Как определить напряжение открывания и динамическое сопротивление диода?

Давайте разберем, как определить динамическое сопротивление диода. Динамическое сопротивление диода - это не то же самое, что обычное (статическое) сопротивление. Оно показывает, насколько сильно изменяется напряжение на диоде при небольшом изменении тока, протекающего через него. Это очень важный параметр, особенно при работе диода в цепях переменного тока или при анализе его работы в активном режиме. Обозначается динамическое сопротивление обычно как \(r_d\) или \(r_D\). ### 1. Определение по вольт-амперной характеристике (ВАХ) Самый наглядный способ понять и определить динамическое сопротивление - это использовать вольт-амперную характеристику диода. ВАХ - это график зависимости тока через диод от напряжения на нем. * **Идея:** Динамическое сопротивление - это обратная величина крутизны ВАХ в конкретной рабочей точке. * **Формула:** \[ r_d = \frac{\Delta V_D}{\Delta I_D} \] Где: * \(\Delta V_D\) - небольшое изменение напряжения на диоде. * \(\Delta I_D\) - соответствующее небольшое изменение тока через диод. Представьте, что у вас есть график ВАХ. Вы выбираете рабочую точку (например, при токе \(I_D\) и напряжении \(V_D\)). Затем вы берете очень маленький участок вокруг этой точки. На этом участке вы определяете, насколько изменилось напряжение, когда ток изменился на небольшую величину. На графике ВАХ, динамическое сопротивление в данной точке - это тангенс угла наклона касательной к ВАХ в этой точке, но не напрямую, а как обратная величина. То есть, если ось тока \(I_D\) по вертикали, а ось напряжения \(V_D\) по горизонтали, то \(r_d\) - это обратная величина тангенса угла наклона касательной. ### 2. Теоретический расчет (для идеализированного диода) Для идеализированного диода, описываемого уравнением Шокли, динамическое сопротивление можно рассчитать по формуле: \[ r_d = \frac{\eta V_T}{I_D} \] Где: * \(\eta\) (эта) - коэффициент идеальности диода (для кремниевых диодов обычно от 1 до 2, чаще всего принимают 1 для простых расчетов). * \(V_T\) - тепловой потенциал (или температурный вольт), который рассчитывается по формуле: \[ V_T = \frac{k T}{q} \] Где: * \(k\) - постоянная Больцмана (\(1.38 \times 10^{-23} \text{ Дж/К}\)). * \(T\) - абсолютная температура в Кельвинах (например, при комнатной температуре \(27^\circ \text{C}\) или \(300 \text{ К}\)). * \(q\) - заряд электрона (\(1.602 \times 10^{-19} \text{ Кл}\)). При комнатной температуре (\(T = 300 \text{ К}\)), \(V_T \approx 25.8 \text{ мВ}\) или \(0.0258 \text{ В}\). * \(I_D\) - прямой ток через диод в рабочей точке. **Пример расчета:** Пусть у нас кремниевый диод с \(\eta = 1\), работающий при комнатной температуре (\(V_T \approx 0.026 \text{ В}\)), и через него протекает ток \(I_D = 10 \text{ мА}\) (\(0.01 \text{ А}\)). \[ r_d = \frac{1 \times 0.026 \text{ В}}{0.01 \text{ А}} = 2.6 \text{ Ом} \] Как видите, динамическое сопротивление диода сильно зависит от тока, протекающего через него. Чем больше ток, тем меньше динамическое сопротивление. ### 3. Измерение на практике Для измерения динамического сопротивления на практике можно использовать следующую методику: 1. **Соберите схему:** Источник постоянного напряжения, резистор (для ограничения тока) и диод, включенные последовательно. 2. **Установите рабочую точку:** Отрегулируйте источник напряжения так, чтобы через диод протекал желаемый постоянный ток \(I_D\). Измерьте напряжение на диоде \(V_D\) в этой точке. 3. **Добавьте небольшое переменное напряжение:** Подайте на схему (последовательно с постоянным источником или через разделительный конденсатор) небольшое переменное напряжение (например, синусоидальное с амплитудой в несколько милливольт). 4. **Измерьте изменения:** * Измерьте амплитуду переменного напряжения на диоде (\(\Delta V_D\)). * Измерьте амплитуду переменного тока через диод (\(\Delta I_D\)). 5. **Рассчитайте:** \[ r_d = \frac{\Delta V_D}{\Delta I_D} \] **Важные моменты:** * Динамическое сопротивление актуально только тогда, когда диод открыт и через него протекает ток. В закрытом состоянии или при очень малых токах оно очень велико. * Оно не является постоянной величиной, а зависит от рабочей точки (тока) и температуры. * Для большинства практических задач, особенно в школьном курсе, достаточно использовать приближенные значения или формулу с тепловым потенциалом. Таким образом, определение динамического сопротивления диода может быть выполнено как теоретически (по формуле или ВАХ), так и практически путем измерения.