Diodes: I-V curve, load line and LEDsไดโอด: กราฟ I-V เส้นโหลด และ LED

Put a diode in series with a resistor and find where its I-V curve meets the circuit’s load line. Swap in an LED and see why each colour needs a different voltage.ต่อไดโอดอนุกรมกับตัวต้านทาน แล้วหาจุดที่กราฟ I-V ของไดโอดตัดกับเส้นโหลดของวงจร เปลี่ยนเป็น LED แล้วดูว่าทำไมแต่ละสีจึงต้องการแรงดันต่างกัน

Loading module…กำลังโหลดโมดูล…

The diode’s I-V curve

A diode is a P/N junction with two leads: the anode (P) and the cathode (N). Its current follows the Shockley equation. In reverse it passes almost nothing; in forward it passes almost nothing until the knee, then the current climbs steeply, roughly tenfold for every 60 mV more.

I = Is · (exp(V / (n·VT)) − 1)
ΔV ≈ n·VT·ln(10) ≈ 60 mV per decade of current (n = 1)

Load-line analysis

In a circuit, the diode’s voltage and current are tied to the rest of the loop by Kirchhoff’s law: VS = I·R + VD. Plotted on the same axes, that is a straight line from (VS, 0) to (0, VS/R): the load line. The operating point Q is where it crosses the diode’s curve; both the diode and the circuit are satisfied there.

I = (VS − VD) / R

Three models, three levels of detail

Hand analysis rarely needs the full exponential. Pick the simplest model that answers the question:

  • Ideal: a switch. On in forward with 0 V drop, off in reverse. Good for seeing which way current flows.
  • Constant drop: 0.7 V once on (0.3 V for germanium). Good for most circuit calculations.
  • Exponential (Shockley): the real curve. Needed for small signals, temperature effects and the exact operating point.

LEDs: the voltage is the colour

In an LED each electron crossing the junction gives up its energy as a photon. The photon’s energy is about the band gap, so the forward voltage tracks the colour: about 1.9 V for red, 2.2 V for green, 2.9 V for blue. Shorter wavelength, more energy per photon, higher voltage. An LED always needs a series resistor to set its current: R = (VS − Vf)/I.

E_photon = hc/λ ≈ 1240 / λ(nm) eV ≈ q·Vf
R = (VS − Vf) / I_LED

Worked example (the simulator’s default values)

  1. Silicon diode, VS = 5 V, R = 430 Ω.
  2. Constant-drop model: I = (5 − 0.7)/430 = 10.0 mA.
  3. Exponential model: Q at VD = 0.700 V, I = 10.0 mA. The 0.7 V model is spot on here.
  4. Ideal model: I = 5/430 = 11.6 mA, 16% too high because it ignores the drop.
  5. Swap in a red LED: VD = 1.88 V, I = 7.25 mA. For exactly 10 mA you would need R = (5 − 1.9)/0.01 = 310 Ω.

Common mistakes

  • Connecting an LED straight across a supply with no resistor. The exponential curve means the current, and the heat, run away.
  • Using the ideal model when the supply is only a few volts. A 0.7 V drop out of 5 V is a 14% error.
  • Reading reverse current as zero forever. It is tiny, but every diode breaks down at a high enough reverse voltage.

Common questions

How do you find a diode’s operating point?

Draw the load line I = (VS − V)/R on the diode’s I-V curve. The point where they cross gives the diode voltage and current, satisfying both the diode and the circuit.

Why is the diode voltage drop 0.7 V?

For a silicon diode at a few milliamps, the Shockley equation gives about 0.6–0.7 V. The voltage changes only about 60 mV for each tenfold change in current, so 0.7 V is a good fixed estimate.

How do you calculate the resistor for an LED?

R = (VS − Vf)/I. A red LED (Vf ≈ 1.9 V) at 10 mA from 5 V needs about 310 Ω; use the next standard value, 330 Ω.

กราฟ I-V ของไดโอด

ไดโอดคือรอยต่อ P/N ที่มีขาสองขา: แอโนด (P) และแคโทด (N) กระแสเป็นไปตามสมการของช็อกลีย์ ในทิศกลับแทบไม่มีกระแสไหล ในทิศตรงก็แทบไม่มีกระแสจนถึงจุดหัวเข่า จากนั้นกระแสเพิ่มอย่างรวดเร็ว ประมาณสิบเท่าทุก ๆ 60 mV ที่เพิ่มขึ้น

I = Is · (exp(V / (n·VT)) − 1)
ΔV ≈ n·VT·ln(10) ≈ 60 mV ต่อกระแสที่เพิ่มสิบเท่า (n = 1)

การวิเคราะห์ด้วยเส้นโหลด

ในวงจร แรงดันและกระแสของไดโอดผูกกับส่วนที่เหลือของลูปด้วยกฎของเคอร์ชอฟฟ์: VS = I·R + VD เมื่อพล็อตบนแกนเดียวกัน จะได้เส้นตรงจาก (VS, 0) ถึง (0, VS/R) เรียกว่าเส้นโหลด จุดทำงาน Q คือจุดที่เส้นนี้ตัดกับกราฟของไดโอด ซึ่งเป็นจุดที่ทั้งไดโอดและวงจรเป็นจริงพร้อมกัน

I = (VS − VD) / R

สามแบบจำลอง สามระดับความละเอียด

การวิเคราะห์ด้วยมือแทบไม่ต้องใช้สมการเอกซ์โพเนนเชียลเต็มรูป ให้เลือกแบบจำลองที่ง่ายที่สุดที่ตอบคำถามได้:

  • อุดมคติ: เป็นสวิตช์ เปิดในทิศตรงโดยไม่มีแรงดันตก ปิดในทิศกลับ เหมาะสำหรับดูว่ากระแสไหลทางไหน
  • แรงดันตกคงที่: 0.7 V เมื่อนำกระแส (0.3 V สำหรับเจอร์เมเนียม) เหมาะกับการคำนวณวงจรส่วนใหญ่
  • เอกซ์โพเนนเชียล (ช็อกลีย์): กราฟจริง จำเป็นสำหรับสัญญาณขนาดเล็ก ผลของอุณหภูมิ และจุดทำงานที่แม่นยำ

LED: แรงดันคือสี

ใน LED อิเล็กตรอนแต่ละตัวที่ข้ามรอยต่อจะปล่อยพลังงานออกมาเป็นโฟตอน พลังงานของโฟตอนใกล้เคียงกับแถบช่องว่างพลังงาน แรงดันไบแอสตรงจึงเปลี่ยนตามสี: ประมาณ 1.9 V สำหรับสีแดง 2.2 V สำหรับสีเขียว 2.9 V สำหรับสีน้ำเงิน ความยาวคลื่นสั้นลง พลังงานต่อโฟตอนมากขึ้น แรงดันสูงขึ้น LED ต้องมีตัวต้านทานอนุกรมเพื่อกำหนดกระแสเสมอ: R = (VS − Vf)/I

E_photon = hc/λ ≈ 1240 / λ(nm) eV ≈ q·Vf
R = (VS − Vf) / I_LED

ตัวอย่างการคำนวณ (ค่าเริ่มต้นของโปรแกรมจำลอง)

  1. ไดโอดซิลิคอน VS = 5 V, R = 430 Ω
  2. แบบจำลองแรงดันตกคงที่: I = (5 − 0.7)/430 = 10.0 mA
  3. แบบจำลองเอกซ์โพเนนเชียล: Q ที่ VD = 0.700 V, I = 10.0 mA แบบจำลอง 0.7 V ตรงพอดีในกรณีนี้
  4. แบบจำลองอุดมคติ: I = 5/430 = 11.6 mA สูงเกิน 16% เพราะไม่คิดแรงดันตก
  5. เปลี่ยนเป็น LED สีแดง: VD = 1.88 V, I = 7.25 mA ถ้าต้องการ 10 mA พอดีต้องใช้ R = (5 − 1.9)/0.01 = 310 Ω

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

  • ต่อ LED คร่อมแหล่งจ่ายตรง ๆ โดยไม่มีตัวต้านทาน กราฟแบบเอกซ์โพเนนเชียลทำให้กระแสและความร้อนพุ่งสูงจนควบคุมไม่ได้
  • ใช้แบบจำลองอุดมคติเมื่อแหล่งจ่ายมีเพียงไม่กี่โวลต์ แรงดันตก 0.7 V จาก 5 V คือความคลาดเคลื่อน 14%
  • คิดว่ากระแสย้อนกลับเป็นศูนย์ตลอดไป ที่จริงมีค่าน้อยมาก แต่ไดโอดทุกตัวจะพังทลายเมื่อแรงดันย้อนกลับสูงพอ

คำถามที่พบบ่อย

หาจุดทำงานของไดโอดอย่างไร?

วาดเส้นโหลด I = (VS − V)/R บนกราฟ I-V ของไดโอด จุดที่ตัดกันให้แรงดันและกระแสของไดโอดที่เป็นจริงทั้งสำหรับไดโอดและวงจร

ทำไมแรงดันตกคร่อมไดโอดจึงเป็น 0.7 V?

สำหรับไดโอดซิลิคอนที่กระแสไม่กี่มิลลิแอมป์ สมการช็อกลีย์ให้ประมาณ 0.6–0.7 V แรงดันเปลี่ยนเพียงประมาณ 60 mV ต่อกระแสที่เปลี่ยนสิบเท่า 0.7 V จึงเป็นค่าประมาณคงที่ที่ดี

คำนวณตัวต้านทานสำหรับ LED อย่างไร?

R = (VS − Vf)/I LED สีแดง (Vf ≈ 1.9 V) ที่ 10 mA จากแหล่งจ่าย 5 V ต้องใช้ประมาณ 310 Ω ให้ใช้ค่ามาตรฐานถัดไปคือ 330 Ω