Pokles napětí diody (vysvětleno pro začátečníky): Co, proč, jak

V tomto článku probereme pokles napětí diody, proč je způsoben a jak jej můžeme vypočítat. Dioda je polovodičové zařízení, které umožňuje jeden směrový tok proudu a omezuje tok proudu na druhé straně.

Pokles napětí diody v podstatě odkazuje na pokles napětí v propustném směru. Vyskytuje se v diodě přítomné v elektrickém obvodu, když jí prochází proud. Tento pokles předpětí je výsledkem působení oblasti vyčerpání tvořené PN přechodem pod vlivem použitého napětí.

Co je pokles napětí diody?

Pokles napětí diody je výsledkem toku proudu od anody ke katodě. Když dioda vede v propustném předpětí, potenciální pokles na ní je známý jako pokles napětí diody nebo pokles napětí v propustném směru. 

V ideálním případě by na diodě nemělo docházet k žádnému poklesu napětí, když prochází proud a pracuje za účelem generování stejnosměrného výstupního napětí. V reálném životě dochází k malému poklesu napětí v důsledku propustného odporu a průrazného napětí. U křemíku je pokles napětí diody kolem 0.7 Voltu. 

O kolik napětí klesne dioda?

Jakákoli dioda sníží určité množství napětí na svých svorkách. Pokles napětí diody o 0.7 V znamená, že napětí přes odpor nebo zátěž přítomnou v obvodu je (napájecí napětí – 0.7) voltu.

Úbytek napětí na různých diodách se liší. Typicky se pohybuje od 0.6 do 0.7 voltů pro malou křemíkovou diodu. U Schottkyho diod je hodnota úbytku napětí 0.2 Volt. U světelných diod nebo LED se úbytek napětí pohybuje v rozmezí 1.4-4 Voltů. Germaniové diody mají úbytek napětí 0.25-0.3 voltu.

Přečtěte si více na….Pokles napětí pro kabel: Jak vypočítat a podrobná fakta

Proč má dioda pokles napětí?

Dioda v propustném předpětí vybere vhodnou úroveň napětí, aby mohla tlačit elektronické náboje směrem k PN přechodu. Dá se to říci analogicky ke „zvedání“ každé koule až na vrchol stolu z podlahy.

Rozdíl v úrovni energie potřebné k pohybu elektronických nábojů přes PN přechod způsobuje pokles napětí. V diodě je také určitý odpor odpovědný za určitý pokles napětí. Pokles napětí v důsledku odporu závisí na povoleném průtoku proudu na PN přechodu.

Jak vypočítat pokles napětí diody?

Úbytky napětí různých diod jsou různé. Pro křemíkovou diodu je to přibližně 0.7 V, pro germaniovou diodu je to 0.3 V a pro schottkyho dioda je to asi 0.2 voltu. LED diody mají různé hodnoty poklesu napětí. 

Nyní, pokud chceme vypočítat úbytek napětí na jakémkoli jiném prvku v obvodu, musíme odečíst úbytek napětí na diodách přítomných mezi tímto prvkem a zdrojem od napětí zdroje. Takže úbytek napětí tohoto prvku je (zdrojové napětí - součet úbytků napětí diody).

Jak snížit napětí pomocí diody?

Zenerovy diody jsou dobré pro pokles napětí. Nicméně triviální metodou snížení napětí pomocí diod je zapojení více diod do série s napájením. Každá dioda způsobí pokles napětí o téměř 0.7 V.

Diody umožňují pouze jeden směrový tok elektřiny, ale dioda povede elektřinu pouze tehdy, když se napájení dotkne prahové hodnoty. Standardní prahová hodnota křemíkové diody je 0.6 voltu. … Po zapojení každé diody do série klesne napětí o 0.6 voltu. Pomocí této techniky můžeme snížit napětí v obvodu pomocí diod.

Čtěte také…Jak vypočítat pokles napětí v sériovém obvodu: Podrobná fakta

Pokles napětí Schottkyho diody

Schottkyho diody s přechodem kov-polovodič mají typicky V_f mezi 0.15 V a 0.45 V. Tento rozsah je způsoben odchylkami v použitém kovu (např. platina, chrom) a typu polovodiče (např. křemík typu n). Nižší V_f vyplývá z nepřítomnosti injekce minoritní nosné, která převládá u PN přechodových diod.

Aplikace: Díky nízkému U_f jsou ideální pro vysokofrekvenční aplikace a usměrňování výkonu, kde je energetická účinnost kritická.

Pokles napětí Zenerovy diody

Zenerovy diody jsou navrženy tak, aby fungovaly v opačném směru, se stabilním poklesem napětí (V_z), který se může pohybovat od 2V do více než 200V. V_z závisí na úrovni dopingu; silně dopované diody mají nižší V_z. Zenerovy diody sledují Zenerův průrazný mechanismus až do cca 5.6 V a mimo něj dominuje lavinový průraz.

Aplikace: Jsou široce používány v regulaci napětí a referenčních aplikacích kvůli jejich schopnosti udržovat konstantní napětí v širokém rozsahu proudu.

Pokles napětí germaniové diody

Germaniové diody s energií bandgap asi 0.66 eV vykazují V_f kolem 0.3 V. Jejich výkon je ovlivněn při vyšších teplotách v důsledku zvýšené koncentrace vnitřního nosiče, což vede k vyšším svodovým proudům ve srovnání s křemíkovými diodami.

Aplikace: Ačkoli méně běžné, germaniové diody se používají v nízkonapěťových aplikacích a restaurování historických elektronických zařízení.

Pokles napětí křemíkové diody

Křemíkové diody s energií bandgap asi 1.1 eV mají V_f přibližně 0.7 V. Tato hodnota se může mírně lišit v závislosti na koncentraci dopingu a konstrukci diody. Křemíkové diody si ve srovnání s germaniovými diodami zachovávají své vlastnosti v širším teplotním rozsahu.

Aplikace: Jejich spolehlivost a stabilita je činí vhodnými pro širokou škálu aplikací, od usměrňování výkonu až po zpracování signálu.

Diody v sérii pokles napětí

V sériové konfiguraci je celkový úbytek napětí v propustném směru kumulativní součet úbytků jednotlivých diod. Například tři křemíkové diody v sérii při stejných úrovních proudu budou mít celkové V_f přibližně 2.1 V. Proud procházející každou diodou musí být stejný, protože různé proudy mohou vést k nerovnoměrným poklesům napětí a potenciálnímu selhání diody.

Aplikace: Sériové konfigurace diod se používají v aplikacích vyžadujících vyšší úbytky napětí, než může poskytnout jediná dioda.

Diody v paralelním poklesu napětí

V paralelním zapojení je úbytek napětí na každé diodě stejný jako u jedné diody. Přizpůsobení diod je však zásadní, protože rozdíly v charakteristikách V_f a I/V mohou vést k nestejnému sdílení proudu, což může vést k přetížení jedné diody a nedostatečnému využití ostatních.

Aplikace: Paralelní konfigurace diod se používají ke zvýšení kapacity zpracování proudu při zachování specifického poklesu napětí.

Nejčastější dotazy

Jak snížit napětí pomocí zenerovy diody?

Zenerova dioda je speciálním případem diod, které umožňují obrácený tok proudu v určitém napětí, známém jako zenerovo napětí. Může také snížit zpětný chod napětí a fungují jako účinný regulátor napětí.

Pro použití zenerovy diody ke snížení napětí ji musíme zapojit paralelně se zátěží v obvodu. Napájecí napětí musí být vyšší než zenerovo napětí a dioda by měla být v opačném směru. Toto zapojení pomáhá snížit zpětné napětí na určitou hodnotu a funguje jako regulátor napětí.

Vzorec poklesu napětí diody

Pro zjednodušení se předpokládá úbytek napětí v propustném směru na diodě 0.7 V. Pokud je nyní v obvodu spolu se zátěží pouze jedna dioda, úbytek napětí na zátěži je (napájecí napětí – 0.7) Volt. 

V případě více diod v sérii v obvodu je úbytek napětí na zátěži (napájecí napětí – počet diod * 0.7). Například na obrázku 1 je úbytek napětí na diodě D1= (5-0.7) = 4.3 V. Úbytek napětí na diodě D2= (5-2 * 0.7) = 3.6 V. Úbytek napětí na diodě D3 = (5-3 * 0.7) = 2.9 V. 

Přečtěte si více na….Pokles napětí pro jednu fázi: Jak vypočítat a podrobná fakta

Tabulka poklesu napětí diody

Níže uvedená tabulka ukazuje meze poklesu napětí pro různé druhy diod.

Pokles napětí diody vs teplota

Křemíkové diody mají negativní teplotní koeficient asi -2 mV/°C. Toto snížení poklesu napětí se zvýšením teploty je způsobeno zvýšenou mobilitou nosiče. Schottkyho diody s nižší výškou bariéry vykazují menší teplotní koeficient, typicky kolem -1 mV/°C.

Přehled aplikace: Tato vlastnost je významná v aplikacích citlivých na teplotu, kde diody mohou fungovat jako teplotní senzory nebo kompenzátory v obvodech.

Pokles napětí diody vs proud

Projekt pokles napětí přes diodu se zvyšuje s proudem nelineárním způsobem. Ale protože je diferenciální odpor menší, nárůst je velmi pomalý. Můžeme uvažovat propustné napětí vs proudové charakteristiky. 

V křemíkových diodách se při zvýšení proudu z 1 mA na 1 A V_f (pokles napětí v dopředném směru) typicky mění od 0.7 V do 0.8 V kvůli zvýšenému toku elektronů. Germaniové diody vykazují za podobných podmínek zvýšení V_f z 0.3 V na 0.4 V. Shockleyova rovnice podrobně popisuje vztah: V_f = nV_t ln(I/I_s + 1). Zde se n (faktor ideality) pohybuje od 1 (ideální dioda) do 2 (reálné podmínky), V_t (tepelné napětí) je asi 26 mV při pokojové teplotě a I_s (saturační proud) je v rozsahu nanoampérů.

Z křivky IV můžeme vidět, že velké zvýšení proudu zpočátku vede k zanedbatelně malému zvýšení napětí. Pak rychleji stoupá napětí a nakonec velmi rychle eskaluje. IV křivka ukazuje exponenciální růst napětí s proudem. V době, kdy Vd překročí 0.6/0.7 V, se rychle pohybuje nahoru.

Při poklesu napětí na PN přechodové diodě?

Když proud prochází kteroukoli součástí v obvodu, dochází k poklesu napětí. Podobně, když proud prochází diodou v propustném předpětí, pak existuje a pokles napětí, známý jako pokles napětí v propustném směru.

Dioda přechodu pn nemůže poslat proud z přechodu v opačném směru pro velmi vysoký odpor. Pn přechod funguje jako otevřený obvod, takže úbytek napětí na této ideální diodě pn přechodu zůstává stejný. Rovná se napětí baterie.

Kliknutím také získáte informace o Organické světlo emitující diody.

Pokles napětí MOSFET připojeného diodou

MOSFET připojený k diodě, s hradlem a zkratovaným zdrojem, vykazuje pokles napětí rovný jeho prahovému napětí (V_th), typicky v rozsahu 0.7 V až 1 V. Tento pokles je vyšší kvůli požadavku V_gs (gate-to-source voltage) MOSFETu. Konkrétní V_th závisí na typu a konstrukci MOSFET s odchylkami pozorovanými v různých technologických uzlech.

Aplikace: MOSFETy připojené k diodě se používají v analogových obvodech jako napěťové reference a v digitálních obvodech pro logické řazení úrovně, přičemž těží z vysoké vstupní impedance MOSFETu a řízeného poklesu napětí.

Kaushikee Banerjee

Ahoj……já jsem Kaushikee Banerjee dokončil svůj magisterský titul v oboru elektronika a komunikace. Jsem nadšenec do elektroniky a v současnosti se věnuji oboru Elektronika a komunikace. Můj zájem spočívá v objevování špičkových technologií. Jsem nadšený student a pohrávám si s open-source elektronikou.