Меню

Ток диода при прямом напряжении формула

Экспоненциальная зависимость тока от напряжения у диодов при прямом смещении

Данная статья предоставляет основную информацию об электрическом поведении диодов, смещенных в прямом направлении.

Эта статья объясняет экспоненциальную вольт-амперную характеристику (ВАХ) диодов, концепцию «порогов» и влияние температуры на ВАХ.

Связь между током и напряжением у диода

Когда вы прикладываете напряжение к двум выводам диода с более высоким напряжением на стороне анода и более низким напряжением на стороне катода, начинает протекать прямой ток (то есть ток от анода к катоду). Если напряжение увеличивается, будет увеличиваться и прямой ток, и в этом случае диод будет похож на резистор: большее напряжение приводит к большему току.

Однако если мы внимательно посмотрим на то, как увеличивается ток, мы увидим, что диоды сильно отличаются от резисторов. Если мы будем постоянно увеличивать напряжение на резисторе, мы получим неуклонно увеличивающийся ток. При использовании диода, напротив, постоянно увеличивающееся напряжение будет создавать ток, который сначала увеличивается медленно, затем быстрее и, в конечном итоге, очень быстро.

Это происходит потому, что связь между прямым напряжением диода и его прямым током является экспоненциальной, а не линейной.

На следующем графике зависимости тока диода (Iд) от напряжения диода (Vд) показана экспоненциальная вольт-амперная характеристика типового кремниевого диода.

Рисунок 1 Вольт-амперная характеристика диода Рисунок 1 – Вольт-амперная характеристика диода

Как вы можете видеть, прямой ток практически не протекает, когда прямое напряжение ниже 0,5 В. Это область, в которой ток медленно увеличивается относительно роста напряжения.

Переходная область, в которой скорости изменения напряжения и тока более сопоставимы, начинается с около 0,5 В. Однако эта переходная область довольно узкая, и к тому времени, когда Vд достигает 0,7 В, ток диода увеличивается так быстро, что очень маленькие изменения прямого напряжения создают большие изменения прямого тока.

«Пороги» прямого напряжения

Как показано на графике выше, связь между током и напряжением диода не является дискретной. Эта связь экспоненциальна, а не линейна; ток плавно увеличивается от нуля до больших значений. Таким образом, если мы интерпретируем «порог» как своего рода мгновенный переход из одного состояния (например, «непроводящий») в другое состояние (например, «проводящий»), то в электрическом поведении диода нет настоящих «порогов».

При этом экспоненциальный характер ВАХ диода приводит к значениям напряжения, которые в контексте практических инженерных задач очень похожи на пороговые значения. Таким образом, часто бывает удобно говорить о двух напряжениях, обозначенных на диаграмме ниже, как если бы они были пороговыми.

Рисунок 2 Пороговые напряжения диода Рисунок 2 – Пороговые напряжения диода

Первый порог, 0,5 В, определяет переход от незначительно малого тока к не незначительно малому току. Таким образом, когда мы обсуждаем практические схемы вместо точных научных подробностей, мы можем сказать, что обычный кремниевый диод не позволяет току течь, пока прямое напряжение не превысит 0,5 В.

Второй порог, 0,7 В, определяет точку, в которой наклон кривой ВАХ стал чрезвычайно высоким; мы можем использовать 0,7 В в качестве аппроксимации напряжения, падающего на кремниевом диоде в режиме полной проводимости, поскольку напряжения, значительно превышающие 0,7 В, соответствуют очень большим значениям тока.

Маломощные и мощные диоды

Графики, показанные выше, передают общую зависимость тока от напряжения у кремниевого диода с pn-переходом, но не указывают точные значения тока. Они не говорят нам, какой прямой ток протекает, когда прямое напряжение диода составляет, например, 0,5 В или 0,7 В. А это необходимо, потому что точное числовое соотношение между прямым напряжением и прямым током зависит от физических размеров диода.

Если более конкретно, то площадь поперечного сечения pn-перехода сильно влияет на величину прямого тока, который протекает при заданном прямом напряжении. Таким образом, у физически маленького диода, который предназначен для приложений с низким энергопотреблением, прямой ток может составлять 5 мА, когда прямое напряжение на нем равно 0,7 В, а более крупный диод, предназначенный для приложений с высоким энергопотреблением, может иметь Iд = 500 мА при Vд = 0,7 В.

Температурная зависимость ВАХ

Другим фактором, который влияет на точное числовое соотношение между прямым напряжением и прямым током, является температура. Значение напряжения, которое соответствует данному значению тока, с понижением температуры увеличивается. Другими словами, если схема поддерживает ток диода, скажем, 15 мА, падение напряжения на диоде при 10°C будет выше, чем падение напряжения на 20°C.

Следующая диаграмма показывает эту температурную зависимость в виде горизонтального сдвига ВАХ.

Рисунок 3 График ВАХ диода сдвигается примерно на 2 мВ на градус Цельсия Рисунок 3 – График ВАХ диода сдвигается примерно на 2 мВ на градус Цельсия

Заключение

Надеюсь, что эта статья помогла вам понять взаимосвязь между напряжением прямого смещения, приложенным к диоду, и током, который протекает в ответ на это приложенное напряжение.

В следующей статье мы продолжим эту тему, рассматривая диоды с прямым смещением в контексте анализа цепей.

Источник

Характеристики полупроводниковых диодов

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода представлена на рис. 76 . С увеличением напряжения в направлении проводимости диода (так называемое прямое напряжение) прямой ток через прибор резко увеличивается. При противоположной полярности приложенного напряжения (так называемое обратное напряжение) возникает ток насыщения I0 — обратный ток через n—р-переход, практически не зависящий от величины обратного напряжения.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода аналитически выражается следующей формулой:

где I — ток, протекающий через диод; q — заряд электрона; k — постоянная Больцмана; I 0 — ток насыщения (обратный ток); T — абсолютная температура.

Рис. 76. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода.

При комнатной температуре q/kT примерно равно 40 1/в, и формула (88) примет вид

I = I 0 (e 40U-1 ). (89)

Из формулы (89) следует, что при положительном (прямом) напряжении, приложенном к n—р-переходу, начиная с напряжения порядка 0,04—0,05 в, экспоненциальный член еои много больше единицы, и ток через n — р-переход с увеличением напряжения резко возрастет.

Читайте также:  Рисунок двигатель постоянного тока независимого возбуждения

Наоборот, при отрицательных (обратных) напряжениях, экспоненциальный член е — 40U =1/e 40U будет много меньше единицы, им можно пренебречь и считать, что ток, проходящий через полупроводниковый диод , т. е. обратный ток, равен току, проходящему через n — р-переход при отсутствии внешнего напряжения.

Если обратное напряжение превысит допустимое максимальное напряжение U обр.макс , то наступит перегрев и разрушение диода. Чем больше протяженность отрицательной ветви вольт-амперной характеристики, тем большей способностью выдерживать без пробоя обратное напряжение обладает диод.

Пробой наступает вследствие того, что под действием сильного электрического поля электроны освобождаются от ковалентных связей, увеличивают свою энергию и, двигаясь с повышенными скоростями внутри полупроводника, ионизируют его нейтральные атомы. Появляются новые свободные электроны и дырки, что приводит к лавинообразному увеличению обратного тока, а следовательно, и к перегреву n — р-перехода.

Сопротивление n — р-перехода переменному току в данной точке вольт-амперной характеристики определяется ее наклоном и может быть определено дифференцированием выражения (88):

При комнатной температуре можно считать, что

где I и I 0 — в миллиамперах, R — сопротивление полупроводникового диода — в омах.

Формула (90) и характеристика сопротивления R, представленная пунктиром на рис. 76 , показывают, что с увеличением тока сопротивление перехода падает и составляет величину порядка единиц или даже десятых долей ома. При обратном напряжении, когда I → I 0 , сопротивление n — р-перехода имеет величину порядка десятков и сотен тысяч ом.

Анализ вольт-амперной характеристики полупроводникового диода показывает, что он является нелинейным элементом, его сопротивление меняется в зависимости от величины и знака приложенного напряжения. Эти свойства полупроводникового диода позволяют его использовать для выпрямления переменного тока, преобразования частоты, ограничения амплитуд и т. д.

Для оценки электрических свойств полупроводниковых точечных диодов пользуются следующими параметрами:

  1. Прямой ток — ток, протекающий через диод, когда к нему приложено постоянное прямое напряжение в один вольт.
  2. Обратный ток — ток, протекающий через диод, когда к нему приложено наибольшее постоянное допустимое обратное напряжение.
  3. Обратное пробивное напряжение — напряжение, при котором диод выходит из строя.
  4. Допустимая амплитуда обратного напряжения — наибольшая амплитуда обратного напряжения, которая может быть приложена к прибору в обратном направлении в течение продолжительного времени, не вызывая пробоя.
  5. Среднее значение выпрямленного тока — постоянная составляющая выпрямленного тока диода, которая может протекать через диод долгое время, не вызывая его перегрева.

Для оценки электрических свойств полупроводниковых плоскостных диодов пользуются следующими параметрами:

  1. Подводимое переменное напряжение — максимальное действующее значение переменного синусоидального напряжения в вольтах, которое можно подавать на вход диода в течение продолжительного времени без пробоя.
  2. Прямое падение напряжения — среднее значение напряжения на диоде при максимально допустимом выпрямленном токе. Оно характеризует внутреннее сопротивление прибора при прохождении через него прямого тока и обычно составляет величину порядка десятых долей вольта.
  3. Выпрямленный ток — постоянная составляющая тока диода, которая при длительном протекании через диод не вызывает его перегрева, измеряется в миллиамперах или в амперах.
  4. Обратный ток — среднее значение обратного тока диода, когда к нему приложено допустимое обратное переменное напряжение. Он характеризует внутреннее сопротивление диода в обратном направлении.

Основные особенности вольт-амперной характеристики полупроводникового диода по сравнению с соответствующей характеристикой вакуумного диода заключается в следующем:

  1. При изменении знака приложенного напряжения в полупроводниковом диоде меняется направление тока, протекающего через прибор, а в вакуумном диоде оно остается неизменным.
  2. При отсутствии внешнего приложенного напряжения в полупроводниковом диоде отсутствует ток, а через вакуумный диод протекает небольшой начальный ток.
  3. При отрицательных (обратных) напряжениях через полупроводниковый диод протекает обратный ток порядка единиц и десятков микроампер, а в вакуумном диоде ток практически отсутствует.

В отличие от точечных полупроводниковых диодов, у которых большинство параметров измеряется на постоянном токе, все параметры плоскостных полупроводниковых диодов измеряют обычно на переменном токе с частотой 50 гц.

Источник

Ток диода при прямом напряжении формула

Ознакомиться с основными фотометрическими величинами; ознакомиться с принципом работы фотометра; проверить выполнение закона Ламберта для источника света

Общие сведения

Полупроводниковые диоды и стабилитроны

Выпрямительные диоды и стабилитроны представляют собой полупроводниковые приборы с одним электронно-дырочным переходом (p–n-переходом).

Одним из свойств p–n-перехода является способность изменять свое сопротивление в зависимости от полярности напряжения внешнего источника. Причем разница сопротивлений при прямом и обратном направлениях тока через p–n-переход может быть настолько велика, что в ряде случаев, например для силовых диодов, можно считать, что ток протекает через диод только в одном направлении – прямом, а в обратном направлении ток настолько мал, что им можно пренебречь. Прямое направление – это когда электрическое поле внешнего источника направлено навстречу электрическому полю p–n- перехода, а обратное – когда направления этих электрических полей совпадают. Полупроводниковые диоды, использующие вентильное свойство p–n-перехода, называются выпрямительными диодами и широко используются в различных устройствах для выпрямления переменного тока.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) идеализированного p–n-перехода описывается известным уравнением

где \(I_0\) – обратный ток p–n-перехода; \(q\) – заряд электрона \(q=1,6\cdot 10^<-19>\ Кл\); \(k\) – постоянная Больцмана \(k = 1,38⋅10^ <-23>Дж\cdot град\); \(T\) – температура в градусах Кельвина.

Графическое изображение этой зависимости представлено на рис. 1.1.

Вольт-амперная характеристика имеет явно выраженную нелинейность, что предопределяет зависимость сопротивления диода от положения рабочей точки.

Различают сопротивление статическое \(R_<ст>\) и динамическое \(R_<дин>\). Статическое сопротивление \(R_<ст>\), например в точке А (рис. 1.1), определяется как отношение напряжения \(U_A\) и тока \(I_A\), соответствующих этой точке: \(R_ <ст>= \frac = tg<\alpha>\)

Динамическое сопротивление определяется как отношение приращений напряжения и тока (рис. 1.1): \(R_ <дин>= \frac<\Delta U><\Delta I>\);

Рис. 1.1Рис. 1.1

При малых значениях отклонений \(∆U\) и \(ΔI\) можно пренебречь нелинейностью участка АВ характеристики и считать его гипотенузой прямоугольного треугольника АВС, тогда \(R_ <дин>= tgβ\).

Если продолжить линейный участок прямой ветви вольт-амперной характеристики до пересечения с осью абсцисс, то получим точку \(U_0\) – напряжение отсечки, которое отделяет начальный пологий участок характеристики, где динамическое сопротивление \(R_<дин>\) сравнительно велико от круто изменяющегося участка, где \(R_<дин>\) мало.

При протекании через диод прямого тока полупроводниковая структура нагревается, и если температура превысит при этом предельно допустимое значение, то произойдет разрушение кристаллической решетки полупроводника и диод выйдет из строя. Поэтому величина прямого тока диода ограничивается предельно допустимым значением \(I_<пр.max>\) при заданных условиях охлаждения.

Если увеличивать напряжение, приложенное в обратном направлении к диоду, то сначала обратный ток будет изменяться незначительно, а затем при определенной величине \(U_<проб>\) начнется его быстрое увеличение (рис. 1.2), что говорит о наступлении пробоя p–n-перехода. Существуют несколько видов пробоя p–n-перехода в зависимости от концентрации примесей в полупроводнике, от ширины p–n-перехода и температуры:

  • обратимый (электрический пробой);
  • необратимые (тепловой и поверхностный пробои).

Необратимый пробой для полупроводникового прибора является нерабочим и недопустимым режимом.

Рис. 1.2Рис. 1.2

Поэтому в паспортных данных диода всегда указывается предельно допустимое обратное напряжение \(U_<проб>\) (напряжение лавинообразования), соответствующее началу пробоя p–n-перехода. Обратное номинальное значение напряжения составляет обычно \(0,5\ U_<проб>\) и определяет класс прибора по напряжению. Так, класс 1 соответствует 100 В обратного напряжения, класс 2 – 200 В и т. д.

В некоторых случаях этот режим пробоя используют для получения круто нарастающего участка ВАХ, когда малому приращению напряжения \(∆U\) соответствует большое изменение тока \(ΔI\) (рис. 1.2). Диоды, работающие в таком режиме, называются стабилитронами, т. к. в рабочем диапазоне при изменении обратного тока от \(i_<обр. min>\) до \(i_<обр. max>\) напряжение на диоде остается почти неизменным, стабильным. Поэтому для стабилитронов рабочим является участок пробоя на обратной ветви ВАХ, а напряжение пробоя (напряжение стабилизации) является одним из основных параметров.

Стабилитроны находят широкое применение в качестве источников опорного напряжения, в стабилизаторах напряжения, в качестве ограничителей напряжения и др.

Эксперимент

Оборудование

Оборудование, используемое в лабораторной работе: вритуальный лабораторный стенд, блок No 1 (схемы А1–А4); комбинированный прибор «Сура», мультиметры; соединительные провода.

Порядок выполнения работы

Изучить схемы включения полупроводниковых приборов А1–А4 (рис. 1.3–1.6) для снятия вольт-амперных характеристик ВАХ диода и стабилитрона.

Ознакомиться с устройством лабораторного стенда, найти на стенде блок №1 и схемы А1–А4.

Порядок выполнения задания №1 «Исследование полупроводникового диода»

Экспериментальное получение прямой ветви ВАХ диода \(I_ <пр>= f(U_<пр>)\) с использованием схемы A1, представленной на рис. 1.3.
  1. Установить напряжение источника питания на 5 В
  2. Выставить значение потенциометра \(R1\) на максимум.
  3. Включить установку
  4. Внимательно изучить схему

Рис. 1.3Рис. 1.3

  • После проверки схемы преподавателем включить сетевой тумблер.
  • Уменьшая значение потенциометра \(R1\), изменять прямое напряжение диода в пределах, указанных в табл. 1.1, фиксируя значения тока через каж- дые 0,1–0,05 В. Результаты измерений занести в табл. 1.1.
    Таблица 1.1

    \(U_<пр>\), В 0.1 0.2 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
    \(I_<пр>\), A
  • Выключить установку.
  • Экспериментальное получение обратной ветви ВАХ диода \(I_ <обр>= f(U_<обр>)\) с использованием схемы А2, представленной на рис. 1.4.
    1. Установить напряжение блока питания 30 В.
    2. Выставить значение потенциометра \(R2\) на максимум
    3. Внимательно изучить схему установки

    Рис. 1.4Рис. 1.4

  • Включить установку
  • Уменьшая значение потенциометра \(R2\), изменять обратное напряжение на диоде в пределах, указанных в табл. 1.2. Значения тока фиксировать через каждые 5 В. Результаты измерений занести в табл. 1.2.
    Таблица 1.2

    \(U_<обр>\), В 5 10 15 20 25 30
    \(I_<обр>\), A
  • Выключить установку.
  • По данным табл. 1.1 и 1.2 построить ВАХ диода.

    По ВАХ или таблицам определить:
    1. Статическое сопротивление диода в прямом включении \(R_<ст.пр>=\frac>>\) при U пр = 0,4 В и U пр = 0,1 В.
    2. Динамическое сопротивление диода в прямом включении \(R_<дин.пр>=\frac<\Delta I_<пр>><\Delta U_<пр>>\) на начальном участке ВАХ ( U пр =0 В и U пр = 0,1 В ) и на участке насыщения ВАХ ( U пр = 0,4 В и U пр = 0,45 В ).
    3. Статическое сопротивление диода в обратном включении \(R_<ст.обр>=\frac>>\) при U обр = 5 В и U обр = 25 В.
    4. Динамическое сопротивление диода в обратном включении \(R_<дин.обр>=\frac<\Delta I_<обр>><\Delta U_<обр>>\) на начальном участке ВАХ ( U пр =0 В и U пр = 5 В ) и на участке насыщения ВАХ ( U пр = 20 В и U пр = 25 В ).

    Порядок выполнения задания No2 «Исследование полупроводникового стабилитрона»

    Экспериментальное получение прямой ветви ВАХ стабилитрона \(I_ <пр>= f(U_<пр>)\) с использованием схемы A3, представленной на рис. 1.5.
    1. Установить напряжение источника питания на 5 В
    2. Выставить значение потенциометра \(R5\) на максимум.
    3. Включить установку
    4. Внимательно изучить схему

    Рис. 1.5Рис. 1.5

  • После проверки схемы преподавателем включить сетевой тумблер.
  • Уменьшая значение потенциометра \(R5\), изменять прямое напряжение стабилитрона в пределах, указанных в табл. 1.3, фиксируя значения тока через каж- дые 0,1 В. Результаты измерений занести в табл. 1.3.
    Таблица 1.3

    \(U_<пр>\), В 0.1 0.2 0.3 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
    \(I_<пр>\), A
  • Выключить установку.
  • Экспериментальное получение обратной ветви ВАХ стабилитрона \(I_ <обр>= f(U_<обр>)\) с использованием схемы А4, представленной на рис. 1.6.
    1. Установить напряжение блока питания 30 В.
    2. Выставить значение потенциометра \(R7\) на максимум
    3. Внимательно изучить схему установки

    Рис. 1.6Рис. 1.6

  • Включить установку
  • Уменьшая значение потенциометра \(R7\), изменять обратное напряжение на стабилитроне в пределах, указанных в табл. 1.4. Увеличить число фикси- руемых точек характеристики, начиная с 3 В. Для каждого значения напряжения изме- рить ток. Результаты измерений занести в табл. 1.4.
    Таблица 1.4

    \(U_<обр>\), В 1 2 3 3,5 4 4,5 5 5,2 5,4 5,6
    \(I_<обр>\), A
  • Выключить установку.
  • По данным табл. 1.3 и 1.4 построить ВАХ стабилитрона.

    Источник

    

    I. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ

    бесплатной онлайн библиотеке «КнигаГо.ру»

    Http://knigago.ru

    I. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ

    Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока низкой частоты (обычно менее 50 кГц). В качестве выпрямительных используют плоскостные диоды, допускающие благодаря значительной площади контакта большой выпрямленный ток. Вольт-амперная характеристика диода выражает зависимость тока, протекающего через диод, от значения и полярности приложенного к нему напряжения (рис.1.1). Ветвь, расположенная в первом квадранте, соответствует прямому (пропускному) направлению тока, а расположенная в третьем квадранте обратному направлению тока.

    Чем круче и ближе к вертикальной оси прямая ветвь, и ближе к горизонтальной обратная ветвь, тем лучше выпрямительные свойства диода. При достаточно большом обратном напряжении у диода наступает пробой, т.е. резко возрастает обратный ток. Нормальная работа диода в качестве элемента с односторонней проводимостью возможна лишь в режимах, когда обратное напряжение не превышает пробивного.

    Токи диодов зависят от температуры (см. рис.1.1). Если через диод протекает постоянный ток, то при изменении температуры падение напряжения на диоде изменяется приблизительно на 2 мВ/°С. При увеличении температуры обратный ток увеличивается в два раза у германиевых и в 2,5 раза у кремниевых диодов на каждые 10°С. Пробивное напряжение при повышении температуры понижается.

    Высокочастотные диоды — приборы универсального назначения: для выпрямления токов в широком диапазоне частот (до нескольких сотен МГц), для модуляции, детектирования и других нелинейных преобразований. В качестве высокочастотных в основном используются точечные диоды. Высокочастотные диоды имеют те же свойства, что и выпрямительные, но диапазон их рабочих частот гораздо шире.

    Unp — постоянное прямое напряжение при заданном постоянном прямом токе;

    Uобр — постоянное обратное напряжение, приложенное к диоду в обратном направлении;

    Iпp — постоянный прямой ток, протекающий через диод в прямом направлении;

    Iобр — постоянный обратный ток, протекающий через диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении;

    Unp.oбр— значение обратного напряжения, вызывающего пробой перехода диода;

    Inp.cp— средний прямой ток, среднее за период значение прямого тока диода;

    Iвп.ср- средний выпрямительный ток, среднее за период значение выпрямленного тока, протекающего через диод (с учетом обратного тока);

    Ioбр.cp— средний обратный ток, среднее за период значение обратного тока;

    Рпр — прямая рассеиваемая мощность, значение мощности, рассеиваемой диодом при протекании прямого тока;

    Pср — средняя рассеиваемая мощность диода, среднее за период значение мощности, рассеиваемой диодом при протекании прямого и обратного тока;

    Rдиф — дифференциальное сопротивление диода, отношение малого приращения напряжения диода к малому приращению тока на нем при заданном режиме

    (1.1)

    Rnp.д. — прямое сопротивление диода по постоянному току, значение сопротивления диода, полученное как частное от деления постоянного прямого напряжения на диоде и соответствующего прямого тока

    (1.2)

    Rобр.д — обратное сопротивление диода; значение сопротивления диода, полученное как частное от деления постоянного обратного напряжения на диоде и соответствующего постоянного обратного тока

    (1.3)

    Максимально допустимые параметры определяют границы эксплуатационных режимов, при которых диод может работать с заданной вероятностью в течение установленного срока службы. К ним относятся: максимально допустимое постоянное обратное напряжение Uобр.max; максимально допустимый прямой ток Iпр.max, максимально допустимый средний прямой ток Iпр.ср.max, максимально допустимый средний выпрямленный токIвп.ср.max, максимально допустимая средняя рассеиваемая мощность диода Рср.max.

    Указанные параметры приводятся в справочной литературе. Кроме того, их можно определить экспериментально и по вольт-амперным характеристикам.

    Рассмотрим пример (рис. 1.2). Рассчитать и сравнить Rдиф, Rпр.д для диода ГД107 при Iпр= 12 мА.

    Дифференциальное сопротивление находим как котангенс угла наклона касательной, проведенной к прямой ветви ВАХ в точке Iпр= 12 мА (Rдиф

    (1.4)

    Прямое сопротивление диода находим как отношение постоянного напряжения на диоде Uпр=0,6В к соответствующему постоянному току Iпр=12мА на прямой ветви ВАХ.

    (1.5)

    Видим, что Rдиф >Rпр.д, что говорит об односторонней проводимости диода. Вывод об односторонней проводимости можно сделать и непосредственно из анализа ВАХ: прямой ток Iпp

    мА при Uпр

    Uст — напряжение стабилизации, напряжение на стабилитроне при протекании номинального тока;

    ∆Uст.ном — разброс номинального значения напряжения стабилизации, отклонение напряжения на стабилитроне от номи­нального значения;

    Rдиф.ст — дифференциальное сопротивление стабилитрона, отношение приращения напряжения стабилизации на стабилитроне к вызвавшему его малому приращению тока в заданном диа­пазоне частот;

    αСТ — температурный коэффициент напряжения стабилизации, отношение относительного изменения напряжения стабилизации к абсолютному изменению температуры окружающей среды при постоянном токе стабилизации.

    Максимально допустимые параметры. К ним относятся: максимальный Iст.max, минимальный Iст.min токи стабилизации, максимально допустимый прямой ток Imax, максимально допустимая рассеиваемая мощность Pmax.

    Принцип работы простейшего полупроводникового стабилизатора напряжения (рис.1.5) основан на использовании нелинейности вольт-амперной характеристики стабилитронов (см. рис.1.3).Простейший полупроводниковый стабилизатор представляет собой делитель напряжения, состоящий из ограничительного резистора Rогр и кремниевого стабилитрона VD. Нагрузка Rн подключается к стабилитрону,

    В этом случае напряжение на нагрузке равно напряжению на стабилитроне

    а входное напряжение распределяется между Rогр и VD

    Ток через Rогр согласно первому закону Кирхгофа равен сумме токов нагрузки и стабилитрона

    Величина Rогр выбирается таким образом, чтобы ток через стабилитрон был равен номинальному, т.е. соответствовал середине рабочего участка.

    | следующая лекция ==>
    Власть несбывшегося 21 страница | Передатчик 3Вт

    Дата добавления: 2014-12-06 ; просмотров: 32968 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

    Источник

    Ток диода при прямом напряжении формула

    Характеристики полупроводниковых диодов

    Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода представлена на рис. 76 . С увеличением напряжения в направлении проводимости диода (так называемое прямое напряжение) прямой ток через прибор резко увеличивается. При противоположной полярности приложенного напряжения (так называемое обратное напряжение) возникает ток насыщения I0 — обратный ток через n—р-переход, практически не зависящий от величины обратного напряжения.

    Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода аналитически выражается следующей формулой:

    где I — ток, протекающий через диод; q — заряд электрона; k — постоянная Больцмана; I 0 — ток насыщения (обратный ток); T — абсолютная температура.

    Рис. 76. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода.

    При комнатной температуре q/kT примерно равно 40 1/в, и формула (88) примет вид

    I = I 0 (e 40U-1 ). (89)

    Из формулы (89) следует, что при положительном (прямом) напряжении, приложенном к n—р-переходу, начиная с напряжения порядка 0,04—0,05 в, экспоненциальный член еои много больше единицы, и ток через n — р-переход с увеличением напряжения резко возрастет.

    Наоборот, при отрицательных (обратных) напряжениях, экспоненциальный член е — 40U =1/e 40U будет много меньше единицы, им можно пренебречь и считать, что ток, проходящий через полупроводниковый диод , т. е. обратный ток, равен току, проходящему через n — р-переход при отсутствии внешнего напряжения.

    Если обратное напряжение превысит допустимое максимальное напряжение U обр.макс , то наступит перегрев и разрушение диода. Чем больше протяженность отрицательной ветви вольт-амперной характеристики, тем большей способностью выдерживать без пробоя обратное напряжение обладает диод.

    Пробой наступает вследствие того, что под действием сильного электрического поля электроны освобождаются от ковалентных связей, увеличивают свою энергию и, двигаясь с повышенными скоростями внутри полупроводника, ионизируют его нейтральные атомы. Появляются новые свободные электроны и дырки, что приводит к лавинообразному увеличению обратного тока, а следовательно, и к перегреву n — р-перехода.

    Сопротивление n — р-перехода переменному току в данной точке вольт-амперной характеристики определяется ее наклоном и может быть определено дифференцированием выражения (88):

    При комнатной температуре можно считать, что

    где I и I 0 — в миллиамперах, R — сопротивление полупроводникового диода — в омах.

    Формула (90) и характеристика сопротивления R, представленная пунктиром на рис. 76 , показывают, что с увеличением тока сопротивление перехода падает и составляет величину порядка единиц или даже десятых долей ома. При обратном напряжении, когда I → I 0 , сопротивление n — р-перехода имеет величину порядка десятков и сотен тысяч ом.

    Анализ вольт-амперной характеристики полупроводникового диода показывает, что он является нелинейным элементом, его сопротивление меняется в зависимости от величины и знака приложенного напряжения. Эти свойства полупроводникового диода позволяют его использовать для выпрямления переменного тока, преобразования частоты, ограничения амплитуд и т. д.

    Для оценки электрических свойств полупроводниковых точечных диодов пользуются следующими параметрами:

    1. Прямой ток — ток, протекающий через диод, когда к нему приложено постоянное прямое напряжение в один вольт.
    2. Обратный ток — ток, протекающий через диод, когда к нему приложено наибольшее постоянное допустимое обратное напряжение.
    3. Обратное пробивное напряжение — напряжение, при котором диод выходит из строя.
    4. Допустимая амплитуда обратного напряжения — наибольшая амплитуда обратного напряжения, которая может быть приложена к прибору в обратном направлении в течение продолжительного времени, не вызывая пробоя.
    5. Среднее значение выпрямленного тока — постоянная составляющая выпрямленного тока диода, которая может протекать через диод долгое время, не вызывая его перегрева.

    Для оценки электрических свойств полупроводниковых плоскостных диодов пользуются следующими параметрами:

    1. Подводимое переменное напряжение — максимальное действующее значение переменного синусоидального напряжения в вольтах, которое можно подавать на вход диода в течение продолжительного времени без пробоя.
    2. Прямое падение напряжения — среднее значение напряжения на диоде при максимально допустимом выпрямленном токе. Оно характеризует внутреннее сопротивление прибора при прохождении через него прямого тока и обычно составляет величину порядка десятых долей вольта.
    3. Выпрямленный ток — постоянная составляющая тока диода, которая при длительном протекании через диод не вызывает его перегрева, измеряется в миллиамперах или в амперах.
    4. Обратный ток — среднее значение обратного тока диода, когда к нему приложено допустимое обратное переменное напряжение. Он характеризует внутреннее сопротивление диода в обратном направлении.

    Основные особенности вольт-амперной характеристики полупроводникового диода по сравнению с соответствующей характеристикой вакуумного диода заключается в следующем:

    1. При изменении знака приложенного напряжения в полупроводниковом диоде меняется направление тока, протекающего через прибор, а в вакуумном диоде оно остается неизменным.
    2. При отсутствии внешнего приложенного напряжения в полупроводниковом диоде отсутствует ток, а через вакуумный диод протекает небольшой начальный ток.
    3. При отрицательных (обратных) напряжениях через полупроводниковый диод протекает обратный ток порядка единиц и десятков микроампер, а в вакуумном диоде ток практически отсутствует.

    В отличие от точечных полупроводниковых диодов, у которых большинство параметров измеряется на постоянном токе, все параметры плоскостных полупроводниковых диодов измеряют обычно на переменном токе с частотой 50 гц.

    Источник

    

    I. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ

    бесплатной онлайн библиотеке «КнигаГо.ру»

    Http://knigago.ru

    I. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ

    Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока низкой частоты (обычно менее 50 кГц). В качестве выпрямительных используют плоскостные диоды, допускающие благодаря значительной площади контакта большой выпрямленный ток. Вольт-амперная характеристика диода выражает зависимость тока, протекающего через диод, от значения и полярности приложенного к нему напряжения (рис.1.1). Ветвь, расположенная в первом квадранте, соответствует прямому (пропускному) направлению тока, а расположенная в третьем квадранте обратному направлению тока.

    Чем круче и ближе к вертикальной оси прямая ветвь, и ближе к горизонтальной обратная ветвь, тем лучше выпрямительные свойства диода. При достаточно большом обратном напряжении у диода наступает пробой, т.е. резко возрастает обратный ток. Нормальная работа диода в качестве элемента с односторонней проводимостью возможна лишь в режимах, когда обратное напряжение не превышает пробивного.

    Токи диодов зависят от температуры (см. рис.1.1). Если через диод протекает постоянный ток, то при изменении температуры падение напряжения на диоде изменяется приблизительно на 2 мВ/°С. При увеличении температуры обратный ток увеличивается в два раза у германиевых и в 2,5 раза у кремниевых диодов на каждые 10°С. Пробивное напряжение при повышении температуры понижается.

    Высокочастотные диоды — приборы универсального назначения: для выпрямления токов в широком диапазоне частот (до нескольких сотен МГц), для модуляции, детектирования и других нелинейных преобразований. В качестве высокочастотных в основном используются точечные диоды. Высокочастотные диоды имеют те же свойства, что и выпрямительные, но диапазон их рабочих частот гораздо шире.

    Unp — постоянное прямое напряжение при заданном постоянном прямом токе;

    Uобр — постоянное обратное напряжение, приложенное к диоду в обратном направлении;

    Iпp — постоянный прямой ток, протекающий через диод в прямом направлении;

    Iобр — постоянный обратный ток, протекающий через диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении;

    Unp.oбр— значение обратного напряжения, вызывающего пробой перехода диода;

    Inp.cp— средний прямой ток, среднее за период значение прямого тока диода;

    Iвп.ср- средний выпрямительный ток, среднее за период значение выпрямленного тока, протекающего через диод (с учетом обратного тока);

    Ioбр.cp— средний обратный ток, среднее за период значение обратного тока;

    Рпр — прямая рассеиваемая мощность, значение мощности, рассеиваемой диодом при протекании прямого тока;

    Pср — средняя рассеиваемая мощность диода, среднее за период значение мощности, рассеиваемой диодом при протекании прямого и обратного тока;

    Rдиф — дифференциальное сопротивление диода, отношение малого приращения напряжения диода к малому приращению тока на нем при заданном режиме

    (1.1)

    Rnp.д. — прямое сопротивление диода по постоянному току, значение сопротивления диода, полученное как частное от деления постоянного прямого напряжения на диоде и соответствующего прямого тока

    (1.2)

    Rобр.д — обратное сопротивление диода; значение сопротивления диода, полученное как частное от деления постоянного обратного напряжения на диоде и соответствующего постоянного обратного тока

    (1.3)

    Максимально допустимые параметры определяют границы эксплуатационных режимов, при которых диод может работать с заданной вероятностью в течение установленного срока службы. К ним относятся: максимально допустимое постоянное обратное напряжение Uобр.max; максимально допустимый прямой ток Iпр.max, максимально допустимый средний прямой ток Iпр.ср.max, максимально допустимый средний выпрямленный токIвп.ср.max, максимально допустимая средняя рассеиваемая мощность диода Рср.max.

    Указанные параметры приводятся в справочной литературе. Кроме того, их можно определить экспериментально и по вольт-амперным характеристикам.

    Рассмотрим пример (рис. 1.2). Рассчитать и сравнить Rдиф, Rпр.д для диода ГД107 при Iпр= 12 мА.

    Дифференциальное сопротивление находим как котангенс угла наклона касательной, проведенной к прямой ветви ВАХ в точке Iпр= 12 мА (Rдиф

    (1.4)

    Прямое сопротивление диода находим как отношение постоянного напряжения на диоде Uпр=0,6В к соответствующему постоянному току Iпр=12мА на прямой ветви ВАХ.

    (1.5)

    Видим, что Rдиф >Rпр.д, что говорит об односторонней проводимости диода. Вывод об односторонней проводимости можно сделать и непосредственно из анализа ВАХ: прямой ток Iпp

    мА при Uпр

    Uст — напряжение стабилизации, напряжение на стабилитроне при протекании номинального тока;

    ∆Uст.ном — разброс номинального значения напряжения стабилизации, отклонение напряжения на стабилитроне от номи­нального значения;

    Rдиф.ст — дифференциальное сопротивление стабилитрона, отношение приращения напряжения стабилизации на стабилитроне к вызвавшему его малому приращению тока в заданном диа­пазоне частот;

    αСТ — температурный коэффициент напряжения стабилизации, отношение относительного изменения напряжения стабилизации к абсолютному изменению температуры окружающей среды при постоянном токе стабилизации.

    Максимально допустимые параметры. К ним относятся: максимальный Iст.max, минимальный Iст.min токи стабилизации, максимально допустимый прямой ток Imax, максимально допустимая рассеиваемая мощность Pmax.

    Принцип работы простейшего полупроводникового стабилизатора напряжения (рис.1.5) основан на использовании нелинейности вольт-амперной характеристики стабилитронов (см. рис.1.3).Простейший полупроводниковый стабилизатор представляет собой делитель напряжения, состоящий из ограничительного резистора Rогр и кремниевого стабилитрона VD. Нагрузка Rн подключается к стабилитрону,

    В этом случае напряжение на нагрузке равно напряжению на стабилитроне

    а входное напряжение распределяется между Rогр и VD

    Ток через Rогр согласно первому закону Кирхгофа равен сумме токов нагрузки и стабилитрона

    Величина Rогр выбирается таким образом, чтобы ток через стабилитрон был равен номинальному, т.е. соответствовал середине рабочего участка.

    | следующая лекция ==>
    Власть несбывшегося 21 страница | Передатчик 3Вт

    Дата добавления: 2014-12-06 ; просмотров: 32497 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

    Источник

    Ток диода при прямом напряжении формула

    Ознакомиться с основными фотометрическими величинами; ознакомиться с принципом работы фотометра; проверить выполнение закона Ламберта для источника света

    Общие сведения

    Полупроводниковые диоды и стабилитроны

    Выпрямительные диоды и стабилитроны представляют собой полупроводниковые приборы с одним электронно-дырочным переходом (p–n-переходом).

    Одним из свойств p–n-перехода является способность изменять свое сопротивление в зависимости от полярности напряжения внешнего источника. Причем разница сопротивлений при прямом и обратном направлениях тока через p–n-переход может быть настолько велика, что в ряде случаев, например для силовых диодов, можно считать, что ток протекает через диод только в одном направлении – прямом, а в обратном направлении ток настолько мал, что им можно пренебречь. Прямое направление – это когда электрическое поле внешнего источника направлено навстречу электрическому полю p–n- перехода, а обратное – когда направления этих электрических полей совпадают. Полупроводниковые диоды, использующие вентильное свойство p–n-перехода, называются выпрямительными диодами и широко используются в различных устройствах для выпрямления переменного тока.

    Вольт-амперная характеристика (ВАХ) идеализированного p–n-перехода описывается известным уравнением

    где \(I_0\) – обратный ток p–n-перехода; \(q\) – заряд электрона \(q=1,6\cdot 10^<-19>\ Кл\); \(k\) – постоянная Больцмана \(k = 1,38⋅10^ <-23>Дж\cdot град\); \(T\) – температура в градусах Кельвина.

    Графическое изображение этой зависимости представлено на рис. 1.1.

    Вольт-амперная характеристика имеет явно выраженную нелинейность, что предопределяет зависимость сопротивления диода от положения рабочей точки.

    Различают сопротивление статическое \(R_<ст>\) и динамическое \(R_<дин>\). Статическое сопротивление \(R_<ст>\), например в точке А (рис. 1.1), определяется как отношение напряжения \(U_A\) и тока \(I_A\), соответствующих этой точке: \(R_ <ст>= \frac = tg<\alpha>\)

    Динамическое сопротивление определяется как отношение приращений напряжения и тока (рис. 1.1): \(R_ <дин>= \frac<\Delta U><\Delta I>\);

    Рис. 1.1Рис. 1.1

    При малых значениях отклонений \(∆U\) и \(ΔI\) можно пренебречь нелинейностью участка АВ характеристики и считать его гипотенузой прямоугольного треугольника АВС, тогда \(R_ <дин>= tgβ\).

    Если продолжить линейный участок прямой ветви вольт-амперной характеристики до пересечения с осью абсцисс, то получим точку \(U_0\) – напряжение отсечки, которое отделяет начальный пологий участок характеристики, где динамическое сопротивление \(R_<дин>\) сравнительно велико от круто изменяющегося участка, где \(R_<дин>\) мало.

    При протекании через диод прямого тока полупроводниковая структура нагревается, и если температура превысит при этом предельно допустимое значение, то произойдет разрушение кристаллической решетки полупроводника и диод выйдет из строя. Поэтому величина прямого тока диода ограничивается предельно допустимым значением \(I_<пр.max>\) при заданных условиях охлаждения.

    Если увеличивать напряжение, приложенное в обратном направлении к диоду, то сначала обратный ток будет изменяться незначительно, а затем при определенной величине \(U_<проб>\) начнется его быстрое увеличение (рис. 1.2), что говорит о наступлении пробоя p–n-перехода. Существуют несколько видов пробоя p–n-перехода в зависимости от концентрации примесей в полупроводнике, от ширины p–n-перехода и температуры:

    • обратимый (электрический пробой);
    • необратимые (тепловой и поверхностный пробои).

    Необратимый пробой для полупроводникового прибора является нерабочим и недопустимым режимом.

    Рис. 1.2Рис. 1.2

    Поэтому в паспортных данных диода всегда указывается предельно допустимое обратное напряжение \(U_<проб>\) (напряжение лавинообразования), соответствующее началу пробоя p–n-перехода. Обратное номинальное значение напряжения составляет обычно \(0,5\ U_<проб>\) и определяет класс прибора по напряжению. Так, класс 1 соответствует 100 В обратного напряжения, класс 2 – 200 В и т. д.

    В некоторых случаях этот режим пробоя используют для получения круто нарастающего участка ВАХ, когда малому приращению напряжения \(∆U\) соответствует большое изменение тока \(ΔI\) (рис. 1.2). Диоды, работающие в таком режиме, называются стабилитронами, т. к. в рабочем диапазоне при изменении обратного тока от \(i_<обр. min>\) до \(i_<обр. max>\) напряжение на диоде остается почти неизменным, стабильным. Поэтому для стабилитронов рабочим является участок пробоя на обратной ветви ВАХ, а напряжение пробоя (напряжение стабилизации) является одним из основных параметров.

    Стабилитроны находят широкое применение в качестве источников опорного напряжения, в стабилизаторах напряжения, в качестве ограничителей напряжения и др.

    Эксперимент

    Оборудование

    Оборудование, используемое в лабораторной работе: вритуальный лабораторный стенд, блок No 1 (схемы А1–А4); комбинированный прибор «Сура», мультиметры; соединительные провода.

    Порядок выполнения работы

    Изучить схемы включения полупроводниковых приборов А1–А4 (рис. 1.3–1.6) для снятия вольт-амперных характеристик ВАХ диода и стабилитрона.

    Ознакомиться с устройством лабораторного стенда, найти на стенде блок №1 и схемы А1–А4.

    Порядок выполнения задания №1 «Исследование полупроводникового диода»

    Экспериментальное получение прямой ветви ВАХ диода \(I_ <пр>= f(U_<пр>)\) с использованием схемы A1, представленной на рис. 1.3.
    1. Установить напряжение источника питания на 5 В
    2. Выставить значение потенциометра \(R1\) на максимум.
    3. Включить установку
    4. Внимательно изучить схему

    Рис. 1.3Рис. 1.3

  • После проверки схемы преподавателем включить сетевой тумблер.
  • Уменьшая значение потенциометра \(R1\), изменять прямое напряжение диода в пределах, указанных в табл. 1.1, фиксируя значения тока через каж- дые 0,1–0,05 В. Результаты измерений занести в табл. 1.1.
    Таблица 1.1

    \(U_<пр>\), В 0.1 0.2 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
    \(I_<пр>\), A
  • Выключить установку.
  • Экспериментальное получение обратной ветви ВАХ диода \(I_ <обр>= f(U_<обр>)\) с использованием схемы А2, представленной на рис. 1.4.
    1. Установить напряжение блока питания 30 В.
    2. Выставить значение потенциометра \(R2\) на максимум
    3. Внимательно изучить схему установки

    Рис. 1.4Рис. 1.4

  • Включить установку
  • Уменьшая значение потенциометра \(R2\), изменять обратное напряжение на диоде в пределах, указанных в табл. 1.2. Значения тока фиксировать через каждые 5 В. Результаты измерений занести в табл. 1.2.
    Таблица 1.2

    \(U_<обр>\), В 5 10 15 20 25 30
    \(I_<обр>\), A
  • Выключить установку.
  • По данным табл. 1.1 и 1.2 построить ВАХ диода.

    По ВАХ или таблицам определить:
    1. Статическое сопротивление диода в прямом включении \(R_<ст.пр>=\frac>>\) при U пр = 0,4 В и U пр = 0,1 В.
    2. Динамическое сопротивление диода в прямом включении \(R_<дин.пр>=\frac<\Delta I_<пр>><\Delta U_<пр>>\) на начальном участке ВАХ ( U пр =0 В и U пр = 0,1 В ) и на участке насыщения ВАХ ( U пр = 0,4 В и U пр = 0,45 В ).
    3. Статическое сопротивление диода в обратном включении \(R_<ст.обр>=\frac>>\) при U обр = 5 В и U обр = 25 В.
    4. Динамическое сопротивление диода в обратном включении \(R_<дин.обр>=\frac<\Delta I_<обр>><\Delta U_<обр>>\) на начальном участке ВАХ ( U пр =0 В и U пр = 5 В ) и на участке насыщения ВАХ ( U пр = 20 В и U пр = 25 В ).

    Порядок выполнения задания No2 «Исследование полупроводникового стабилитрона»

    Экспериментальное получение прямой ветви ВАХ стабилитрона \(I_ <пр>= f(U_<пр>)\) с использованием схемы A3, представленной на рис. 1.5.
    1. Установить напряжение источника питания на 5 В
    2. Выставить значение потенциометра \(R5\) на максимум.
    3. Включить установку
    4. Внимательно изучить схему

    Рис. 1.5Рис. 1.5

  • После проверки схемы преподавателем включить сетевой тумблер.
  • Уменьшая значение потенциометра \(R5\), изменять прямое напряжение стабилитрона в пределах, указанных в табл. 1.3, фиксируя значения тока через каж- дые 0,1 В. Результаты измерений занести в табл. 1.3.
    Таблица 1.3

    \(U_<пр>\), В 0.1 0.2 0.3 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
    \(I_<пр>\), A
  • Выключить установку.
  • Экспериментальное получение обратной ветви ВАХ стабилитрона \(I_ <обр>= f(U_<обр>)\) с использованием схемы А4, представленной на рис. 1.6.
    1. Установить напряжение блока питания 30 В.
    2. Выставить значение потенциометра \(R7\) на максимум
    3. Внимательно изучить схему установки

    Рис. 1.6Рис. 1.6

  • Включить установку
  • Уменьшая значение потенциометра \(R7\), изменять обратное напряжение на стабилитроне в пределах, указанных в табл. 1.4. Увеличить число фикси- руемых точек характеристики, начиная с 3 В. Для каждого значения напряжения изме- рить ток. Результаты измерений занести в табл. 1.4.
    Таблица 1.4

    \(U_<обр>\), В 1 2 3 3,5 4 4,5 5 5,2 5,4 5,6
    \(I_<обр>\), A
  • Выключить установку.
  • По данным табл. 1.3 и 1.4 построить ВАХ стабилитрона.

    Источник

    Читайте также:  Однофазный мостовой выпрямитель ток первичной обмотки