¿Cómo se calcula la pérdida de potencia de un diodo?

Question

Por ejemplo, el DSB20I15PA Ficha técnica del diodo Schottky menciona una tensión umbral de 0,23 V y una resistencia de pendiente de 7,2 m.

Necesito calcular la pérdida de potencia a diferentes voltajes, a medida que se agota la batería. Por ejemplo, de 14 V a 10 V.

¿Es tan sencillo como restar 0,23 V a la tensión de la fuente o es más complicado? ¿Hay que tener en cuenta también la resistencia de la pendiente? ¿Influye la corriente? ¿Y la temperatura del diodo?

Estoy usando una batería de 12V y un multímetro para medir la caída (midiendo pin a pin en el diodo). En mi circuito de prueba, la caída parece ser de 0,325 V cuando hay carga, pero sólo de 0,168 V cuando no hay carga. La carga es un motor de corriente continua.

Answer 1

Los dos parámetros indicados son una aproximación lineal de una parte de la curva V-I del diodo Schottky a una determinada temperatura de unión. Vf0 es una intercepción teórica, no algo que se pueda medir directamente, mientras que rF es la pendiente media de la curva (en la curva del ejemplo, entre los puntos de unos 65A y 210A, por lo que es necesario poder producir esas corrientes para medirla).

Vf = Vf0 + If * rF

La pérdida de potencia es el producto de la corriente instantánea de avance y la tensión.

Aquí es información sobre un dispositivo diferente, que ilustra la aproximación:

El máximo será superior al típico, como muestra la curva.

La pérdida máxima de potencia de la corriente de avance será mayor a temperaturas de unión más bajas, ya que la tensión de avance será mayor, pero normalmente no es un problema.

Answer 2

La energía eléctrica lo es en todos los casos, \$V·I\$ . La potencia disipada en el diodo es el producto de la caída de tensión en el diodo y la corriente que lo atraviesa; es lineal con la corriente en una primera aproximación (linealítmica en una segunda aproximación). Del mismo modo, la potencia disipada en una resistencia es el producto de la caída de tensión en la resistencia y la corriente a través de la resistencia, y la potencia consumida por su motor es el producto de la tensión a través del motor y la corriente a través de él (no toda es disipado en este caso porque una parte significativa de esa potencia -¡ojalá! - se convierte en potencia mecánica; ese es el objetivo de un motor).

Answer 3

Hagamos una solución matemática cerrada. Sé que esto está quizás por encima de los conocimientos del OP, pero creo que es importante mostrarlo en combinación con las otras respuestas dadas.

Sabemos que en un circuito de corriente continua el potencia se define por:

$$\text{P}=\text{V}\cdot\text{I}\tag1$$

Dónde \$\text{V}\$ es el tensión a través del componente y \$\text{I}\$ es el actual a través del componente.

En Ecuación del diodo de Shockley da la relación entre la tensión a través y la corriente a través de un diodo:

$$\text{I}_\text{D}=\text{I}_\text{S}\left(\exp\left(\frac{\text{q}\text{V}_\text{D}}{\eta\text{k}\text{T}}\right)-1\right)\tag2$$

Dónde \$\text{I}_\text{D}\$ es la corriente del diodo, \$\text{I}_\text{S}\$ es la polarización inversa corriente de saturación , \$\text{V}_\text{D}\$ es la tensión a través del diodo, \$\text{q}\$ es el carga del electrón , \$\text{k}\$ es el Constante de Boltzmann , \$\text{T}\$ es la temperatura y \$\eta\$ es el factor de idealidad.

Así, la potencia en un diodo viene dada por:

$$\text{P}_\text{D}=\text{V}_\text{D}\cdot\text{I}_\text{D}=\text{V}_\text{D}\text{I}_\text{S}\left(\exp\left(\frac{\text{q}\text{V}_\text{D}}{\eta\text{k}\text{T}}\right)-1\right)=\frac{\text{I}_\text{D}\eta\text{k}\text{T}}{\text{q}}\cdot\ln\left(1+\frac{\text{I}_\text{D}}{\text{I}_\text{S}}\right)\tag3$$

---

Pongamos un ejemplo. Estamos tratando de analizar el siguiente circuito:

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Cuando utilizamos y aplicamos KCL podemos escribir el siguiente conjunto de ecuaciones:

$$\text{I}_1=\text{I}_2+\text{I}_3\tag4$$

Cuando utilizamos y aplicamos Ley de Ohm podemos escribir el siguiente conjunto de ecuaciones:

$$ \begin{cases} \text{I}_1=\frac{\text{V}_\text{i}-\text{V}_1}{\text{R}_1}\\ \\ \text{I}_2=\frac{\text{V}_1}{\text{R}_2}\\ \\ \text{I}_3=\text{I}_\text{S}\left(\exp\left(\frac{\text{q}\text{V}_1}{\eta\text{k}\text{T}}\right)-1\right) \end{cases}\tag5 $$

Sustituir \$(5)\$ en \$(4)\$ con el fin de obtener:

$$\frac{\text{V}_\text{i}-\text{V}_1}{\text{R}_1}=\frac{\text{V}_1}{\text{R}_2}+\text{I}_\text{S}\left(\exp\left(\frac{\text{q}\text{V}_1}{\eta\text{k}\text{T}}\right)-1\right)\tag6$$

Para el LED, vamos a utilizar parámetros tomados de un LED Luminus PT-121-B: \$\eta=8.37\$ y \$\text{I}_\text{S}=435.2\:\text{nA}\$ . (Supongamos \$\text{V}_\text{T}:=\frac{\text{kT}}{\text{q}}=\frac{8094745087}{320435326800}\approx0.0252617\:\text{V}\$ )

Usando los valores conocidos, encontramos:

$$\text{V}_1\approx2.27078\space\text{V}\tag7$$

Así que, por el poder que tenemos:

$$\text{P}_\text{D}\approx0.045602\space\text{W}\tag8$$

---

He resuelto todas las incógnitas utilizando Mathematica . El código se indica a continuación.

In[1]:=Clear["Global`*"];
q = ((1602176634/(10^9)))*10^(-19);
k = ((1380649/(10^6)))*10^(-23);
T = 20 + ((5463)/20);
Is = (4352/10)*10^(-9);
R1 = 320;
R2 = 220;
Vi = 12;
\[Eta] = 837/100;
FullSimplify[
 Solve[{I1 == I2 + I3, I1 == (Vi - V1)/R1, I2 == V1/R2, 
   I3 == (Is*(Exp[(q*V1)/(\[Eta]*k*T)] - 1)), 
   I1 > 0 && I2 > 0 && I3 > 0 && V1 > 0}, {I1, I2, I3, V1}]]

Out[1]={{I1 -> 23437313/1054687500 + (
    752811293091 ProductLog[(
      1549482824704 E^(133516268982824704/5774404804959375))/
      5774404804959375])/1139325606400000, 
  I2 -> 5859443/263671875 - (
    68437390281 ProductLog[(
      1549482824704 E^(133516268982824704/5774404804959375))/
      5774404804959375])/71207850400000, 
  I3 -> -(17/39062500) + (
    1847809537587 ProductLog[(
      1549482824704 E^(133516268982824704/5774404804959375))/
      5774404804959375])/1139325606400000, 
  V1 -> 257815492/52734375 - (
    752811293091 ProductLog[(
      1549482824704 E^(133516268982824704/5774404804959375))/
      5774404804959375])/3560392520000}}

In[2]:=N[%1]

Out[2]={{I1 -> 0.0304038, I2 -> 0.0103217, I3 -> 0.0200821, V1 -> 2.27078}}

In[3]:=2.270777378007583*(Is*(Exp[(q*2.270777378007583)/(\[Eta]*k*T)] - 1))

Out[3]=0.045602

Answer 4

A los "efectos de la disipación de potencia de cálculo"

\$P_D= V_{FO}I_F + r_FI_F^2\$ utilizando los parámetros de la hoja de datos a la temperatura máxima especificada Tj=150'C donde las curvas Vf vs If convergen con la temperatura.

Los diodos tienen una resistencia exponencial inversa con el aumento de la corriente hasta que alcanza aproximadamente el doble de su "corriente umbral".

La resistencia a granel domina la disipación de potencia más lineal con la corriente y los efectos de la temperatura se reducen en gran medida, pero ahora está disipando cerca del valor nominal máximo. Este efecto es el equilibrio entre la caída de Vf con el aumento de la temperatura (efectos NTC) y el aumento de la resistencia dando una resistencia efectiva uniforme.

Compare su Pd {Vf, If, Tj} usando Rjc, Tc con la fórmula anterior para estimar la temperatura de unión y grafique sus resultados para determinar la precisión con una hoja de cálculo. Los efectos del PWM alterarán los resultados.

Las uniones PN funcionan con mayor rapidez y eficacia a temperaturas de unión máximas, pero a cambio de una menor fiabilidad.

Answer 5

En un diodo de conmutación, la resistencia es inversamente proporcional a la conducción, por lo que es probable que también esté disipando una cantidad de corriente inversa, ya que el motor emite contrafrecuencias. la ecuación probablemente se parecería a la suma de las resistencias directa e inversa.