Χαρακτηριστικά πόλωσης προς τα εμπρός και αντίστροφα της διόδου σύνδεσης PN

Σε μια ηλεκτρική συσκευή, οι χαρακτηριστικές καμπύλες I-V είναι μια καθιερωμένη συλλογή γραφικών καμπυλών που χρησιμοποιούνται για τον καθορισμό της λειτουργίας της μέσα σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα. Οι χαρακτηριστικές καμπύλες I-V, όπως υποδηλώνει το όνομα, απεικονίζουν τη σχέση μεταξύ του ρεύματος που διαρρέει μια ηλεκτρική συσκευή και της τάσης που εφαρμόζεται στους ακροδέκτες της.

Οι χαρακτηριστικές καμπύλες I-V χρησιμοποιούνται συνήθως για τον προσδιορισμό και την κατανόηση των βασικών ιδιοτήτων ενός εξαρτήματος ή μιας συσκευής, καθώς και για τη μαθηματική μοντελοποίηση της συμπεριφοράς του μέσα σε ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα. Μπορούμε να παρουσιάσουμε μια οικογένεια ή μια ομάδα καμπυλών στο ίδιο γράφημα για να υποδείξουμε τις διάφορες τιμές, επειδή υπάρχουν καμπύλες που αντιπροσωπεύουν τις πολλές εισόδους ή παραμέτρους, όπως συμβαίνει με τις περισσότερες ηλεκτρονικές συσκευές.

Τα «χαρακτηριστικά ρεύματος τάσης» ενός διπολικού τρανζίστορ, για παράδειγμα, μπορούν να εμφανίζονται με διαφορετικά επίπεδα κίνησης βάσης ή τις χαρακτηριστικές καμπύλες I-V μιας διόδου που λειτουργεί τόσο με εμπρόσθια πόλωση όσο και με αντίστροφη πόλωση.

Ωστόσο, τα χαρακτηριστικά στατικού ρεύματος-τάσης ενός εξαρτήματος ή μιας συσκευής δεν χρειάζεται να είναι ευθεία γραμμή. Ως συσκευή γραμμικού ή ωμικού αγωγού, αναμένουμε ότι τα χαρακτηριστικά μιας αντίστασης σταθερής τιμής θα είναι γενικά ευθεία και σταθερά εντός καθορισμένων περιοχών ρεύματος, τάσης και ισχύος.

Ωμικοί και μη ωμικοί αγωγοί

Η τάση και το ρεύμα έχουν γραμμική σχέση, σύμφωνα με το νόμο του Ohm. Οι ωμικοί αγωγοί είναι αγωγοί και ηλεκτρονικά εξαρτήματα που συμμορφώνονται με αυτόν τον νόμο, ενώ οι μη ωμικοί αγωγοί όχι.

Οι ωμικοί αγωγοί είναι επίσης γνωστοί ως γραμμικά ηλεκτρονικά εξαρτήματα, ενώ οι άλλοι είναι μη γραμμικοί, καθώς η τάση και το ρεύμα τους δεν έχουν γραμμική σχέση.

Είναι σημαντικό να κατανοήσουμε γιατί ορισμένα ηλεκτρονικά εξαρτήματα και αγωγοί είναι ωμικά και υπακούουν στο νόμο του Ohm, ενώ άλλα είναι μη ωμικά και έχουν μια μη γραμμική σχέση μεταξύ τάσης και ρεύματος ενώ μαθαίνουν τα βασικά στοιχεία της ηλεκτρονικής και πολλές άλλες πτυχές της ηλεκτρικής επιστήμης.

Οι ωμικοί και οι μη ωμικοί αγωγοί παραδειγματίζονται από τις ακόλουθες περιπτώσεις.

Τόσο οι ωμικοί όσο και οι μη ωμικοί αγωγοί μπορούν να βρεθούν σε αφθονία. Και τα δύο χρησιμοποιούνται ευρέως σε ηλεκτρικά και ηλεκτρονικά εξαρτήματα και συστήματα κάθε είδους.

Χαρακτηριστικές καμπύλες I-V μιας ιδανικής αντίστασης

Σε σταθερή θερμοκρασία, η σχέση μεταξύ τάσης και ρεύματος σε μια καθαρή αντίσταση είναι γραμμική και σταθερή, έτσι ώστε το ρεύμα I να είναι ανάλογο με τη διαφορά δυναμικού V επί τη σταθερά αναλογικότητας 1/R, παρέχοντας I =(1/R) x V. Το ρεύμα που διαρρέει την αντίσταση είναι τότε συνάρτηση της εφαρμοζόμενης τάσης, όπως φαίνεται από μια καμπύλη χαρακτηριστικών I-V.

Η αντίσταση είναι ένα στοιχείο που απεικονίζει τη γραμμική σχέση του νόμου του Ohm μεταξύ τάσης και ρεύματος, δηλαδή V=I×R. Κάτω από ορισμένες συνθήκες, για παράδειγμα όταν εκτίθενται σε υψηλές θερμοκρασίες, οι πρακτικές αντιστάσεις ενδέχεται να εμφανίζουν μη γραμμική συμπεριφορά. Επειδή το ρεύμα που ρέει μέσω μιας κοινής διόδου πυριτίου με πόλωση προς τα εμπρός περιορίζεται από την αντίσταση της PN-ωμικής σύνδεσης, οι δίοδοι ημιαγωγών έχουν μη γραμμικά χαρακτηριστικά ρεύματος-τάσης.

I-V Χαρακτηριστικές Καμπύλες Ημιαγωγών

Οι συσκευές ημιαγωγών αποτελούνται όλες από συνδέσμους PN ημιαγωγών που συνδέονται μεταξύ τους και οι καμπύλες χαρακτηριστικών I-V τους υποδεικνύουν πώς λειτουργούν αυτές οι συνδέσεις PN. Σε αντίθεση με τις αντιστάσεις, οι οποίες έχουν μια γραμμική σχέση μεταξύ ρεύματος και τάσης, αυτές οι συσκευές θα παρουσιάζουν μη γραμμικά χαρακτηριστικά I-V.

Η βασική λειτουργία μιας διόδου ημιαγωγών, για παράδειγμα, είναι η μετατροπή AC σε DC. Μια μπροστινή πολωμένη δίοδος θα περάσει ρεύμα εάν το μεγαλύτερο δυναμικό συνδεθεί στην άνοδο. Το ρεύμα αναστέλλεται όταν η δίοδος είναι αντίστροφα πολωμένη (το μεγαλύτερο δυναμικό συνδέεται με την Κάθοδο). Αυτή η τάση πόλωσης ρυθμίζει επίσης την αντίσταση του κόμβου και, ως εκ τούτου, τη ροή ρεύματος σε αυτόν.

I-V Χαρακτηριστική καμπύλη διόδου

Ένα προς τα εμπρός ή θετικό ρεύμα διασχίζει τη δίοδο όταν είναι πολωμένη προς τα εμπρός, η άνοδος είναι θετική όσον αφορά την κάθοδο και λειτουργεί στο επάνω δεξιό τεταρτημόριο των καμπυλών χαρακτηριστικών I-V της, όπως φαίνεται. Η καμπύλη ανεβαίνει προοδευτικά στο μπροστινό τεταρτημόριο από τη μηδενική τομή, αν και το προς τα εμπρός ρεύμα και τάση είναι εξαιρετικά μέτρια.

Όταν η μπροστινή τάση φτάσει στην εσωτερική τάση φραγμού της σύνδεσης P-N της διόδου, η οποία είναι περίπου 0,7 βολτ για το πυρίτιο, εμφανίζεται μια χιονοστιβάδα και το ρεύμα προς τα εμπρός αυξάνεται γρήγορα για μια σχετικά μικρή αύξηση της τάσης, με αποτέλεσμα μια μη γραμμική καμπύλη. Το σημείο "γόνατο" της μπροστινής καμπύλης.

Όταν η κάθοδος είναι θετική ως προς την άνοδο και η δίοδος έχει αντίστροφη πόλωση, μπλοκάρει το ρεύμα εκτός από μια μικρή ποσότητα ρεύματος διαρροής και λειτουργεί στο κάτω αριστερό τεταρτημόριο των χαρακτηριστικών καμπυλών I-V. Η δίοδος συνεχίζει να εμποδίζει τη ροή του ρεύματος έως ότου η αντίστροφη τάση υπερβαίνει το σημείο τάσης διάσπασής της, με αποτέλεσμα μια απότομη ακμή στο αντίστροφο ρεύμα και μια αρκετά ευθεία κλίση προς τα κάτω καθώς ο έλεγχος των απωλειών τάσης. Οι δίοδοι Zener χρησιμοποιούν πλήρως αυτό το σημείο τάσης αντίστροφης διάσπασης.

Συμπέρασμα

Τα χαρακτηριστικά ρεύματος-τάσης ενός ηλεκτρονικού εξαρτήματος αποκαλύπτουν πολλά για τον τρόπο λειτουργίας του. Μπορούν να αποτελέσουν ένα πολύ χρήσιμο εργαλείο για τον προσδιορισμό των χαρακτηριστικών λειτουργίας μιας συσκευής ή εξαρτήματος εμφανίζοντας όλους τους πιθανούς συνδυασμούς ρεύματος και τάσης και μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν ως γραφικό βοήθημα για την καλύτερη κατανόηση του τι συμβαίνει σε ένα κύκλωμα. Για περισσότερες πληροφορίες, μπορείτε ακόμη και να ανατρέξετε στις σημειώσεις του υλικού μελέτης σχετικά με την προκατάληψη προς τα εμπρός και την αντίστροφη προκατάληψη.