If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Jeżeli jesteś za filtrem sieci web, prosimy, upewnij się, że domeny *.kastatic.org i *.kasandbox.org są odblokowane.

Główna zawartość

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.
W tych małych szklanych obudowach znajdują się diody krzemowe. Jedna ze stron oznaczona jest czarnym paskiem. Pasek ten pomaga zorientować się, w którym kierunku dioda przewodzi prąd.
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:
i=IS(eqv/kT1)
  • 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, i. Napięcie diody, v, zorientowane jest tak, że od strony +, 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.
Krzywa i-v (prądowo-napięciowa) diody krzemowej. Przy dodatnich napięciach mówimy o spolaryzowaniu w kierunku przewodzenia. Przy ujemnych mówimy o diodzie spolaryzowanej wstecznie (w kierunku zaporowym).

Prąd przewodzenia i wsteczny

Prąd przewodzenia

Przyjmijmy, że do diody krzemowej przyłożono niewielkie dodatnie napięcie, rzędu +0,2 wolta. Jesteśmy więc po prawej stronie krzywej i-v. Dla niewielkiego dodatniego napięcia nie płynie prawie żaden prąd przewodzenia. Po zwiększeniu napięcia do około 0,6V, przez diodę zaczyna płynąć mierzalny prąd zgodnie z kierunkiem przewodzenia. Przekraczając odrobinę wartość 0,6V, 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 0,60 - 0,75V. Jeśli przyłożymy zewnętrzne napięcie powyżej 0,75 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 ma potencjał wyższy od styku +, 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 (VBR), dioda zaczyna przewodzić w ujemnym kierunku. Typowym napięciem przebicia dla zwykłych diod jest VBR of 50V. Zwykle chcielibyśmy uniknąć zbliżania się wartości napięcia do VBR.

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.
Pasek, w dowolnym kontrastującym kolorze, oznacza katodę.
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.
Dłuższy drucik oznacza anodę.

Identyfikacja anody i katody przy pomocy miernika

Pewnym sposobem identyfikacji zacisków jest użycie omomierza do określenia kierunku przepływu prądu. W trybie pomiaru rezystancji, Ω, 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 + dotyka anody. Jeśli na omomierzu odczytamy O.L (przeciążenie, ang. overload), to znaczy, że dioda nie przewodzi prądu. Czerwona sonda + 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.
i=IS(eqv/kT1)
Krzywa i-v typowej diody krzemowej.
Powyższy wykres nie przypomina jednak krzywej wykładniczej, a natężenie prądu dla ujemnych napięć wygląda jakby wynosiło 0. Jeśli przeskalujemy osie (milliampery pikoampery i analogicznie dla napięć), zależność wykładnicza zaczyna być wyraźnie widoczna. Okazuje się też, że pojawia się niewielki ujemny prąd IS gdy dioda jest spolaryzowana wstecznie:
IS nazywamy prądem nasycenia. Przyłożenie wstecznej polaryzacji powoduje przepływ wstecznego prądu. Dla diody krzemowej typową wartością IS jest 1012A, (1 pikoamper). Dla diod germanowych typową wartością IS jest 106A, (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.
i=IS(eqv/kT1)
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 eqv/kT.
Wiemy, że wykładnik powinien być bezwymiarowy, więc pozostałe parametry powinny mieć miano 1/v.
q jest ładunkiem elektronu wyrażonym w kulombach:
q=1,6021019C.
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.
k=1,3801023J/K(dżuli na kelwin)
T oznacza temperaturę w skali bezwzględnej w kelwinach (albo K). Temperatura zera bezwzględnego, 0K, to inaczej 273C(stopni Celsjusza).
Jeśli cząstka znajduje się w T=300K, (temperaturze pokojowej), jej energia termiczna wynosi około:
kT=1,3801023J/K300K=4,141021J
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.
kTq=4,141021J1,6021019C=25,826mV
W temperaturze pokojowej (około 300K), kT/q wynosi 26 miliwoltów. Jest to różnica potencjałów odpowiadająca typowej energii termicznej elektronu w obwodzie. Wykładnik w równaniu diody, v/26mV, jest stosunkiem napięcia diody do różnicy potencjałów równoważnej termicznej energii typowego elektronu.
Jeśli chcesz, możesz zapisać równanie diodowy w temperaturze pokojowej:
i=IS(ev/26mV1)
Nieliniowe równanie i-v diody jest trudniejsze do rozwiązania niż liniowe równania i-v dla elementów R, L, and C. 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 i. Chcemy wyznaczyć wartość i oraz napięcie pojawiające się na diodzie, vD.
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 vD -- równanie diody w temperaturze pokojowej:
i=IS(evD/26mV1)
Korzystnie byłoby również dla opornika znaleźć zależność i od vD. Wtedy będziemy mogli narysować jej kształt na tym samym wykresie co krzywą i-v diody. Prawo Ohma dla opornika przyjmuje postać:
i=vR330Ω
Wiemy już, że vR=3VvD. Zatem równanie opornika przyjmuje postać:
i=3VvD330Ω
Zapiszmy to równanie tak, by bardziej przypominało równanie kierunkowe prostej:
i=1330ΩvD+3V330Ω
i=1330ΩvD+9mA
Nachylenie prostej obciążenia wynosi 1330.
Przecięcie z osią i wypada w 9mA.

Rozwiązanie graficzne

Mamy do czynienia z dwoma równaniami z dwiema niewiadomymi, i i vD:
i=1330ΩvD+9mA
i=IS(evD/26mV1)
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.
Graphical solution to the resistor-LED circuit. The blue line is a plot of the diode equation. The green line is a plot of the resistor "load line" equation. The point where the two lines intersect is where the current in the diode and resistor are the same.
Dość dokładne rozwiązanie znajdziemy odczytując współrzędne punktu przecięcia z wykresu
vD=0,6V i i=7,2mA
Rozwiązania odczytane z wykresu często są w zupełności wystarczające jeśli chodzi o ich dokładność.

Pytania kontrolne

zadanie 1
Ile wynosi natężenie prądu, gdy napięcie na diodzie vD wynosi 0?
i=
mA

zadanie 2
Ile wynosi napięcie w miejscu przecięcia prostej obciążenia z osią v (czyli gdy (i=0))?
v=
V

Zadanie 3
Czy wartość natężenia prądu, w której linia opornika przecina oś i zależy od wartości R?
Wybierz 1 odpowiedź:

zadanie 4
Czy wartość napięcia, w której linia opornika przecina oś v zależy od wartości R?
Wybierz 1 odpowiedź:

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 200Ω to 0Ω.

Nasz obwód z diodową charakterystyką i-v

Gdybyśmy do zadania wstawili charakterystyką i-v diody o napięciu przewodzenia 2V, nasze rozwiązanie wyglądałoby następująco:
Typowa dioda LED ładnie świeci po przyłożeniu prądu o natężeniu 20mA. 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: 1R.
Standardowo stosowany opornik 47Ω pozwala na osiągnięcie wartości natężenia bliskiej 20mA. 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:
i=IS(eqv/kT1)
IS nazywamy prądem nasycenia. Dla diody krzemowej, typowa wartość wynosi IS=1012A.
W wykładniku znajduje się wyrażenie kT/q, równe w temperaturze pokojowej 26mV. k jest stałą Boltmzanna, T oznacza temperaturę w kelwinach, a q jest ładunkiem elektronu w kulombach. W pobliżu temperatury pokojowej, równanie diody można zapisać następująco:
i=IS(ev/26mV1)
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 0,60,7V.
  • Dioda germanowa - Wykonana z innego pierwiastka - germanu. Diody tego typu mają napięcie przewodzenia rzędu 0,250,30V.
  • Diody Schottky'ego - Wykonane ze złącza krzem-metal. Napięcie przewodzenia jest niższe niż w zwykłych diodach krzemowych, w zakresie 0,150,45V.
  • 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
Rozumiesz angielski? Kliknij tutaj, aby zobaczyć więcej dyskusji na angielskiej wersji strony Khan Academy.