Dioda i LED: model spadku napięcia nie zastępuje ograniczenia prądu

Potrzebne wiadomości: Biegunowość napięcia, prawo Ohma i moc elektryczna.

Dioda wymaga wyboru stanu

Opornik opisujemy tą samą proporcją U = IR w obu kierunkach. Dioda zachowuje się inaczej: jej charakterystyka jest silnie niesymetryczna. W najprostszym modelu idealnym przewodzi w jednym kierunku jak zwarcie, a w przeciwnym blokuje prąd. Model stałego spadku przypisuje przewodzącej diodzie określone Uᴅ, na przykład 0,70 V. Nie jest to uniwersalne napięcie wszystkich rzeczywistych diod.

W tym przybliżeniu najpierw zakładamy stan, rozwiązujemy pozostały obwód, a potem sprawdzamy zgodność wyniku z założeniem. Dla gałęzi zawierającej źródło Uₛ, opornik R i diodę w kierunku przewodzenia bilans napięć daje:

U_s-IR-U_D=0,\qquad I=\frac{U_s-U_D}{R}.

Jeżeli otrzymamy prąd ujemny, założenie przewodzenia jest sprzeczne z modelem. Nie uznajemy wtedy diody za źródło prądu wstecznego. Przy braku przebicia przechodzimy do stanu z zerowym prądem. Rzeczywiste złącze ma płynną charakterystykę i niewielkie prądy, których ten uproszczony opis nie wyznacza.

Po co opornik przy LED?

Dla modelowej LED o spadku 2 V, źródła 5 V i opornika 300 Ω różnica 3 V przypada na opornik. Prąd wynosi 10 mA. Opornik wydziela 30 mW, a LED przyjmuje 20 mW energii elektrycznej; razem odpowiada to mocy źródła 50 mW. Nie cała moc elektryczna LED musi stać się światłem.

Gdyby napięcie źródła wzrosło do 8 V przy tych samych R i modelowym Uᴅ, prąd wyniósłby 20 mA. Moc opornika wzrosłaby do 120 mW, a nie do 60 mW: oprócz prądu podwoiło się napięcie na nim. Określenie „LED dwuwoltowa” nie oznacza automatycznej regulacji prądu. W rzeczywistym układzie trzeba użyć charakterystyki i dopuszczalnych parametrów elementu, a nie bezwarunkowo przenosić liczby z modelu.

Ogranicznik dodatniej części sygnału

Połączmy wejście z wyjściem przez 1 kΩ, a diodę od wyjścia do masy: anoda przy wyjściu, katoda przy masie. Wyjście nie jest dodatkowo obciążone. Dla wejścia −2 V dioda jest zaporowo, prąd nie płynie, więc na oporniku nie ma spadku i wyjście także ma −2 V.

Dla wejścia +5 V założenie odcięcia prowadziłoby do +5 V na anodzie, co wymusza przewodzenie w naszym modelu. Dioda utrzymuje wtedy wyjście przy +0,70 V, a prąd wynosi (5 − 0,70)/1000 = 4,3 mA. Charakterystyka jest prostą Uwy = Uwe do +0,70 V, a powyżej poziomą linią.

Sprawdź warunek, nie sam rachunek

Dwie modelowe LED po 2 V w szeregu z 100 Ω potrzebowałyby łącznie 4 V na diodach. Źródło 3 V nie spełnia tego warunku. Wynik (3 − 4)/100 = −10 mA ujawnia błędny stan, a poprawnym wynikiem modelu jest zero. Nie oznacza to idealnie zerowego rzeczywistego prądu każdej pary LED przy 3 V; do takiego przewidywania brakuje charakterystyk.

Co zmieni odbiornik na wyjściu?

Do wcześniejszego ogranicznika dołączmy opór 2 kΩ między wyjściem a masą. W stanie odcięcia diody prąd nie jest już zerowy: płynie przez szereg 1 kΩ i 2 kΩ. Wyjście ma zatem (2/3)U_we. Przy wejściu −2 V daje to −4/3 V, a nie −2 V.

Założenie odcięcia jest spójne, dopóki napięcie anody nie przekracza 0,70 V. Próg wejściowy spełnia (2/3)U_we=0,70 V, więc wynosi 1,05 V. Powyżej tego progu dioda ustala U_wy=0,70 V. Prąd płynący przez 1 kΩ trzeba rozdzielić na obciążenie i diodę:

I_D=\frac{U_{we}-0{,}70\,\mathrm{V}}{1\,\mathrm{k}\Omega}-\frac{0{,}70\,\mathrm{V}}{2\,\mathrm{k}\Omega}.

Przy +5 V do wyjścia dopływa 4,30 mA, odbiornik pobiera 0,35 mA, a przez diodę płynie 3,95 mA. Dla wejścia poniżej 1,05 V ten wzór dawałby ujemny I_D; oznaczałoby to użycie niewłaściwego stanu, a nie przewodzenie diody w przeciwnym kierunku.

Wykres zestawia dwa obwody o tej samej diodzie. Ich różne nachylenia przed progiem wynikają z połączeń, nie ze zmiany parametrów złącza. Opis charakterystyki wyjścia musi zatem podawać także obciążenie.

Zadania do tego tematu

• Prąd diody z zadanym spadkiem 0,7 wolta
• Modelowa LED z prądem dziesięciu miliamperów
• Dwie LED i źródło o zbyt małym napięciu w modelu odcinkowym
• Diodowy ogranicznik napięcia dla dwóch sygnałów wejściowych

Dalsza lektura

Materiał referencyjny