Что такое падение напряжения на диоде и как его измерить

Диоды широко используются в электронных схемах для выпрямления тока, коммутации, защиты и других целей. Но далеко не все знают, что при протекании через диод прямого тока на нем возникает падение напряжения. Давайте разберемся, что это такое и почему оно важно.

Определение падения напряжения на диоде

Падение напряжения на диоде – это величина напряжения, которая теряется (рассеивается) при протекании через диод прямого тока. Обозначается Vf (forward voltage).

Падение напряжения на диоде всегда больше нуля, то есть диод не является идеальным проводником.

Например, у классического кремниевого диода 1N4007 типовое значение Vf составляет 0,7 В. Это означает, что при протекании через него тока будет падение напряжения 0,7 В. У современных высокочастотных диодов Шоттки это значение может быть 0,1-0,3 В.

Причины возникновения падения напряжения на диоде

Падение напряжения на диоде возникает по причине его внутреннего сопротивления. Физически это связано с тем, что диод изготавливается на основе полупроводникового перехода между двумя областями с разным типом проводимости. При переходе носителей заряда через эту границу выделяется тепло и происходит падение напряжения.

Величина эффекта зависит от материала диода (кремний, германий, арсенид галлия), технологии изготовления, площади перехода и ряда других факторов. Чем совершеннее технология, тем меньше Vf. Например, у современных диодов Шоттки на основе карбида кремния это значение может достигать всего 0,1 В.

• Для сравнения, идеальный диод имеет нулевое падение напряжения при любых токах.
• Однако создать абсолютно идеальный диод пока не удается.

Как измерить падение напряжения на диоде

Падение напряжения на диоде можно измерить с помощью мультиметра в режиме прозвонки диодов. Прибор подает небольшой ток через диод прямым направлении и измеряет падение напряжения. Типовые значения для популярных диодов:

Более точные измерения прямого падения напряжения на диоде можно провести с помощью осциллографа или милливольтметра, подав на диод заданный ток от регулируемого источника и измерив падение напряжения.

Влияние падения напряжения на характеристики диода

Наличие падения напряжения на диоде влияет на его основные характеристики.

В прямом направлении падение напряжения приводит к следующим эффектам:

• - потеря части напряжения питания в цепях с диодами
• - рассеивание мощности в виде тепла, нагрев диода
• - нелинейность вольт-амперной характеристики

В обратном направлении увеличение Vf может привести к росту обратных токов утечки. Кроме того, значение падения напряжения зависит от температуры - чем выше температура диода, тем больше Vf.

Особенности диодов Шоттки с малым падением напряжения

Диод Шоттки с малым падением напряжения строится не на основе обычного p-n перехода, а использует контакт металл-полупроводник. Это позволяет существенно снизить Vf по сравнению с кремниевыми диодами (до 0,15-0,45 В).

К достоинствам диодов Шоттки можно отнести:

1. Низкое падение напряжения
2. Высокое быстродействие
3. Низкие обратные токи утечки

Однако у таких диодов есть и недостатки:

• Низкое обратное напряжение (до 60 В)
• Высокая стоимость

Диод с низким падением напряжения Шоттки широко используется в схемах выпрямления, стабилизации напряжения, импульсных источниках питания и другой силовой электронике.

Методы снижения падения напряжения на диодах

Хотя падение напряжения диоде в целом невозможно свести к нулю, есть несколько методов минимизации этого эффекта в электрических схемах.

На уровне схемотехники можно применять следующие подходы:

• Использовать диоды Шоттки вместо обычных кремниевых диодов
• Включать диоды с бОльшим запасом по допустимому току
• Устанавливать радиаторы охлаждения на диоды
• Питать радиоэлементы отдельно, в обход диодов

Существуют также специализированные интегральные схемы - "идеальные диоды", которые имитируют работу диода, но имеют очень низкое Vf благодаря использованию МДП транзисторов.

Какое падение напряжения допустимо для различных схем

Допустимая величина Vf зависит от конкретного применения. Некоторые типовые значения:

• Для стабилизаторов напряжения - не более 0,1-0,2 В
• В светодиодных лампах и RGB лентах - до 3 В
• В импульсных источниках питания - 0,4-1 В
• Для радиоприемников и АЦП - менее 0,1 В

При питании от батареек особенно важно учитывать падение напряжения, поскольку ресурс будет потрачен "вхолостую".

Учет температурной зависимости Vf

Величина падения напряжения на диодах неразрывно связана с их температурой. С повышением температуры кристалла диода значение Vf увеличивается по экспоненциальному закону вследствие изменения характеристик полупроводника.

Это особенно критично для мощных диодов, где возможен интенсивный саморазогрев. В результате может возникнуть тепловая нестабильность - лавинообразный рост Vf и температуры. Чтобы этого избежать, обязательно нужно закладывать запас по максимальному току и применять радиаторы.

Пример расчета схемы выпрямителя с учетом Vf

Рассмотрим на примере, как рассчитать простейший однополупериодный выпрямитель на диоде 1N4007 с емкостным фильтром, учитывая падение напряжения диода 0,7 В.

Расчет параметров источника питания

Допустим, номинальное действующее значение вторичного напряжения трансформатора составляет 12 В. Это означает амплитуду 17 В. Вычитаем из этого значения падение напряжения на диоде 0,7 В. Получаем 16,3 В - это будет выпрямленное напряжение на выходе без фильтра.

Теперь выбираем емкость конденсатора фильтра, исходя из требуемых пульсаций напряжения. Допустим, для нашего устройства допустимы пульсации в 200 мВ. Рассчитываем минимальную емкость фильтра по известным формулам с учетом частоты напряжения сети, тока нагрузки и коэффициента пульсаций. Получаем 390 мкФ.

Проверка запаса по мощности

Исходя из выбранных параметров трансформатора и диода, можем рассчитать максимальную мощность выпрямителя. Сравниваем ее с требуемой мощностью нагрузки и выбираем реальные компоненты с запасом 20-30%.

Моделирование и оптимизация

Для более точного анализа работы схемы выпрямителя целесообразно провести компьютерное моделирование в специализированных программах вроде Multisim. Это позволит учесть неидеальность характеристик реальных радиодеталей и оптимизировать параметры схемы.

Практическая сборка и тестирование

Перед запуском выпрямителя в работу обязательно нужно провести испытания собранной схемы. Проверить напряжения, токи, пульсации, температуру деталей. Это позволит выявить возможные ошибки монтажа, неверный выбор элементов и другие проблемы.

Рекомендации по эксплуатации

В процессе эксплуатации выпрямителя нужно контролировать нагрузку, не превышать температурные режимы. Периодически измерять напряжение и ток, особенно на диоде. При появлении отклонений - принимать меры по замене компонентов.