Como analisar este circuito de diodo?

Estou tentando analisar esse circuito simples de diodos manualmente, mas não consigo ir muito longe.

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Usando o laboratório de circuitos, é evidente que a corrente fluirá pelos dois diodos, o que faz sentido para mim conceitualmente, no entanto, tentar analisar usando o modelo de queda de tensão constante resulta em um circuito insolúvel.

^{simule este circuito}

Tentei usar superposição, análise nodal e apenas KVL, mas não consigo descobrir como resolver esse circuito. A ajuda seria muito apreciada!

O circuito, como mostrado, não é viável - ou você pode analisá-lo em duas fases, se precisar:

Fase 1:

• Cada diodo 1n4148 é classificado para corrente repetitiva contínua de 200 mA e pico de 450 mA.
• Quando conectado conforme indicado, cada diodo cai aproximadamente de 1 a 1,5 Volts ( Fig.3 na folha de dados ) antes que a corrente exceda a classificação máxima absoluta
• Como a tensão de alimentação é de 5 Volts, isso excede em muito os 3 Volts máximos observados acima, então um dos dois diodos queimará.

Fase 2.a: Se D2 queimar e se tornar um circuito aberto:

• Não haverá tensão na _saída V _, pois D2 agora é um circuito aberto
• Resultado: V _out = 0 Volts

Fase 2.b: Se D1 queimar e se tornar um circuito aberto:

• V _out = V1 - V _D2 = ~ 4,4 Volts

Depois, há as possibilidades de D1 ou D2 queimarem para ficarem curtas. Essa análise resultante é deixada para você fazer :-)

O CircuitLab resolve o circuito porque não simula efeitos como temperaturas de junção que ultrapassam o limite, para que os semicondutores derreterem.

Um diodo não é uma queda de tensão fixa. A corrente através de um diodo está relacionada à tensão por uma equação exponencial. Essa equação exponencial continua para sempre: para qualquer tensão imaginável, você pode encontrar uma corrente. Na verdade, há mais de uma equação, porque mesmo as equações são idealizações do comportamento real. Uma leitura do tempo é o artigo da Wikipedia sobre modelagem de diodos.

Na simulação DC, você esqueceu de adicionar expressões para visualizar a corrente do diodo, uma quantidade importante com a qual o designer deve se preocupar. O solucionador de CC informa que a corrente no diodo superior é 2,755A e, no inferior, 2,750A (desde que o resistor consiga 0,005). Sim, os diodos estão caindo 2,5V, mas por meio de uma corrente muito grande. Cada diodo dissipa 6,9W. Por que você não consulta a folha de dados do 1N4148 para ver quais são os limites reais?

Talvez o circuito seja realizável. No entanto, se assim for, não pode haver sem algum mecanismo de resfriamento criogênico para manter as temperaturas da junção dentro de limites! E mesmo que funcione, os resultados provavelmente não estarão de acordo com o DC Solver da CircuitLab: a tensão entre os diodos não estará exatamente na metade do caminho entre 0 e 5.

Uma maneira de resolver o circuito "impossível" é imaginando que os diodos tenham uma resistência total aproximada por um minúsculo resistor em série (e continuando a tratá-los como uma queda de tensão fixa):

Isso não é fisicamente correto e ainda ignora a realidade de que os diodos serão destruídos, mas é uma maneira de reproduzir os resultados do DC Solver. (O 650$m\Omega$ os números são calculados para que funcionem com os mesmos valores, mantendo a suposição de 700 mV.)

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Se você clicar duas vezes no símbolo do diodo, verá que o valor real que o CircuitLab usa para uma resistência em série no diodo (parâmetro R_S) é 0,568 $\Omega$. Um pouco menos do que acima, o que significa que o CircuitLab calculou uma tensão mais alta na junção PN do que 0,7. Se formos com 0.568, significa que a queda de tensão (V = IR) nessa resistência é de cerca de 2.755A * 0.568, ou cerca de 1.56V. Duas quedas de tensão de 1,565V deixam 0,935V em cada diodo. Ou seja, o CircuitLab aplicou alguma fórmula exponencial para determinar a tensão direta, que foi resolvida em 0,935V em consideração com R_S.

No que diz respeito ao seu segundo circuito, ele é insolúvel porque é inválido. Você não pode conectar fontes de tensão ideais em paralelo, a menos que elas tenham exatamente a mesma tensão; nesse caso, não faz sentido porque são equivalentes a uma única fonte de tensão com essa tensão. Se duas fontes de tensão desiguais são paralelas, elas se curto-circuitam: sua tensão diferencial enfrenta uma impedância de zero ohm. As fontes de tensão ideais não existem no mundo real, mas os dispositivos que tentam se comportar como as fontes de tensão ideais também não gostam de ser conectados juntos dessa maneira.

Apêndice: aplicação da fórmula de Shockley às figuras do CircuitLab .

Já sabemos a corrente final $I$é 2.755 A, que juntamente com a resistência em série R_S indica que a queda de tensão no diodo deve ser de cerca de 0,935. Vamos ver se esse 0.935 funciona de volta à corrente. $V_D$é exatamente essa queda de tensão. O valor que$n$(fator de idealidade) é dado no modelo do CircuitLab para o diodo. É 1.752. Vamos assumir 26 mV para$V_T$, a tensão térmica. o$I_S$ também é dado o valor: 2.92E-9.

Triturando os números, temos $I = 2.92\times10^{-9}\left(e^{0.935/\left(1.752\times0.026\right)}-1\right) = 2.397A$

Isso ocorre no valor aproximado de 2.755. Obviamente, o CircuitLab não está usando essa fórmula, mas uma fórmula mais avançada na qual esses outros parâmetros do diodo entram em jogo.