prądem nasycenia. Dla diody krzemowej, typowa wartość wynosi start text, I, end text, start subscript, start text, S, end text, end subscript, equals, 10, start superscript, minus, 12, end superscript, start text, A, end text.
W wykładniku znajduje się wyrażenie k, start text, T, end text, slash, q, równe w temperaturze pokojowej 26, start text, m, V, end text. k jest stałą Boltmzanna, start text, T, end text oznacza temperaturę w kelwinach, a q jest ładunkiem elektronu w kulombach. W pobliżu temperatury pokojowej, równanie diody można zapisać następująco:
Zobaczyliśmy, jak graficznie rozwiązać obwód z diodą. Niewielkim nakładem pracy udało się uzyskać dość dokładną odpowiedź. W ogólności, rozwiązania metodą graficzną znajdują zastosowanie w analizie obwodów z komponentami nieliniowymi.
Dodatek: typy diod
Istnieje wiele rodzajów diod, różniących się materiałem i sposobem wykonania. Wyspecjalizowane są w różnego rodzaju zastosowaniach, na przykład:
- Dioda krzemowa - Krzem jest najczęściej stosowanym materiałem do wytwarzania diod. Typowe napięcia przewodzenia wynoszą 0, comma, 6, minus, 0, comma, 7, start text, V, end text.
- Dioda germanowa - Wykonana z innego pierwiastka - germanu. Diody tego typu mają napięcie przewodzenia rzędu 0, comma, 25, minus, 0, comma, 30, start text, V, end text.
- Diody Schottky'ego - Wykonane ze złącza krzem-metal. Napięcie przewodzenia jest niższe niż w zwykłych diodach krzemowych, w zakresie 0, comma, 15, –, 0, comma, 45, start text, V, end text.
- Dioda Zenera - Zaprojektowana tak, by działała w zakresie napięcia przebicia. Stosowana jest do określenia napięcia odniesienia.
- Dioda elektroluminescencyjna (LED) - Świeci, jak sama nazwa wskazuje. Oprócz tego działa jak zwykłą dioda krzemowa. LEDy otrzymuje się łącząc pierwiastki znajdujące się w układzie okresowym po dwóch stronach krzemu. Ma przykład, żółta dioda świecąca może być wykonana z arsenofosforku galu (GaAsP).
- Fotodioda - posiada okienko, przez które światło może padać na powierzchnię krzemu. Natężenie prądu w diodzie jest proporcjonalne do intensywności światła. Szczególnym przypadkiem fotodiody są ogniwa słoneczne.
- Dioda przełączająca - Dioda krzemowa zaprojektowana tak, by bardzo szybko można było przełączyć diodę między polaryzacją w kierunku przewodzenia a polaryzacją wsteczną. Osiąga się to, robiąc diodę o bardzo małych rozmiarach.
Chcesz dołączyć do dyskusji?
Na razie brak głosów w dyskusji