Úbytok napätia na dióde je v elektronike základným pojmom, nakoľko hrá kľúčovú úlohu pri určovaní správania sa a vlastností diód v rôznych obvodoch. V tomto teoretickom článku sa budeme venovať definícii úbytku napätia na dióde, preskúmame jeho príčiny a rozoberieme spôsob jeho výpočtu.

Schématická značka diódy a s vyobrazením púzdra

Definícia úbytku napätia diódy

Úbytok napätia na dióde sa vzťahuje na rozdiel napätí na dióde, keď je predpätá. Keď je dióda zapojená v predsunutej konfigurácii, preteká ňou prúd a na jej prechode vzniká úbytok napätia. Tento úbytok napätia je výsledkom vnútorných vlastností diódy a fyzikálnych zákonitostí jej činnosti.

Matematický model diódy

Matematický model diódy je založený na pomeroch elektrického prúdu a napätia, ktoré prechádzajú cez diódu. Pre bežnú kremíkovú diódu môžeme použiť model vypočítaný pomocou vzorca pre Shockleyho rovnice, ktorá opisuje vzťah medzi napätím na dióde V_d a prúdom, ktorý diódou prechádza I_d. Tento vzťah môže byť vyjadrený ako:

$I_d = I_s \left( e^{\frac{V_d}{nV_T}} - 1 \right)$

kde:

• I_d je prúd cez diódu,
• I_s je saturáciou prúd (saturáciou difúziou), ktorý je charakteristický pre každú diódu,
• V_d je napätie na dióde,
•  n je faktor ideality / emisný faktor (často sa pohybuje okolo 1, ideálna dióda má n=1),
• V_T​ je termálna energia (približne k * T / q, kde k je Boltzmannova konštanta, T je teplota a q je elementárny náboj).

Tento model popisuje charakteristiku prúdu a napätia pre diódu a je základom pre analýzu a návrh obvodov, v ktorých sú diódy využívané.

Ideálny pokles napätia diódy

V ideálnej dióde sa pokles napätia na dióde v predpätí považuje za nulový. To znamená, že ideálna dióda by umožnila prúdenie cez ňu bez akéhokoľvek poklesu napätia. V skutočnosti však majú všetky diódy určitý pokles napätia, aj keď je malý. Koncept ideálnej diódy sa často používa v teoretických výpočtoch a analýze obvodov na zjednodušenie výpočtov a pochopenie správania diód v rôznych obvodoch. Predpokladom ideálnej diódy s nulovým poklesom napätia sa inžinieri môžu zamerať na iné aspekty obvodu bez toho, aby sa museli obávať špecifického poklesu napätia na dióde.

Úbytok napätia na dióde v závislosti od prúdu

Vzťah medzi úbytkom napätia na dióde a prúdom

Keď ide o pochopenie úbytku napätia na dióde, je nevyhnutné preskúmať vzťah medzi úbytkom napätia a prúdom. Dióda je dvojvývodový elektronický komponent, ktorý umožňuje tok prúdu v jednom smere a zároveň ho blokuje v opačnom smere. Úbytok napätia na dióde je rozdiel napätí medzi jej anódovými a katódovými svorkami. Keď sa zvyšuje prúd prechádzajúci diódou, zvyšuje sa aj úbytok napätia na nej. Tento vzťah je spôsobený nelineárnymi vlastnosťami diód. Inými slovami, úbytok napätia na dióde nie je priamo úmerný prúdu, ktorý ňou prechádza.

Aby sme si tento vzťah predstavili, uvažujme kremíkovú diódu. Kremíkové diódy majú typický úbytok napätia v priamom smere približne 0,6 až 0,7 V pri vedení prúdu v priamom smere. To znamená, že keď je dióda v priamom smere (t. j. anóda je na vyššom potenciáli ako katóda), vzniká na dióde úbytok napätia približne 0,6 až 0,7 V. Na druhej strane, keď je dióda v opačnom smere (t. j. katóda má vyšší potenciál ako anóda), úbytok napätia na dióde je zanedbateľný. V tomto stave sa dióda správa ako otvorený obvod a zabraňuje toku prúdu.

Napäťový úbytok na dióde

Napäťový úbytok na dióde je jav, ktorý opisuje straty napätia, ktoré nastávajú, keď prúd prechádza p-n prechodom diódy. Tento úbytok je spôsobený odlišným energeticým usporiadaním elektrónov a dier v polovodiči. Keď sa prúd pohybuje cez p-n prechod diódy, elektróny sú vytlačované z n-zóny do p-zóny a diery sú vytlačované z p-zóny do n-zóny. Tento proces vytvára tzv. "oblasť deplecie" okolo p-n prechodu, v ktorej nie sú voľné žiadne nabití.

Napäťový úbytok sa prejavuje stratou energie týchto nosičov náboja (elektrónov a dier), keď prechádzajú touto oblasťou deplecie. Táto strata energie sa premení na teplo. V dôsledku tejto straty energie sa z diódy stáva nevratné zariadenie, ktoré môže prevádzať elektrickú energiu na teplo. Napäťový úbytok diódy je dôležitým faktorom pri návrhu a analýze elektrických obvodov. Rôzne typy diód majú rôzne úbytky napätia v priamom smere. Napríklad Zenerova dióda má v porovnaní s bežnou diódou iný úbytok napätia v priamom smere. Pokles napätia v priamom smere sa môže meniť aj v závislosti od teploty, prúdu a ďalších faktorov. Vo väčšine prípadov sa pri výpočtoch a návrhu elektrických obvodov používa štandardná hodnota napäťového úbytku pre konkrétny typ diódy.

Typ diódy	Úbytok napätia (V)
Obyčajná kremíková dióda	0,6 - 0,7
Schottkyho dióda	0,2 - 0,4
Germániová dióda	Zvyčajne vykazujú úbytok napätia približne 0,2 až 0,3 V
Diódy na báze arzenidu gália (GaAs).	0,3 - 0,5
LED	1,5 - 3,5
Zenerova dióda	Závisí od hodnoty zenerováho napätia
Tunelová dióda	0,1 - 0,3

 

Je dôležité poznamenať, že vyššie uvedené hodnoty úbytku napätia diód v tabuľke sú približné a môžu sa líšiť v závislosti od faktorov, ako sú teplota, prúd a výrobné tolerancie. Presné údaje o úbytku napätia sa vždy odporúčajú nájsť v technickom liste, ktorý poskytuje výrobca. Pochopenie hodnôt úbytku napätia rôznych diód je kľúčové pre návrh a analýzu elektronických obvodov. Zohľadnením úbytku napätia môžeme vypočítať vhodné hodnoty rezistorov a zabezpečiť správne fungovanie obvodu.

Napäťový úbytok na dióde (často označovaný ako "úbytok napätia" alebo "práh napätia") je vlastnosť, ktorá môže byť v rôznych situáciách výhodná alebo nevýhodná. Tu sú niektoré aspekty, v ktorých je napäťový úbytok na dióde dôležitý:

Vzorec výpočtu úbytku

Napäťový úbytok na dióde môže byť vypočítaný pomocou vzorca pre Shockleyho rovnicu, ktorá popisuje prúd prechádzajúci cez PN prechod v polovodiči:

$I_d = I_s \left( e^{\frac{V_d}{nV_T}} - 1 \right)$

Napríklad máme k dispozícii diódu 1N4148, ktorej špecifický prietok prúdu I_s​ je bežne udávaný na hodnote približne 2.52×10⁻⁹ A, čo je 2.52 µA. Emisný faktor n môžeme uviesť ako 1. Napäťový úbytok V_d môžeme vypočítať z tejto rovnice, ak poznáme prúd I_d​. Predpokladajme, že I_d = 1 mA (čo je bežná hodnota pre diódu 1N4148). Potom môžeme použiť iteratívne metódy alebo numerické metódy na vyriešenie rovnice pre V_d​. Vzorec na výpočet napäťového úbytku na dióde V_d​ by teda bol:

$V_d = nV_T \ln\left(\frac{I_d}{I_s} + 1\right)$

V praxi by ste tento výpočet vykonávali numerickými metódami alebo by ste použili špeciálne tabuľky alebo programy poskytované výrobcom diód.

Simulátor úbytku napätia na dióde

Simulátor pracuje na príklade bežnej kremíkovej diódy 1N4148. Ako vstupná hodnota pre napätie je +5 V_DC. Faktor ideality / emisný faktor n (často sa pohybuje okolo 1, ideálna dióda má n=1) je udaný ako 1. Vložte do simulátora prúd, napríklad 1mA a stlačte tlačidlo pre sprustenie simulácie. Následne sa vypočíta napäťový úbytok na dióde a výsledok sa zároveň prezentuje aj graficky v grafe.

Zjednodušený výpočet úbytku

Pre rýchlejší no nie presnejší výsledok môžeme použiť aj jednoduchšiu formu zápisu vzorca, avšak jeho výsledky je dobré overiť si dodoatočným spôsobom, napríklad praktickým meraním úbytku na predmetnej dióde.

V_d = V_f - V_r

Kde:

• V_d​ predstavuje napäťový úbytok na dióde.
• V_f​ je vstupné napätie, ktoré je privedené na diódu.
• V_r​ je napätie na výstupe diódy.

Tento vzorec vyjadruje rozdiel medzi vstupným a výstupným napätím v prípade, keď diódou prechádza prúd.

Výpočet úbytku napätia na viacerých sériovo zapojených diódach

V niektorých obvodoch je potrebné použiť viacero diód v sérii. Ak sú diódy zapojené do série, celkový úbytok napätia na nich možno vypočítať súčtom jednotlivých úbytkov napätia na každej dióde. Uvažujme napríklad obvod s tromi kremíkovými diódami zapojenými do série. Každá dióda má dopredný úbytok napätia 0,7 V.

Celkový úbytok napätia na troch diódach možno vypočítať vynásobením úbytku napätia na jednej dióde (0,7 V) počtom diód v sérii (3).
Celkový úbytok napätia = dopredný úbytok napätia na diódu * počet diód
Celkový úbytok napätia = 0,7 V * 3 = 2,1 V

V tomto prípade bude celkový úbytok napätia na troch diódach 2,1 V.

Pri navrhovaní obvodov je dôležité zohľadniť úbytok napätia na diódach, aby sa zabezpečilo, že napätie dodávané do zvyšku obvodu bude v požadovanom rozsahu. Ak pochopíte, ako vypočítať úbytok napätia na dióde a na viacerých diódach v sérii, môžete pri navrhovaní a analýze elektronických obvodov prijímať informované rozhodnutia. V nasledujúcej časti sa budeme zaoberať konceptom Zenerových diód a ich charakteristikami úbytku napätia.

Faktory ovplyvňujú veľkosť napäťového úbytku na dióde

Veľkosť napäťového úbytku na dióde je ovplyvnená niekoľkými faktormi, z ktorých niektoré sú:

1. Typ diódy: Rôzne typy diód majú rôzne hodnoty napäťového úbytku. Napríklad kremíkové diódy, ako je 1N4148, majú nižší napäťový úbytok v porovnaní s inými materiálmi, napríklad s germaniovými diódami.
2. Prúd cez diódu (I_d): Úbytok napätia na dióde sa zvyšuje so zvyšujúcim sa prúdom vpred, ktorý preteká diódou. Tento vzťah sa často označuje ako charakteristika "úbytok napätia diódy v priamom smere v závislosti od prúdu v priamom smere".
3. Spätné predpätie: Keď je dióda v spätnom predpätí, čo znamená, že kladný pól zdroja napätia je pripojený k oblasti typu N a záporný pól je pripojený k oblasti typu P, dióda blokuje tok prúdu a má zanedbateľný úbytok napätia.
4. Teplota (T): Na úbytok napätia na dióde má vplyv aj teplota. So zvyšujúcou sa teplotou má úbytok napätia na dióde tendenciu mierne klesať. Táto teplotná závislosť je spôsobená teplotným koeficientom diódy.
5. Typ materiálu: Rôzne typy diód, ako sú kremíkové a germániové diódy, majú rôzne charakteristiky úbytku napätia. Kremíkové diódy majú zvyčajne vyšší úbytok napätia v porovnaní s germániovými diódami.
6. Konkrétny výrobca a model diódy: Rôzni výrobcovia a modely diód môžu mať odlišné špecifikácie, vrátane hodnôt napäťového úbytku.
7. Frekvencia signálu: Pri vysokých frekvenciách môže dochádzať k zmene v dynamických vlastnostiach diódy a tým aj k zmene napäťového úbytku.
8. Starý vek diódy: S priebehom času môžu diódy vekom degradovať, čo môže ovplyvniť ich vlastnosti vrátane napäťového úbytku.

Porozumenie týmto faktorom je dôležité pre návrh a analýzu obvodov, aby inžinieri mohli správne vybrať diódy a predvídať ich správanie v rôznych podmienkach.

Použitie diód na meranie poklesu napätia

Diódy sú základné komponenty v elektronických obvodoch, ktoré umožňujú tok prúdu len jedným smerom. Jednou z kľúčových vlastností diód je ich schopnosť vytvárať úbytok napätia, keď cez ne prechádza prúd. Tento pokles napätia je rozhodujúci v rôznych aplikáciách, od usmerňovania až po reguláciu napätia. V tejto časti sa budeme zaoberať dvoma spôsobmi použitia diód na zníženie napätia: Zenerovými diódami a sériovým zapojením diód.

Zenerove diódy a pokles napätia

Zenerove diódy sú špeciálne navrhnuté na prevádzku v oblasti spätného prierazu, kde vykazujú riadený a stabilný pokles napätia. Vďaka tomu sú ideálne na reguláciu napätia a ochranu pred napäťovými špičkami. Keď je Zenerova dióda zapojená do obvodu, udržiava na svojich svorkách konštantné napätie bez ohľadu na prúd, ktorý ňou preteká. Úbytok napätia na Zenerovej dióde je určený jej Zenerovým napätím, čo je charakteristická vlastnosť určená výrobcom. Zenerove diódy sú k dispozícii so širokým rozsahom Zenerových napätí, čo umožňuje konštruktérom vybrať vhodnú diódu pre ich konkrétnu aplikáciu.

Ak chcete použiť Zenerovu diódu na zníženie napätia, je dôležité pripojiť ju v správnej orientácii. Katóda  by mala byť pripojená na kladnú stranu obvodu, zatiaľ čo anóda by mala byť pripojená na zápornú stranu. Tým sa zabezpečí, že dióda pracuje v oblasti spätného prierazu, kde je úbytok napätia konštantný.

Sériové zapojenie diód pre pokles napätia

Ďalším spôsobom dosiahnutia poklesu napätia pomocou diód je ich sériové zapojenie. Pri sériovom zapojení diód sa úbytok napätia na každej dióde sčíta, čím vznikne kumulatívny úbytok napätia na celej sérii. Táto technika sa bežne používa, keď je potrebné dosiahnuť špecifický pokles napätia a jedna dióda nemôže zabezpečiť požadované zníženie napätia. Ak chcete diódy zapojiť do série, jednoducho pripojte anódu jednej diódy ku katóde ďalšej diódy a tak ďalej. Celkový úbytok napätia na sérii diód bude súčtom úbytkov napätia na jednotlivých diódach. Je dôležité poznamenať, že pri sériovom zapojení diód by mal byť prúd tečúci každou diódou rovnaký. Preto je potrebné zabezpečiť, aby diódy mali podobné vlastnosti a zvládli požadovaný prúd bez prekročenia ich maximálnych menovitých hodnôt.

Použitím sériovo zapojených diód je možné dosiahnuť vyššie úbytky napätia, než aké môže poskytnúť jedna dióda. Táto technika je obzvlášť užitočná v aplikáciách, kde je potrebné dosiahnuť určitú úroveň napätia, napríklad v obvodoch LED alebo v deličoch napätia. Na záver možno konštatovať, že diódy sa dajú efektívne použiť na zníženie napätia v elektronických obvodoch. Zenerove diódy poskytujú kontrolovaný a stabilný úbytok napätia, zatiaľ čo sériové zapojenie diód umožňuje kumulovať úbytky napätia. Pochopením týchto techník môžu konštruktéri využiť diódy na dosiahnutie požadovaných úrovní napätia vo svojich obvodoch.

Vplyv teploty na úbytok napätia na dióde

Keď je dióda vystavená zmenám teploty, mení sa aj jej úbytok napätia na prechode. K tomuto javu dochádza v dôsledku teplotnej závislosti úbytku napätia na dióde v priamom smere. Vo všeobecnosti platí, že so zvyšujúcou sa teplotou klesá dopredný úbytok napätia na dióde. Naopak, s klesajúcou teplotou sa úbytok napätia v priamom smere zvyšuje. Toto správanie možno pripísať zmenám energetických hladín v polovodičovom materiáli diódy.

Na lepšie pochopenie tohto efektu opäť použijeme kremíkovú diódu. Kremíkové diódy sa asi najbežnejšie používajú v elektronických obvodoch vďaka svojim žiaducim vlastnostiam. S rastúcou teplotou sa zvyšujú energetické úrovne v kremíkovom materiáli, čo spôsobuje pokles dopredného napätia. Na druhej strane, keď teplota klesá, energetické úrovne sa znižujú, čo vedie k zvýšeniu úbytku napätia v priamom smere. Je dôležité poznamenať, že vplyv teploty na pokles napätia diódy nie je lineárny. Vzťah medzi teplotou a úbytkom napätia sa zvyčajne opisuje teplotným koeficientom.

Teplotný koeficient diód

Teplotný koeficient diódy sa vzťahuje na rýchlosť, akou sa mení úbytok napätia v priamom smere s teplotou. Vyjadruje sa v jednotkách voltov na stupeň Celzia (V/°C) alebo milivoltov na stupeň Celzia (mV/°C). Rôzne typy diód majú rôzne teplotné koeficienty. Napríklad kremíkové diódy majú zvyčajne teplotný koeficient približne -2 mV/°C až -3 mV/°C. To znamená, že na každý stupeň Celzia zvýšenia teploty sa pokles napätia v priamom smere na kremíkovej dióde zníži o 2 až 3 milivolty. Na druhej strane germániové diódy majú kladný teplotný koeficient, čo znamená, že ich úbytok napätia v priamom smere sa s teplotou zvyšuje. Germániové diódy majú zvyčajne teplotný koeficient približne 2 až 3 mV/°C.

Teplotný koeficient diódy je dôležitým parametrom, ktorý treba zohľadniť pri návrhu obvodov citlivých na zmeny teploty. Zohľadnením teplotného koeficientu môžu inžinieri kompenzovať teplotné zmeny v úbytku napätia diódy. Stručne povedané, teplota má významný vplyv na úbytok napätia na dióde. So zmenou teploty sa mení aj dopredný úbytok napätia na dióde. Pochopenie teplotného koeficientu diód umožňuje inžinierom navrhovať obvody, ktoré dokážu zohľadniť tieto zmeny, čím sa zabezpečí spoľahlivá a presná prevádzka.

Meranie úbytku napätia diódy

Úbytok napätia na dióde je základným parametrom na pochopenie jej správania a vlastností. Presné meranie úbytku napätia na dióde má zásadný význam pre rôzne aplikácie, napríklad v napájacích zdrojoch, usmerňovačoch a obvodoch na spracovanie signálov. V tejto časti sa budeme zaoberať rôznymi metódami merania úbytku napätia na dióde a rozoberieme dôležitosť presného merania.

Metódy merania úbytku napätia na dióde

Na meranie úbytku napätia na dióde existuje niekoľko metód. Pozrime sa na niektoré bežne používané techniky:

• Meranie úbytku napätia v priamom smere: Najjednoduchšou metódou merania úbytku napätia na dióde je použitie digitálneho multimetra (DMM) v režime testovania diód. V tomto režime DMM aplikuje na diódu malý prúd a meria úbytok napätia na dióde. Táto metóda je vhodná na meranie dopredného úbytku napätia diódy, keď dióda vedie prúd v priamom smere.
• Meranie spätného úbytku napätia: Na meranie spätného úbytku napätia na dióde môžete použiť DMM v režime spätného predpätia. Pripojením diódy v reverznom predpätí a meraním napätia na nej môžete určiť úbytok reverzného napätia. Je dôležité poznamenať, že úbytok spätného napätia je zvyčajne oveľa menší ako úbytok priameho napätia.
• Meranie napätia na Zenerovej dióde: Zenerove diódy sú špeciálne navrhnuté tak, aby pracovali v oblasti spätného prierazu. Na meranie úbytku napätia na Zenerovej dióde môžete použiť DMM v režime merania napätia Zenerovej diódy. Tento režim umožňuje priložiť na Zenerovu diódu spätné napätie a presne zmerať úbytok napätia.

Záver

Napäťový úbytok na dióde je dôležitým parametrom, ktorý hrá dôležitú úlohu v elektronických obvodoch. Zistenie správnej hodnoty napäťového úbytku je nevyhnutné pri návrhu a analýze obvodov, kde diódy zohrávajú kľúčovú úlohu. V našom článku sme preskúmali základné princípy diódového napäťového úbytku, zahrnuli sme matematický model na jeho výpočet a dokázali sme praktický príklad pomocou interaktívnej kalkulačky.

Pri práci s diódami je dôležité si byť vedomí toho, ako napäťový úbytok ovplyvňuje výkon a správanie sa obvodu. Aj malá zmena v prúde alebo teplote môže mať výrazný dosah na diódový napäťový úbytok. Preto je dôležité pochopiť charakteristiky konkrétnych typov diód a optimalizovať ich použitie v závislosti od konkrétnych požiadaviek obvodu.

Využívanie interaktívnych nástrojov, ako je napríklad náš simulátor, môže vývojárom uľahčiť rýchle overovanie hodnôt a experimentovanie s rôznymi parametrami. Napáňajte svoje projekty s jasným pohľadom na napäťový úbytok na dióde a dosiahnite optimálne výsledky vo vašich elektronických aplikáciách. Napájajte svoje projekty s jasným pohľadom na napäťový úbytok na dióde a dosiahnite optimálne výsledky vo vašich elektronických aplikáciách.

---

---

---