1. Аннотация
2. Задача
3. кредиты
4. Цитировать эту страницу
5. MLA Стиль
6. APA Style
7. Вступление
8. Приложения реального мира
9. Как работают диоды
10. Условия и понятия
11. Список используемой литературы

Необходимое время сложности Короткий (2-5 дней) Предварительные условия Для выполнения этого проекта вам необходимо понимать как закон Ома, так и его экспоненты. Доступность материала Легко доступный Стоимость Низкая ($ 20 - $ 50) Безопасность Для калибровки диода в духовке рекомендуется наблюдение взрослых.

Аннотация

Если вы когда-либо строили электронную схему с паяльником, вы знаете, что провода компонентов нагреваются . Сколько из этого тепла попадает в устройство, которое вы паяете? Этот проект показывает, как вы можете использовать кремниевый диод в качестве датчика температуры, чтобы выяснить это.

Задача

Когда кто-то паяет электронный компонент в цепи, определенное количество тепла от пистолета, карандаша или припоя должно проникнуть в полупроводниковое устройство. Сколько и как быстро? Сколько времени понадобится полупроводниковому устройству, чтобы достичь опасно высокой температуры, скажем, 200 ° C?

кредиты

Автор Чарли Чжай и Ричард Блиш, доктор философии.

Отредактированный Эндрю Олсоном, доктором наук, Научными товарищами

Цитировать эту страницу

Общая информация о цитировании предоставляется здесь. Обязательно проверьте форматирование, включая использование заглавных букв, для метода, который вы используете, и при необходимости обновите цитату.

MLA Стиль

Штат научных друзей. "Сколько времени нужно, чтобы жарить диод?" Друзья науки , 28 июля 2017 г., https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Elec_p033/electricity-electronics/how-long-does-it-take-to-fry-a-diode , По состоянию на 28 мая 2019 года.

APA Style

Штат научных друзей. (2017, 28 июля). Сколько времени нужно, чтобы жарить диод? Получено с https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Elec_p033/electricity-electronics/how-long-does-it-take-to-fry-a-diode

Дата последнего редактирования: 2017-07-28

Вступление

Диоды - это полупроводниковые устройства, которые обычно позволяют току течь в одном направлении, но не в другом. Когда на диод подается постоянный ток в прямом направлении, напряжение на диоде будет пропорционально температуре диода (подробнее об этом ниже). В этом проекте вы узнаете, как создать источник постоянного тока, как откалибровать показания напряжения диода по температуре, и как затем вы можете использовать показание напряжения для измерения температуры диода, когда паяльник применяется к вести.

Приложения реального мира

Тепловые диоды, как только что описано, широко используются в микропроцессорах для обнаружения чрезмерной температуры, которая может нанести вред устройству. Чрезмерная температура может ухудшить надежность или, возможно, привести к постоянному выходу микропроцессора из строя. Чрезмерная температура также замедляет перенос заряда. Если логические «врата» не достигают своего надлежащего состояния к тому времени, когда часы переходят к следующему «тику», тогда будут присутствовать неверные данные. Чтобы избежать создания ошибочных данных, микропроцессоры имеют логические схемы для уменьшения приложенного напряжения и / или тактовой частоты для уменьшения рассеивания мощности (и нагрева), чтобы эти ошибки не возникали.

Входы интегральной схемы CMOS всегда имеют параллельный диод. При нормальной работе диод имеет обратное смещение, поэтому ток не будет течь. Если искра (любой полярности) перепрыгнет на вывод, соответствующий входу, диод будет проводить. Если полярность искры отрицательна, диод проводит в прямом направлении; если полярность искры положительная, пиковое обратное напряжение превышается, и диод выходит из строя. В любом случае диод действует как защитный элемент для чувствительного входного затвора.

Как работают диоды

На рисунке 1 ниже показана зависимость тока от напряжения для типичного диода выпрямителя PN (Wikipedia contributors, 2006). Давайте потратим несколько минут, чтобы изучить и понять этот график.

График показывает ток через диод (ось Y) как функцию напряжения (ось X). Давайте сначала посмотрим на область прямого смещения графика. Диод смещен в прямом направлении, когда V> 0. На графике видно, что наклон кривой резко меняется, когда напряжение достигает примерно 0,7 В (для диода на основе кремния). Выше этого напряжения ток быстро увеличивается с ростом напряжения. Диод по существу действует как выключатель. При напряжении выше 0,7 В диод включается, что позволяет току протекать с небольшим сопротивлением. Ниже 0,7 В диод выключен, что обеспечивает большое сопротивление току.

Теперь давайте посмотрим на область обратного смещения графика. Диод имеет обратное смещение, когда V <0. Первое, что вам нужно знать, это то, что шкалы осей в области обратного смещения не совпадают с масштабами, используемыми в области прямого смещения. Обратный ток составляет порядка 30 мкА, что более чем на три порядка ниже, чем 50 мА прямого тока при +0,7 В. Пиковое обратное напряжение (PIV) составляет по меньшей мере 50 В по сравнению с напряжением включения. 0,7 В. (Существует семейство выпрямительных диодов, пронумерованных 1N4001–1N4007. PIV увеличивается с 50 до 1000 В с увеличением номера модели.) Если пиковое обратное напряжение превышено, диод будет поврежден, и большие отрицательные потоки тока. Но до тех пор, пока напряжение остается в рабочем диапазоне, для которого был разработан диод, диод действует как электронный переключатель, пропуская ток при положительном напряжении и блокируя ток при отрицательном напряжении.

Теперь, когда вы понимаете основы поведения диода в цепи, давайте более подробно рассмотрим область прямого смещения и посмотрим, как диоды могут использоваться в качестве датчиков температуры. Уравнение идеального диода Шокли описывает соотношение ток-напряжение полупроводникового диода PN в состоянии прямого смещения. (Не позволяйте уравнению оттолкнуть вас. Если вы понимаете показатели, вы должны следовать им.) Вот уравнение:

I = Is × [exp ( qV / nkT ) - 1],

где:

• I - ток диода,
• Это масштабный коэффициент, называемый током насыщения, в амперах,
• q - заряд электрона (1.6 10-19 кулонов), но для этого приложения просто используйте 1 электрон, поскольку мы предоставили постоянную Больцмана (ниже) в единицах электрон-вольт,
• V - приложенное напряжение, в вольтах,
• n - коэффициент эмиссии, обычно со значением ~ 1, но, возможно, до 2,
• k - постоянная Больцмана, 8,62 10-5 эВ / ° К,
• Т - абсолютная температура диода (помните, что ° К = ° С + 273).

Уравнение Шокли говорит, что ток через диод увеличивается экспоненциально с напряжением. При комнатной температуре (20 ° C или 293 ° K) показатель степени ( qV / nkT ) будет равен 1, когда V равно 25 мВ. Это значение называется тепловым напряжением, и оно соответствует средней тепловой энергии для любого атома или молекулы при комнатной температуре. Для напряжений ≥ 75 мВ, exp ( qV / nkT ) >> 1, поэтому уравнение можно упростить до (результирующая ошибка составляет 5% или менее):

I = Is × exp ( qV / kT ).

Упрощенное уравнение Шокли говорит нам, что каждый раз, когда прямое напряжение смещения увеличивается на 25 мВ, прямой ток увеличивается на коэффициент е , основание для натуральных логарифмов (около 2,718).

Если для прямого смещения взять натуральный логарифм обеих сторон упрощенной версии для уравнения Шокли, получим:

ln ( I / Is ) = qV / nkT .

Если I сделать постоянным, запустив диод из генератора постоянного тока, то левая часть уравнения будет постоянной. Ясно, что равенство означает, что правая сторона также будет постоянной. Чтобы правая сторона оставалась постоянной, напряжение и абсолютная температура должны отслеживать друг друга. Таким образом, смещенный вперед диод будет действовать как термометр в условиях постоянного тока. Скорость изменения напряжения и температуры обычно находится в диапазоне 2–3 мВ / ° К и изменяется в зависимости от значения коэффициента излучения. Поскольку коэффициент чувствительности (напряжение к температуре) варьируется от одного диода к другому, необходимо выполнить калибровку.

Удобный способ калибровки диода заключается в измерении прямого падения напряжения при постоянном токе в зависимости от температуры в обычной кухонной печи (см. Раздел «Экспериментальная процедура» ниже).

Как создать недорогой источник постоянного тока? Это действительно довольно просто! Просто возьмите батарею 9 В и резистор 1 МОм последовательно с «нагрузкой», диодом с прямым смещением для нашего случая. Ясно, что можно использовать закон Ома, чтобы увидеть, что 9 мкА будет течь в контуре, если «нагрузка» имеет сопротивление намного меньше, чем резистор серии 1 МОм. Фактически, характеристическое сопротивление диода с прямым смещением составляет порядка 10 кОм, но имейте в виду, что это значение сопротивления сильно зависит от температуры и напряжения, поскольку диод является нелинейным устройством.

Условия и понятия

Чтобы выполнить этот проект, вы должны провести исследование, которое позволит вам понять следующие термины и понятия:

• Закон Ома,
• диод,
• ток-напряжение для диода,
• источник постоянного тока.

Вопросы

• Что значит сказать, что диод "смещен вперед"?

Список используемой литературы

Лента новостей на эту тему

Примечание.

Компьютеризированный алгоритм сопоставления предлагает приведенные выше статьи. Он не такой умный, как вы, и иногда может давать юмористические, смешные или даже раздражающие результаты! Узнайте больше о новостной ленте