¿Cómo resolver una pregunta simple de la compuerta de diodo de Sedra y Smith (Ejercicio 4.4)?

Suena como si estuvieras pensando demasiado las cosas un poco, pero eso es probablemente porque estás luchando para reconciliar varios principios aparentemente contradictorios en tu cabeza. No te sientas mal. Esto es difícil

Una cosa en la que creo que está atrapado es la diferencia entre "aplicar un voltaje a través de un diodo" versus el cálculo implícito del voltaje a través de un diodo. Si todo lo que tenía era una fuente de alimentación de 3V y un diodo, entonces estaría aplicando explícitamente 3V en ese diodo:

^{simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab}

Pero ese tipo de circuito casi nunca ocurre y no es útil. De hecho, si alguna vez probaste ese circuito, es probable que aprendas muy rápidamente a qué huele el silicio cuando se quema.

Un circuito mucho más realista (y útil) podría tener este aspecto:

^{simular este circuito}

En este circuito, no puede aplicar un voltaje a través del diodo como lo hizo anteriormente. El voltaje en NODE1 es una función del diodo y del resistor. Al igual que un ecosistema equilibrado, todo en un circuito puede afectar a todo lo demás.

¿Así conducirá el diodo? Suponiendo un diodo ideal, puede responder a eso únicamente en observación sin hacer ningún cálculo matemático. El ánodo del diodo está conectado directamente al punto de mayor potencial en el circuito: 3V. El cátodo (NODE1) está conectado a una resistencia que está conectada a tierra. El diodo está claramente sesgado positivamente y la corriente fluirá a través de él. Dado que este es un diodo ideal, no hay caída de voltaje en el diodo, por lo que NODE1 también será de 3V. Ahora que vemos 3V en NODE1, podemos olvidarnos del diodo y simplemente usar la Ley de Ohm en la resistencia. Una caída de 3V en una resistencia de 1k \ $ \ Omega \ $ dará como resultado 3mA a través de la resistencia.

Ahora vamos a introducir un circuito con dos diodos y una resistencia.

^{simular este circuito}

Me gusta acercarme a los circuitos de este tipo al tomar imágenes del tiempo que disminuye la velocidad y observar lo que sucede en cámara super lenta. Antes de que se aplicaran los voltajes, NODE1 descansaba a 0 V, así que comenzaremos allí. Los suministros de 2V y 3V están conectados a las entradas y la corriente comienza a fluir. En ese primer instante, los diodos ambos tienen un sesgo positivo: hay un voltaje positivo en sus ánodos (3V y 2V, respectivamente) y sus cátodos están a 0V. Puedes imaginar que los primeros dos electrones comienzan a fluir a través de ambos diodos. Pero eso hará que el voltaje en NODE1 comience a aumentar.

Digamos que una pequeña fracción de segundo después, el voltaje en NODE1 ha aumentado a 1V. El ánodo de D1 es 3V y el cátodo es 1V. Positivamente sesgado. El ánodo de D2 es 2V y el cátodo es 1V. También positivamente sesgada. La corriente sigue fluyendo a través de ambos diodos. Otra pequeña fracción de segundo más tarde, el voltaje en NODE1 aumenta justo por encima de 2V. Para D1, esto no es un problema, todavía tiene un sesgo positivo. Pero ahora D2 tiene un voltaje ligeramente mayor en su cátodo que su ánodo. D2 repentinamente se invierte y deja de conducir. Ahora se puede ignorar D2 del circuito ya que D1 continúa conduciendo. Eventualmente, el voltaje de NODE1 se convertirá en 3V, ya que D1 es el único diodo que aún está conduciendo.

Las flechas rojas indican el flujo actual.

^{simular este circuito}

Todo lo que sucede en un intervalo de tiempo medido en millonésimas o millonésimas de segundo. Pero muestra que ambos diodos do conducen al principio. Pero eventualmente, el diodo con el voltaje más grande en su ánodo domina el diodo con el voltaje más bajo. Debería poder aplicar fácilmente ese mismo razonamiento a un circuito con 3 diodos y una resistencia.

Puede usar la misma técnica de cámara lenta en el problema E4.4 (f) en su pregunta. En ese caso, suponga que el voltaje en la parte superior de la resistencia fue de 0 V y luego se encendió repentinamente a 5V. Inicialmente, los ánodos de los 3 diodos serán 0 V y luego comenzarán a subir. ¿Qué diodo comenzará a conducir primero? Una vez que el diodo está conduciendo, ¿seguirá aumentando la tensión en los ánodos o se detendrá allí? Si continúa aumentando, ¿qué sucede con la cantidad de corriente que pasa por la resistencia (use la Ley de Ohm)? ¿Cómo afecta esa resistencia si el voltaje continúa aumentando o se detiene en el primer diodo?

Realmente me gustó el primer comentario de Daniel a tu pregunta. Desde el principio, te dijo cómo mirarla de la mejor manera que se puede hacer en un comentario. Viendo su último comentario (a Daniel), ahora puedo ver dónde está su cerebro y cómo puede necesitar información adicional.

Empecemos con tu última confusión sobre los diodos,

Dice que entiende completamente el resultado si comienza a pensar que el diodo \ $ 3V \ $ está en . Reconoce que los otros diodos tendrán un sesgo inverso y, por lo tanto, los otros diodos serán off . Ese es un gran punto de partida. Entonces parece que está confundido y luego piensa en la situación en la que el diodo \ $ 2V \ $ se convierte en en . Entonces piensas que el diodo \ $ 3V \ $ también se gira on y eso te confunde porque tienes dos voltajes diferentes conectados a la misma línea y no lo haces. No sé cuál ganaría, o por qué.

Pero la respuesta llega cuando observas un poco más de cerca la situación allí. ¡Has olvidado todo acerca de la resistencia \ $ 1k \ Omega \ $! Ahora vamos a tener eso en cuenta en tu pensamiento.

Entonces, comience con el diodo \ $ 2V \ $ que se volvió en . (Suponiendo que no se caiga ningún diodo por ahora, supongo que estos son diodos ideal ). Esto debería tirar de la línea sobre la resistencia hasta \ $ 2V \ $. Ya lo sabes. Pero la corriente será \ $ 2mA \ $, ¿verdad? Ahora, giremos en ese \ $ 3V \ $ diodo. ¿Lo que pasa? Bueno, la corriente comienza a aumentar rápidamente a medida que el diodo \ $ 3V \ $ ahora comienza a inundarse en corriente desde su fuente \ $ 3V \ $. Esta corriente adicional forzará una mayor caída de tensión en la resistencia \ $ 1k \ Omega \ $ a medida que esta nueva corriente agregada se precipite. Esto obliga a que la caída de tensión de la resistencia aumente, forzando así ese lado de la resistencia hacia arriba, hacia la tensión del diodo \ $ 3V \ $. Muy rápidamente, puede ver, el voltaje a través de la resistencia aumentará por encima de \ $ 2V \ $ y el diodo \ $ 2V \ $ simplemente se apagará off ahora, lo que dará control sobre el diodo \ $ 3V \ $. Una vez que la caída de voltaje a través de la resistencia alcanza \ $ 3V \ $, entonces ese diodo dejará de aumentar su flujo de corriente en el punto correcto. Y todos los demás diodos ahora serán off .

Como puede ver, el diodo \ $ 3V \ $ obligará, en efecto, a que todos los diodos de voltaje más bajo se vuelvan off . Incluso si eran en antes

Un proceso de pensamiento similar (pero invertido) también responde a la otra pregunta.

¿Eso ayuda a darle sentido?

En la lógica de diodo positivo "hombre alto gana"

En la lógica de diodo negativo "low-man wins"

Ahora aplique esta lógica al diodo O circuito.