如果我从直流电源向二极管（正向）供电会发生什么？

Question

我可以使用直流电流源正向偏置二极管吗？二极管是否有最小正向偏置电流？支路上的电压会受到二极管的影响吗？

假设同一直流电源为另一个分支供电。我怎样才能想象哪个支路的电流阻力较小？当前如何决定如何拆分？

编辑：我正在寻找事情发生的原因和方式的物理解释。我可以模拟电路，但这并不能提供我想要的解释。

我在没有第二个分支的情况下从模拟中得到的结果位于电路下方。

Answer 1

我可以使用直流电流源正向偏置二极管吗？

对。以这种方式偏置二极管并不罕见。有时二极管可能是晶体管的B-E二极管，但两者都会像二极管一样工作。

二极管是否有最小正向偏置电流？

其实不是这样，因为是你选择了“打开二极管”的含义。

支路上的电压会受到二极管的影响吗？

它将满足于任何遵循肖克利模型的情况。假设我们想知道比率两条支流中的一条。

我们可以手动求解双支路：

^{模拟此电路–使用创建原理图电路实验室}

这两个分支受以下方程式约束

$$\开始{对齐}V（I）&=V_D（I_1）+R \，I_1\\V（I）&=2 R\，I_2\\I&=I_1+I_2\结束{对齐}$$

肖克利公式可以求解二极管电压\$V_D（美元）\$:$$V_D（I_D）=n\，V_T\log\frac｛I_D+I_S｝｛I_S｝。$$

对于1N4148，\$I_S大约2.52\cdot 10^{-9}\rm{A}\$。对于\$I_D\gg I_S\$,$$V_D（I_D）=n\，V_T\log\frac{I_D}{I_S}。$$

将其代入约束方程，我们得到$$\开始{对齐}n\，V_T\log\压裂{I_1}{I_S}+R\，I_1&=2R（I-I_1）\\\对数\压裂{I_1}{I_S}&=\压裂{R}{n\，V_T}（2I_2-I_1）\\\结束{对齐}$$

现在让我们\$I_1=I_1 I_S，\，\，I_2=I_2 I_S\$,$$\开始{对齐}\对数i_1&=压裂{i_S}{n\，V_T}（2i_2-i_1）\\\结束{对齐}$$并计算出二极管电导参数\$G_D=\压裂{I_S}{n\，V_T}\$，我们只剩下$$\log i_1=G_D\，R\，（2i_2-i_1）$$或同等$$i_1=e^{G_D\，R\，（2i_2-i_1）}$$

对于1N4148，\$n=1.752\$，并假设室温\$V_T=0.0258\，\rm{V}\$,$$\开始{对齐}G_D（\rm{1N4148}）&=55.6\rm{\，nS}\\R_D（\rm{1N4148}）&=\frac{1}{G_D}=18.0{\rm\，M\Omega}\\\结束{对齐}$$

对于给定的电路，让\$r=G_DR=\压裂{r}{r_D}\$，注意它是一个常量。对于1N4148，$$r=\frac{r}{18.0{\rm\，M\Omega}}$$

解决\i_1美元\$和\i_2美元\$:$$\开始{对齐}\声明MathOperator{\prlog}{prlog}i_1&=\frac{\prlog\left（r\，e^{2\，i_2，r}\right）}{r}\\i_2&=\压裂{r\，i_1+\log i_1}{2\，r}=\压裂｛1｝{2} i_1+\压裂{1}{2\，r}\log i_1\\\结束{对齐}$$其中产品日志函数\$\prlog（z）=w\$是的主要解决方案\$z=w\，e^{w}\$.

从解决方案\i_2美元\$，我们得到两个支路中两个电流的比率作为二极管支路电流的函数\i_1美元\$:$$\压裂{i_2}{i_1}=\压裂{1}{2}+\压裂{1'{2\，G_D\，R}\压裂{\logi_1}{i_1}。$$

对于1N4148，$$\压裂{i_2}{i_1}=\压裂{1}{2}+\压裂{9.0{\rm\，M\Omega}}{R}\frac{\logi_1}{i_1}。$$

我们注意到\$I_D\gg I_S\$意味着\$i_1\gg1\$因此\$\log i_1>0\$.

现在我们可以看一下法比奥的回答:

对于1N4148，Ibias=1mA，我预计设置R=1kΩ将非常接近于在两个支路中具有几乎相等的电流，稍微调整一下即可找到正确的结果。

第一，\$I=1{\rm\，mA}\$意味着\$i_1+i_2\约400{\rm\，k}\$，所以我们期望\i_1美元\$大约20万。

电流比$$\压裂{i_2}{i_1}=\压裂{1}{2}+\压裂{9.0{\rm\，M\Omega}}{1.0{\rm，k\Omega}}\frac{\logi_1}{i_1}=0.5+9000\压裂{\log{i_1{}}{i1_}}。$$

我们现在可以将流动比率绘制为\i_1美元\$:

当\$i_1\约220{\rm\，k}\$，那是当\$I=2I_1=2\，I_1\，I_S=1.1{\rm\，mA}\$法比奥离我们很近！

Answer 2

假设您希望电流源在两个分支之间平均分配，即：每个分支中0.5*Ibias。R值从零开始，需要增加到I=0.5*Ibias时二极管正向电压与电阻器相同的点：
Vf（0.5 Ibias）=0.5*Ibias*R。

二极管中的正向电流是外加正向电压、温度和一些二极管特定参数的函数，如您可以在维基百科上查找的肖克利二极管方程所示：
https://en.wikipedia.org/wiki/Shockley_diode_equation网站

假设Ibias大约为1毫安。从二极管方程中，通过查找二极管的一些数据表，您可以很好地了解需要什么样的电压才能将电流从毫安范围增加到毫安范围。以下是一种流行的小信号二极管1N4148的数据表：
https://www.onsemi.com/download/data-sheet/pdf/1n914-d.pdf

对于1N4148，并且Ibias=1mA，我预计设置R=1kΩ将非常接近于在两个支路中具有几乎相等的电流，稍微调整一下就会找到正确的结果。

Answer 3

如何显示“事情发生的原因和方式”

我正在寻找事情发生的原因和方式的物理解释。

我不清楚你所说的“身体”到底是什么意思，但我会给你一个功能性的,定性的,直观,启发式的解释“事情发生的原因和方式”。这意味着为了理解主要思想（您首先需要什么），我们将不关心二极管内部是什么，而是它的行为。这样做的好处是，您不仅能够了解特定二极管的功能，而且能够了解这种类型的所有元件的功能和方式(稳压非线性电阻器).

模拟器的作用

我可以模拟电路，但这并不能提供我想要的解释。

模拟器只是工具；如何使用它们取决于我们。它们可以成功地用于直观理解的目的。下面是我们在这里可以做的。

实施

首先，我们将采用IV二极管特性（曲线）。在上面，我们将选择三个具有坐标（V，I）的典型点。接下来，我们将用等效物替换二极管可变电阻器并设置其电阻，以获得相同的三个电流和电压值。这样，我们将用一些简单易懂的东西来取代对晦涩二极管的研究。。。我们会理解它是如何产生这种魔力的。

分压器视点

实二极管

让我们选择通过以下排列获得的二极管IV曲线的三个典型点（V，I）：（726.5 mV，20 mA），（798.7 mV，60 mA）和（844.4 mV，100 mA）。

726.5毫伏，20毫安：让我们从20 mA电流值开始。

^{模拟此电路–使用创建原理图电路实验室}

798.7毫伏，60毫安：然后我们将电流增加到60毫安。。。

^{模拟此电路}

844.4毫伏，100毫安：……最后，达到100毫安。

^{模拟此电路}

动态二极管电阻器

现在让我们看看二极管是如何保持自身电压几乎恒定的。解释是，当电流增加时，二极管会降低其静态电阻RF=VF/IF，因此具有坐标（VF，IF）的点位于IV曲线上。

这是聪明的二极管技巧-它保持两个量（电流和电阻）的乘积相对恒定，改变电流变化相反方向的电阻。

现在我们必须用一个真实的二极管重复上述三个实验，用电阻R1=36.33Ω、R2=13.31Ω和R3=8.44Ω的等效可变电阻器替换它。

726.5毫伏，20毫安：为了在该电流下设置726.5 mV的电压，示意图1.1中的二极管表现为36.33Ω的电阻器；所以我们可以用这样的电阻器来代替它。我们可以通过调整电阻来计算或实验确定该值，使电压为726.5 mV。

^{模拟此电路}

798.7毫伏，60毫安：当输入电流增加时，RF降低到13.31Ω，以设置798.7 mV（我们调整它，使电压保持不变）。。。

^{模拟此电路}

844毫伏，100毫安：…最后，RF降低到8.44Ω，以设置844,4 mV。

^{模拟此电路}

动态源电阻器

到目前为止，我们假设输入电流是恒定的，二极管是动态的，并改变其静态电阻以保持几乎恒定的电压。事实上，事情更复杂，因为与此同时，电流源会改变其内阻以保持恒定的电流。因此，两个非线性电阻器（一个是电压稳定电阻器，另一个是电流稳定电阻器）沿同一方向改变电阻，直到达到平衡。所以a动态分压器获得Rin-RF。让我们看看20、60和100 mA的相同输入电流。

726.6毫伏，463.7欧姆：

^{模拟此电路}

798.6毫伏，153.3欧姆：

^{模拟此电路}

844.3毫伏，91.53欧姆：

^{模拟此电路}

分流器视点

实际分流器

我怎样才能想象哪个支路的电流阻力较小？

当我们将电阻器（例如，R=100Ω）并联到二极管上时，我们得到一个动态分流器配置。为了简化原理图，我们可以简单地将电压表的内阻设置为100Ω，而不是添加一个电阻器。的确，这将是一个非常糟糕的电压表，但在这种情况下，它对我们很有用……我们需要它。

当前如何决定如何拆分？

电流被分成两部分，这两部分与电阻成反比。为了观察局部电流，我们可以在支路上插入（完美的）安培计。

探索

726.5毫伏，20毫安：如上所述，让我们从20 mA电流值开始。

^{模拟此电路}

798.7毫伏，60毫安：然后我们将电流增加到60毫安。。。

^{模拟此电路}

844.4毫伏，100毫安：……最后，达到100毫安。

^{模拟此电路}

动态分流器

现在我们必须重复上面的三个实验，用一个真正的二极管代替它，用电阻为RF＝VF/IF的等效可变电阻器：

R1=703/12.97=54.2Ω

R2=787.8/52.12=15.12Ω

R3=835.7/91.64=9.119Ω

726.5毫伏，20毫安，射频=54.2Ω：像往常一样，让我们从20 mA电流值开始。

^{模拟此电路}

798.7毫伏，60毫安，射频=15.12Ω：然后设置IF=60 mA。。。

^{模拟此电路}

844.4毫伏，100毫安，射频=9.119Ω：……最后，IF=100 mA。

^{模拟此电路}

结论

• 在这种布置中（恒流源为二极管供电），两个非线性电阻器(电流稳定和稳压)是串联的。

• 为了设置所需的电流，电流源开始降低其内阻。当Vin/（RIN+RF）=IF时停止。

• 为了设置所需的电压，二极管也开始降低其内阻。因此，它有助于电流源设置电流。当Vin时停止。RF/（RIN+RF）=心室颤动。

• 当电流和电压由于达到所需值而停止时，即达到平衡。

• 共源共栅电路基于这种“电压源帮助电流源”现象。

另请参见我的相关答案.

Answer 4

引用InitEng：“二极管上是否有最小正向偏置电流？.....................编辑：我正在寻找事情发生的原因和方式的物理解释。我可以模拟电路，但这并不能提供我想要的解释。

我同意，电路模拟只会显示两个变量之间的相关性，但从物理角度来看，它不会揭示因果之间的差异。

问题在于人为因素——电流源。

我认为，在现实中，没有所谓的“电流源”。说到电子电路和这些电路中的电流，总是电压导致观察到的/测量到的电流（而不是相反）。否则，将不会有电场（由电压引起）提供力，使带电粒子在导线和零件（电阻器、二极管、晶体管等）内移动。

简单示例：在由两个电阻器组成的简单分压器中，根据欧姆定律，我们说通过其中一个电阻器的电压是由流经电阻器链的电流“产生”的。是的，由于有效的相关性，我们可以进行相应的计算。

然而，从身体上来说，这是不正确的。事实上，正是电压源在电阻器内产生了相应的电场，从而允许电流。这些电场的强度取决于电压源和零件的导电性（电阻）。

简化示例：连接到电位计的电压源Vs：根据中心抽头的位置，整个电场分为两个部分范围（取决于部分电阻）和两个相应的部分电压。

回来了回答您关于二极管连接到电流源-实际上，这将是一个非理想电流源-通过电压源和相应的大源电阻Ri实现。因此，我们在二极管的Ri和pn结之间有一个电压分割。

记得：作为先决条件，pn结需要穿过耗尽区的外部电压，然后才能通过器件观察到电流。

Answer 5

_{我的回答是从问题下面的评论开始的。当我做出回答后，我看到OP在问题中添加了这样的内容：我可以模拟电路，但这并不能提供我想要的解释.}

_{然而，在创建这个答案时，OP似乎并不熟悉合适的模拟，因为在新添加的单词的正下方，OP说：我从模拟中得到的结果（有/无第二个分支）位于电路下方这表明OP认为二极管更像一个开关，无法显示其模拟特性。 因此，我添加了这么多关于进行适当模拟的细节的原因。}

模拟可以帮助您建立二极管电流和电压之间的关系类型。下面是1N4148的第一象限特性模拟：-

我在1.5秒内将电压从0伏变为1.5伏。这构成了x轴的基础，即时间变成电压。您甚至可以使用模拟器绘制更有用的电流与“电压”关系图，其中电流为对数刻度：-

你可以看到二极管具有相当大的非线性。日志图显示了这一点。回到以前的图形格式；如果我将一个2Ω电阻器与二极管并联，并重复相同的实验，我们会看到：-

现在可以看到通过2Ω电阻器的电流等于通过二极管的电流。这告诉你，如果你施加的电流是700毫安的两倍以上（按照你的电路），二极管将吸收50%以上的电流。

这是我对你的线路的看法。电流在1.5秒内上升至1.5安培：-

你可以清楚地看到二极管开始占据电流的那一点。这些是您可以在模拟器中进行的实验类型，以帮助您了解正在发生的事情。你也可以提高环境温度以获得更广泛的信息。以前我使用27°C，但现在我使用127°C：-

因此，通过使用模拟器来了解正在发生的事情，然后当你问这个问题时：-

我正在寻找一个物理解释来解释事情为什么会发生以及如何发生

答案是肖克利二极管方程：-

图像拍摄自二极管两端电压，肖克利方程.

我可以使用直流电流源正向偏置二极管吗？

希望你能看到，实际上正向的任何电流都会正向偏置二极管。你可以提出一个论点，在1nA左右，它只是泄漏电流通过。

二极管上是否有最小正向偏置电流？

希望您现在可以看到二极管不是开关，但我们确实倾向于将1 mA的电流视为一个重要点。对于1N4148，当正向偏置电压为0.6伏时，会发生这种情况。

Answer 6

下面是另一种模拟方法，它实际上可以为您提供I-V曲线：

我对当前渐变使用了很长的1秒时间（以便动态效果不显著），并将X轴更改为对数I（I1），以便时间从曲线图中消失。

这里有另一种方法-每个二极管获得1mA恒定电流，但我模拟了二极管在-20°C到+80°C温度下的电压。如果在多个温度下进行.op模拟，则x轴默认显示温度。