Упрощенные методы анализа схем с диодами с прямым смещением
В данной статье описываются два метода, которые мы используем для оценки токов и напряжений, присутствующих в цепи, которая включает в себя один или несколько диодов.
Что делает диодные схемы настолько сложными для анализа?
Мы уже обсуждали экспоненциальную зависимость тока от напряжения у диодов с прямым смещением. В этой статье мы узнаем, как использовать понимание этой связи тока и напряжения для выполнения простого анализа диодных схем.
Анализ диодных схем
Диоды усложняют анализ цепи, поскольку имеют нелинейную вольт-амперную характеристику. Другими словами, диод не имеет единственного числового значения, которое фиксирует математическую связь между током и напряжением.
Для резистора это единственное числовое значение является сопротивлением, и, следовательно, когда мы строим для резистора зависимость между током и напряжением, мы получаем прямую линию. С типовым кремниевым диодом, напротив, график нелинейной ВАХ выглядит как экспоненциальная кривая, показанная ниже.
Метод 1: Диод как ключ
Самый безболезненный (и наименее точный) способ анализа диодных цепей – сделать вид, что диод является ключом, управляемым напряжением, который работает для электрического тока как идеальный односторонний клапан. Если напряжение на этом «ключе» больше 0 В, ток течет свободно, без какого-либо сопротивления или падения напряжения. Если напряжение на «ключе» меньше или равно 0 В, ток не течет совсем.
Первым шагом в этом типе анализа является допущение, что диод находится в режиме проводимости или непроводимости. Любое предположение приведет к правильным результатам, поэтому просто сделайте свою лучшую догадку. Если предполагается, что диод находится в режиме проводимости, сохраните его на схеме, но обращайтесь с ним как куском провода. Если предполагается, что диод не проводит ток, замените его разрывом в цепи.
Теперь приступите к анализу и проверьте, что результаты имеют смысл. Если напряжение на предполагаемой разомкнутой цепи больше нуля, предположение было неверным – этот диод на самом деле проводит ток. Если ток, протекающий через проводящий диод, направляется от катода к аноду, то предположение было неверным – мы ограничиваем наш анализ диодами с прямой проводимостью, поэтому ток, протекающий от катода к аноду, указывает на то, что диод на самом деле не проводит ток.
Этот метод может показаться довольно примитивным, но на самом деле это удобный способ выполнить быстрый предварительный анализ. Это особенно полезно, когда в цепи присутствуют напряжения, которые достаточно велики по сравнению с обычными прямыми напряжениями диодов, или когда цепь содержит несколько диодов, и основной проблемой является определение, какие из них являются проводящими.
Метод 2: Подход с постоянным падением напряжения
Когда мы используем метод, описанный в предыдущем разделе, мы анализируем схему, как будто диоды идеальны, то есть они работают для тока как идеальные односторонние клапаны. Мы можем сделать этот метод намного более реалистичным, просто добавив идеальную батарею, которая представляет падение напряжения на диоде.
Батарея становится внутренней частью всего компонента диода, как показано на следующей схеме.
Поскольку напряжение идеальной батареи является фиксированным и постоянным, этот метод анализа соответствует упрощенной модели диода, состоящей из двух дискретных состояний: если напряжение между анодом и катодом на диоде меньше 0,7 В, диод заперт и действует как разомкнутая цепь; если напряжение больше или равно 0,7 В, диод проводит ток с нулевым сопротивлением, но вызывает падение напряжения на 0,7 В (вам не обязательно использовать значение 0,7 В в качестве постоянного падения напряжения, но это стандартный выбор для типовых кремниевых диодов).
Понимание модели с постоянным падением напряжения
Если вам непонятно, как работает эта модель, обратите внимание, что полярность батареи противоположна направлению прямого тока, протекающего через диод. Таким образом, ток не может течь от анода к катоду, пока прямое напряжение не превысит напряжение батареи, а это означает, что батарея создает пороговое условие для проводимости диода. Также обратите внимание, что батарея не создает паразитный ток, который мешает нашему анализу схемы, потому что идеальный диод не позволяет току течь в направлении от катода к аноду.
После перехода в режим проводимости напряжение батареи становится обычным падением напряжения. Опять же, давайте рассмотрим полярность батареи. Представьте себе резистор на месте батареи; мы представили бы падение напряжения на резисторе, нарисовав плюс слева и минус справа, и мы знаем, что эта ориентация указывает на падение напряжения при движении по пути прохождения тока. Батарея имеет ту же ориентацию полярности, и, таким образом, она также представляет падение напряжения, в этом случае вызванное диодом, а не резистора.
Далее: более сложные методы анализа диодных схем
Мы рассмотрели экспоненциальную зависимость тока от напряжения у диода и два метода упрощения анализа схем, заменив эту экспоненциальную зависимость чем-то более простым. В следующей статье мы обсудим более сложные методы анализа.