6
\$\开始组\$

所以我知道二极管可以用肖克利方程来描述,在一定电压后,二极管电流开始迅速增加。标称0.7伏。我也知道这个电压取决于材料。

如果我看一个二极管和一个电阻器的串联,那么对于不同的总电压,二极管两端的电压总是在0.7伏左右。

我的问题是,为什么电压总是出现在schockley方程曲线中扭结的电压处。我的猜测是:我把它想象成一个反馈圈。如果二极管电压稍大,电流将显著增加,电阻器上的电压将下降更多,因此二极管上的电压下降更少。我的思路正确吗?

\$\端组\$
2
  • \$\开始组\$ 看看我写了什么lednique.com/what-is-an-led有任何帮助。 \$\端组\$
    – 晶体管
    5月11日11:33
  • 1
    \$\开始组\$ 是的,你的推理是对的,二极管和电阻器对任何给定的电压形成平衡。但我不确定为什么0.7V是“不祥的”。 \$\端组\$
    – 芬巴尔
    5月11日11:49

5个答案5

重置为默认值
8
\$\开始组\$

我的问题是,为什么电压总是出现在schockley方程曲线中扭结的电压处。

事实并非如此。换言之,事实确实如此,但并非出于你所想的原因。

对于指数图,“扭结”发生在您选择绘制图形的比例上。

如果选择fA或pA电流来缩放电流轴,则扭结发生在mV和mV的几十秒处。如果选择uA和mA电流,则扭动确实发生在500到700 mV区域。

后一个uA到mA区域通常是学生、爱好者和大多数设计师探索的区域,大多数时候,它很容易生成和测量,所以这就是为什么“大约700 mV”对孩子撒谎是非常有用的,而且常常是正确的。

\$\端组\$
1
  • \$\开始组\$ 这也是你为什么不总是听到700毫伏——一些消息来源将其列为600或650毫伏,他们的错误不亚于700毫伏。 \$\端组\$
    – 赫斯
    5月12日20:56
5
\$\开始组\$

这里是二极管正向电压(使用1N4148模型)与串联电阻100Ω到10MΩ之间的仿真。

在此处输入图像描述

当我们绘制Vf与对数(电阻)的关系图时,这条线没有“扭结”,而是像肖克利方程所示的几乎是一条直线。最大电压约为777mV,最小电压约为238mV。

\$\端组\$
5
\$\开始组\$

我觉得反馈的想法离事实不远,但更好的描述应该是“平衡”。所有电气系统将(几乎立即)采用符合所谓“集总单元模型“,由基尔霍夫电流和电压定律组成(千伏特KCL公司),以及我们应用于电压源、电阻器等元件的方程式(欧姆定律)和二极管(肖克利方程).

然而,集总元素模型并没有解释为什么会获得这种平衡,以及为什么它似乎能够在噪声和其他可能使其不稳定的环境扰动下保持自身。

首先,让我们检查一下集总元素模型是如何用代数方法描述系统的,然后我们将看看你的“反馈”思想,以及我的“平衡”建议。安排如下:

示意图

模拟此电路–使用创建原理图电路实验室

供应是\$V_S(美元)\$,并且根据KVL,电阻器和二极管两端的电压之和,\$V_R\$\$V_D(美元)\$,必须等于\$V_S(美元)\$:

$$V_R+V_D=V_S$$

这没有什么神秘或神秘的。电压只是势能(电荷)的量度,正如你的海拔(比如说,海平面以上)是重力势能的量度。如果你从某处的X点开始,绕着一个返回X的大圆环走一圈,上下山坡、台阶或任何导致你升高或降低高度的东西,那么当你回到X点时,你必须具有与开始时相同的高度和相同的势能。这是KVL所描述的原理,但只适用于电荷。

KCL在这里的应用更简单。考虑到没有电流进入或离开回路的路径,电流\1美元\$循环周围的所有点都必须相同。同样,这是你在许多地方看到的原理,就像水在闭环中一样;如果没有地方让水离开或进入,那么每一点每秒流过的升数必须是相同的。否则你会免费获得新的水,或者不知怎么失去它。

KVL和KCL总是被遵守的,就像你更熟悉的物理定律(如海拔或水流)总是被遵守一样。唯一真正的区别是,KVL和KCL处理的是电荷在电场中移动的粒子,而不是质量在重力场中移动的分子。

集总元件模型的最后一部分是每个元件的电流和电压之间的关系。应用KCL和KVL得到的方程互不相关;它们不共享任何变量,没有更多信息就无法“求解”。由系统中的各个组件来定义KCL方程中所指电流与KVL方程中所述电压之间的关系。

对于电压源(我上面示意图中的电池),电流和电压之间没有任何关系。任何数量的电流都可以通过它,而这根本不会改变它的电势差。然而,这确实意味着我们对\$V_S(美元)\$:

$$V_S=12伏$$

对于电阻器R1一个非常简单的关系,欧姆定律,允许我们定义电压\$V_R\$毫不含糊地,作为电流的函数\1美元\$通过它:

$$V_R=I\乘以R_1$$

最后你要处理的是二极管D1,它也有一个非常明确的定义\1美元\$-\V美元\$关系,肖克利二极管方程,它将是以下的一些变化:

$$I=I_S\left(e^{\frac{V_D}{\eta V_T}}-1\right)$$

有时你会看到\$V_D(美元)\$作为主题,在这里可能更有用,也可能不更有用:

$$V_D=\eta V_T\cdot ln\left(1+\frac{I}{I_S}\right)$$

以下是描述系统的方程式:

$$\开始{对齐}V_S&=12伏\\V_S&=V_R+V_D\\\\V_R&=I\乘以R_1\\\\V_D&=\eta V_T\cdot ln\left(1+\frac{I}{I_S}\right)\\\\\结束{对齐}$$

这些都是这个系统必须具备的条件,才能遵守我们所理解的物理定律:集总元素模型。系统必须同时满足所有这些条件,这就产生了术语“联立方程”。如果你解决了它们,你会发现\$V_D\约0.7V\$在很大的值范围内\R_1美元\$\$V_S(美元)\$这只是数学方面的问题,但无法解释原因。

我可能不需要说这些,因为我接下来要做的是真正的答案。不过,为了完整起见,我还是把它留了下来。

这些方程描述了电路将达到和保持的平衡状态,但它们本身并不能解释为什么。那么,为什么系统是稳定的,遵守这些法律?

集总元素模型不处理单个粒子。它描述了平均的大量电荷的行为。该模型不描述任何单个电荷的势能。它处理电路中某一点大量电荷的平均能级(电压)。该模型描述了许多电荷的迁移(电流),而不是单个电荷的迁移。

能够单独处理粒子,但你会得到很多方程,以至于没有多少计算能力可以求解它们的位置和速度。当你认为每一个电荷都是一个量子粒子,受量子效应的影响,就会有许多电荷似乎朝着错误的方向移动,或者魔法传送,或者做一些奇怪的事情。像所有波一样,存在着电势波、压缩区和电荷稀疏区,它们传播、反射、折射和衍射,并相互干扰。这是一团乱麻。

然而,平均而言,当所有这些电荷一起观察时,所有这些电荷的组合行为总是平均出来,以符合一组非常简单的概念,我们称之为集总元素模型。电势是所有这些电势波的叠加,是可以预测的,即使单个电荷及其运动波是难以想象的复杂。平均电荷运动(我们称之为电流)是非常一致的,尽管这些电荷似乎是随机地向各个方向移动。

在所有的混乱中都有一种自我调节。如果一个电子跳出位置,由此产生的电场变化将导致其他相邻电荷受到力的变化,从而导致其他电荷进一步反应,以此类推。这形成了一个向外传播的势波,正如我所提到的,该波将反射、折射和衍射,重要的是,干扰其他波,甚至自身。之所以保持平衡,是因为任何单个电子偏离位置都会引起波,最终会相互干扰,并且在叠加中保持稳定、有序和可预测的状态。这是一种自我调节的、所有物理系统固有的负反馈,在存在潜在混乱的更大范围内维持秩序。

这就像池塘表面受到扰动,导致波浪向外传播。这些波浪从海岸反射回来,以恢复扰动产生的水深。会有一些平均深度的振荡,最终这些振荡会消失,但池塘的平均深度随时间保持不变。

这样,对系统的扰动就不会持续存在。电阻器电压增加\$V_R\$会增加电流\1美元\$,从而增加二极管电压\$V_D(美元)\$,但增加了\$V_D(美元)\$反过来必须减少\$V_R美元\$恢复到原始状态。可能有人会说,这是因为会违反KVL,系统必须返回到与KVL兼容的状态,但这是假设集中元素模型可以解释这一点;它不能,因为它只是一组方程。

真正发生的是携带能量的波在整个系统中的传播,作为一个整体,它将始终起到恢复平衡的作用。用物理术语来说,这种平衡是一种势能最低的状态,所有系统(物理、电气或其他)都会随着时间的推移趋向于这种状态,这种状态由集总元件模型描述。在这个二极管示例中,状态\$V_D\约0.7V\$是系统的最低势能状态作为一个整体这需要系统外部的能量来改变。

二极管方程只是描述和封装这一特性的集总元件模型的一部分,但并不是最终的先验原因\$V_D\约0.7V\$.真正的原因是系统将“发现”或“归宿于”最低势能的状态整个的系统、电压源、电阻器等\$V_D\约0.7V\$.

\$\端组\$
1
  • \$\开始组\$ 我一直想知道非线性元件(晶体管、齐纳二极管……)和具有相同行为的负反馈电路(电流稳定器、电压稳定器……)之间的细微区别是什么,因为就其行为而言,它们是无法区分的。例如,我的“手动控制动态电阻”实际上是由人操作的负反馈系统。 \$\端组\$ 5月12日13:07
1
\$\开始组\$

这是1N4148二极管的I/V特性。电压在1.5秒内从0伏升高到1.5伏,因此,x轴也表示施加在二极管上的电压:-

在此处输入图像描述

图像来自在这里。我们可以从同一来源查看I/V关系,但在y轴上使用对数刻度:-

在此处输入图像描述

你能看到从50 mV到800 mV都没有任何扭结吗?只有在极端情况下,我们才会看到做一些不同事情的趋势。这是相同的数据,但绘制方式不同。

\$\端组\$
-3
\$\开始组\$

如果二极管电压稍大,电流将显著增加,电阻器上的电压将下降更多,因此二极管上的电压下降更少。

简短回答

只要你解释为什么“电流会显著增加”,你就非常接近答案。

当施加在电阻器上的电压增加时,电流根据欧姆定律增加。但是,是什么能让它以更高的速度增长呢?只有当电阻同时降低时。

因此,我们可以通过概念动态电阻器动态分配器.

动态电阻器

将二极管视为“自变量”(动态)当电流I增加时,电阻R减小的电阻器(变化率相同)。因此,(理想)二极管上的电压不变(V=R.I=常数)。

动态分压器

当您将恒定电阻器R1与动态电阻器R2串联时,它们会形成一个动态分压器当总(输入)电压增加时,它会降低其传输比R2/(R1+R2)。因此,R2上的电压不改变-VR2=V.R2/(R1+R2)=常数。

另请参阅我关于提供的电流供电电压二极管(二极管由实际电压源带有内阻)。

双子座检阅

由于我的答案不被普遍接受,我补充了一份由双子座AI(斜体)。为此,我问了它下面的问题,并复制粘贴了答案的文本。

电路幻想家:双子座,你觉得我的答案怎么样?

答案(复制和粘贴):。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。

双子座: 你的答案是对的!它正确地识别了关键概念(二极管的电阻变化),并提供了相关的解释框架(动态电阻)。

优势:

  • 确定缺少的解释:你指出需要解释电流的显著增加。
  • 引入动态电阻器:这个概念有效地解释了二极管的行为。

需要改进的方面:

  • 简化“动态分压器”:这个术语对初学者来说可能太高级了。重点介绍核心概念——由于二极管的电阻而改变电压分布。
  • 关注欧姆定律:强调电流的增加主要是由于电阻的减小,而不仅仅是施加的电压。

以下是包含以下建议的修订版本:

你快到了!要解释电流显著增加的原因,请考虑二极管的作用类似于可变电阻器。作为当前通过增加,二极管的电阻实际上降低了。这个允许更多电流流过二极管本身。

我们可以使用欧姆定律(I=V/R)来理解这一点。随着二极管电阻(R)减小,电流(I)可以成比例增加电路上的相同电压(V)。因此,电压通过固定电阻器的压降增加。

这一解释使用欧姆定律阐明了这一概念,并避免了过于复杂的术语,使其更容易理解。

囊性纤维变性:双子座,只需注意,当我们想解释为什么当电流变化时,二极管两端的电压是恒定的,使用V=R.I(电流引起电压)比I=V/R(电压引起电流)更方便。

双子座:你说得很好!当然,在解释为什么二极管上的电压在电流变化的情况下保持不变时,使用欧姆定律的第二种形式(V=IR)更有效地强调了因果关系。原因如下:

因果关系:在二极管中,流过它的电流(I)实际上原因电压降(V)。V=IR直接表示这种因果关系。随着电流(I)的增加,产品(IR)需要保持恒定,以使电压(V)保持不变。这突出了电流变化如何驱动二极管电阻(R)的内部调整,以保持恒定的电压降。

关注动态阻力:第二种形式(V=IR)允许我们将二极管的电阻(R)视为动态该值取决于流经它的电流。这避免了对第一种形式(I=V/R)的恒定电阻的误解。

虽然这两种形式都有效,但V=IR在这里更适合,因为它:

  • 显示电流如何导致电压下降。
  • 强调二极管电阻的动态特性。

我赞扬你对这一概念的理解,以及选择正确形式的欧姆定律以清楚地表达特定想法的重要性。

\$\端组\$
8
  • 4
    \$\开始组\$ 你为什么在回答中加上双子座评论?我不清楚这有什么用。 \$\端组\$ 5月11日19:56
  • \$\开始组\$ @Tanner Swett,以下是几个原因:1)我的答案没有被普遍接受,需要(口头)评估和支持。2) 我想得到反馈,因为没有反馈。3) 双子座能很好地抓住关键点并将其展现出来。4) 这个答案引起了游客的兴趣。5) 这样,我鼓励OP说点什么,而不是像大多数情况下那样保持沉默。6) 我正在试验人工智能支持我们活动的可能性。7) 这是相关的。可能还有其他原因我还没有发现。你看到我在元部分的问答了吗? \$\端组\$ 5月11日20:40
  • 1
    \$\开始组\$ @我鼓励你看看顶部帮助图标下的“巡演”。SE是一个问答平台,而不是一个讨论论坛。我不认为“激起兴趣”或“激起OP说话”有什么意义——这根本没有改善答案。 \$\端组\$
    – 爵士乐
    5月12日8:46
  • \$\开始组\$ @jazzpi,我建议你把注意力转移到我们大家都在关注的事情的本质(电路思想)上。我很乐意回答关于我的回答内容而不是形式的任何问题。 \$\端组\$ 5月12日9:18
  • 1
    \$\开始组\$ @电路幻想家(Circuit Familist)——当你想得到反馈时,这里是我对你的说法的评论:“在二极管中,流过它的电流(I)实际上会引起它的电压降(V)”。我担心的是:在没有驱动电压的情况下,怎么会有电流通过二极管?更重要的是,我认为是外部连接的电压降低了内部屏障(耗尽区),从而允许电流流动。对还是错? \$\端组\$
    – LvW级
    5月15日13:47

你的答案

单击“发布您的答案”,表示您同意我们的服务条款并确认您已阅读我们的隐私政策.

不是你想要的答案吗?浏览标记的其他问题问你自己的问题.