Ile3 by Nick Ioannou

Δίοδοι

Η ιδανική Δίοδος

Ορθή πόλωση

Ανάστροφη πόλωση

Χαρακτηριστική τάσης ρεύματος της ιδανικής διόδου.

Εφαρμογή: Ο ιδανικός Ανορθωτής

Κύκλωμα Ανορθωτή

Κυματομορφή μ μ ρφή Εισόδου

Ορθή πόλωση

Ημιανόρθωση:

Κυματομορφή Εξόδου

Ανάστροφη πόλωση

VDC =

Κύκλωμα διόδου-αντίστασης

Το κύκλωμα διόδου με αντίσταση σε σειρά

Χαρακτηριστική μεταφοράς του κυκλώματος

Κυματομορφή Εισόδου

Κυματομορφή τάσης στα άκρα της διόδου

Παράδειγμα: Φόρτιση μπαταρίας

Κύκλωμα φόρτισης μπαταρίας 12V

Η δίοδος άγει όσο υs>12V. Αυτό συμβαίνει για γωνία αγωγής 2θ όπου: 24cosθ=12 => θ=600 Η μέγιστη τιμή του ρεύματος της διόδου είναι:

Id =

( 24 − 12 )V = 0.12 A 100 Ω

Η μέγιστη τάση ανάστροφης πόλωσης της διόδου ισούται με: PIV=24V+12V=36V Κυματομορφές τάσης εισόδου και ρεύματος

Λογικές Πύλες με Διόδους 3V 2V 1kΩ 1V I I

1kΩ 2V 1V

Πύλη OR

Πύλη AND

Y=A+B+C

Y=A·B·C

I = 3mA

I = 4mA υY = 1V

υY = 3V

Χαρακτηριστική I-V Διόδου Πυριτίου ⎡ ⎛ υD iD = I s ⎢exp⎜⎜ ⎣ ⎝ ηVT

⎞ ⎤ ⎟⎟ − 1⎥ ⎠ ⎦

Στατική Χαρακτηριστική I-V της Διόδου

Τάση Κατάρρευσης

Ορθή πόλωση Συμπιεσμένη κλίμακα

Ανάστροφη πόλωση

Διευρυμένη κ κλίμακα

Κατάρρευση

0.5V => Τάση αποκοπής 0.7V => Τάση ορθής πόλωσης

kT ≈ 25mV q η = 1ή 2 VT =

Επίδραση της θερμοκρασίας στη χαρακτηριστική ορθής πόλωσης της διόδου

Για σταθερό ρεύμα, η τάση ορθής πόλωσης όλ σης της ης δ διόδου όδο ελα ελαττώνεται ώ εα κατά 2mV για κάθε βαθμό Κελσίου αύξηση της θερμοκρασίας.

Ανάλυση Κυκλωμάτων Διόδων (I) DC Ανάλυση Χαρακτηριστική της διόδου

Σημείο λειτουργίας Ευθεία φόρτου Κλίση

Χαρακτηριστική της Διόδου:

⎛ VD I D = I s exp⎜⎜ ⎝ ηVT

Ευθεία φόρτου: VDD = I D R + VD ⇒ I D =

⎞ ⎟⎟ ⎠

VDD − VD R

Το σημείο λειτουργίας Q βρίσκεται από τη λύση του συστήματος συστήματος.

Ανάλυση Κυκλωμάτων Διόδων (II)

ID Q3

R = σταθ. σταθ

Q2 Q1

VDD1 VDD2 VDD3VD Μεταβολή Τάσης Πόλωσης

R3<R2<R1

R3 R2 R1

VDD = σταθ. σταθ Q3 Q2 Q1

VDD Μεταβολή Αντίστασης

Απλουστευμένα Μοντέλα Διόδων (Ι) Το κατά τμήματα Γραμμικό Μοντέλο

Η εκθετική θ ή χαρακτηριστική

Ευθύγραμμο τμ. Α

Ε θύ Ευθύγραμμο τμήμα ή Β Κλίση

Απλουστευμένα Μοντέλα Διόδων (ΙΙ) Ιδανική Δίοδος Κλίση

Ισοδύναμο κύκλωμα διόδου με αντίσταση

I D = 0 για VD ≤ VD0 ID =

VD − VD0 για VD > VD0 rD

Ιδανική Δίοδος

Παράδειγμα: Αν VDD=5V, VD0=0.65V, R=1kΩ και rD=20Ω, να υπολογιστούν λ ύ τα ΙD και VD.

Ιδανική Δίοδος

VDD − VD0 (5 - 0.65)V ID = = = 4.26mA 20Ω + 1kΩ rD + R VD = VD0 + I D rD = 0.65V + 4.26 mA⋅ 20Ω = 0.735V

Απλουστευμένα Μοντέλα Διόδων (ΙΙΙ) Το Μοντέλο Σταθερής Πτώσης Τάσης

Ευθ. Τμ. Β (κατακόρυφο)

Ιδανική Δίοδος Ευθ. Τμ. Α (οριζόντιο)

Απλουστευμένα Μοντέλα Διόδων-Σύνοψη

Μοντέλο Μικρού Σήματος της Διόδου Η συνολική στιγμιαία τάση της διόδου είναι: Εφαπτομένη στο Q Κλίση=1/rd

Αντίστοιχα το συνολικό στιγμιαίο ρεύμα:

iD ( t ) = I s eυD / ηVT = I s e(VD +υd ) / ηVT =

Σημείο πόλωσης Q

= I s eVD / ηVT ⋅ eυd / ηVT = I Deυd / ηVT υ υ Αν d << 1 ⇒ iD ( t ) ≈ I D (1 + d ) ηVT ηVT ⇒ iD ( t ) = I D + ⇒ id =

AC Ανάλυση

υD ( t ) = VD + υd ( t )

rd =

ηVT ID

gd =

1 ∂iD = rd ∂υD

ID υd = I D + id ηVT

1 ID υd = υd ηV VT rd

Αντίσταση μικρού σήματος ή δυναμική αντίσταση της διόδου. iD = I D

Λειτουργία Μικρού Σήματος της Διόδου

Πραγματικό κύκλωμα

Κύ λ Κύκλωμα για DC ανάλυση άλ

VDD = I D R + VD

Ισοδύναμο κύκλωμα

Κύ λ Κύκλωμα για AC ανάλυση άλ

υ s = id ( R + rd ) rd υd = υs R + rd

Χρήση της Διόδου για σταθεροποίηση τάσης Σε ένα σταθεροποιητή τάσης, η τάση εξόδου πρέπει να διατηρείται σταθερή: α) παρά τις μεταβολές του ρεύματος φόρτου β) παρά τις μεταβολές της τροφοδοσίας του σταθεροποιητή.

VDD − VD R ηV rd = T ID ID =

υ dpp = 2ΔVDD

π.χ. αν VDD = (10 ± 1)V ,

υ dpp = 10.7 mV

rd R + rd

VD ≈ 0.7V

R = 20 kΩ ⇒

Λειτουργία στην περιοχή κατάρρευσης- Δίοδοι Zener VZK, IZK : «γόνατο» της χαρακτηριστικής ΙΖΤ : ρεύμα δοκιμής rZ=ΔV/ΔI : δυναμική αντίσταση VZ0: σημείο ημ τομής μής της ης ευθείαςς με τον άξονα των τάσεων ~VZK

Ισοδύναμο Κύκλωμα της Zener

VZ = VZ 0 + I Z rZ για I Z > I ZK και VZ > VZ 0

Παράλληλος σταθεροποιητής τάσης με Zener I

IL IZ

Ρύθμιση γραμμής = ΔVΟ/ΔVS

+ VO

Φόρτος

Ρύθμιση φορτίου = ΔVO/ΔIL

R rZ VO = VZ 0 + VS − I L ( rZ //R) R + rZ R + rZ rZ Ρύθμιση γραμμής = R + rZ Ρύθμιση φορτίου

= − rZ //R

Επιλογή της αντίστασης R ώστε το ρεύμα της Zener να μη γίνεται πολύ χαμηλό:

VS min − VZ 0 − rZ I Z min I Z min + I L max

Άσκηση Για μία δίοδο Zener δίνεται ότι VZ=10V για IZ=10mA και rZ=50Ω. 50Ω Να Ν υπολογιστεί λ ί η VZ α)) αν το ρεύμα ύ διπλασιαστεί δ λ ί και β) αν το ρεύμα υποδιπλασιαστεί. Ποια η τιμή VZ0 για το μοντέλο της διόδου. διόδου

Το μοντέλο της Zener

Φωτοδίοδοι

•Αν η περιοχή απογύμνωσης της διόδου επαφής pn φωτιστεί από φως αρκετά υψηλής συχνότητας, τα φωτόνια μπορούν να δώσουν αρκετή ή ενέργεια έ ώ ώστε να επιτρέψουν έ στα ηλεκτρόνια να περάσουν το ενεργειακό χάσμα του ημιαγωγού και να δημιουργήσουν ζεύγη οπών ηλεκτρονίων οπών-ηλεκτρονίων. •Οι φωτοφωρατές μετατρέπουν το φως σε ηλεκτρικό σήμα. Συνήθως πολώνονται ανάστροφα ώστε να αυξηθεί το εύρος της περιοχής απογύμνωσης. •Τα Τα ηλιακά κύτταρα μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική.

Δίοδοι Φωτοεκπομπής (LED)

•Όταν ηλεκτρόνια και οπές επανασυνδέονται, απελευθερώνουν ενέργεια. •Αυτή η ενέργεια συχνά απελευθερώνεται σαν θερμότητα μέσα στον κρύσταλλο, μ ρ , αλλά σε μερικά υλικά μετατρέπεται σε φως. •Κατασκευάζονται LED σε μεγάλη περιοχή μηκών κύματος. κύματος •Το πλαστικό περίβλημα βοηθάει στην κατευθυντικότητα της δέσμης.

Κυκλώματα Ανορθωτών

Ανορθωτής Διόδου

Φίλτρο

Σταθεροποιητής τάσης

Σχηματικό διάγραμμα τροφοδοτικού DC

Φόρτος

Ανορθωτής Ημικύματος ή Ημιανορθωτής VO = 0 , VS < VD 0 VO = VS

για

Χαρακτηριστική μεταφοράς του ανορθωτή ημικύματος Σημαντικά χαρακτηριστικά: •Μέγιστο ρεύμα ορθής πόλωσης •Μέγιστη τάση ανάστροφης πόλωσης PIV=Vs

R R − VD 0 , VS ≥ VD 0 R + rD R + rD

rD << R ⇒ υO ≈ υ S − VD 0

με

VD 0 ≈ 0.7V

Άσκηση:

Για τον ημιανορθωτή, θεωρώντας ότι rD=0, να αποδειχθούν τα ακόλουθα: α) Η δίοδος αρχίζει να άγει σε γωνία Θ=sin-1(VD0/Vs) και άγει συνολικά μέσα σε γωνία (π-2Θ). β) Η μέση τιμή της υΟ είναι VO=(1/π)Vs-VD0/2. γ) Η τιμή κορυφής του ρεύματος είναι (Vs-VD0)/R.

Vs sin Θ = VD 0

VD 0 −1 ⎛ VD 0 ⎞ ⎟⎟ ⇒ sin Θ = ⇒ Θ = sin ⎜⎜ Vs ⎝ Vs ⎠

Η δίοδος παύει να άγει για π-Θ =>Ολική αγώγιμη γωνία= (π-Θ)-Θ=π-2Θ

β)

υΟ = υ S − VD 0 = Vs sin θ − VD 0 2π

1 VO = ( Vs sin θ − VD 0 )dθ = 2π ∫0 1 = 2π

π−Θ

V = s 2π

π−Θ

sin θ − VD 0 )dθ =

∫

V sin θdθ − D 0 2π

π −Θ

∫ dθ =

Vs V V V 2 cos Θ − D 0 ( π − 2Θ ) ≈ s − D 0 2π 2π π 2 υ −V V −V υ S = VD0 + iD R ⇒ iD = S D0 ⇒ I d = s D0 R R =

γ)

∫ (V

Ανορθωτής Πλήρους Κύματος ή Πλήρης Ανορθωτής

VD0

Χαρακτηριστική μεταφοράς ρ ή πλήρους ήρ ς κύματος μ ς του ανορθωτή VD0

PIV = ( Vs − VD0 ) + Vs = 2Vs − VD 0

Ανορθωτής Γέφυρας Δεν χρειάζεται μετασχηματιστής με μεσαία λήψη.

υ D 3 ( ανάστροφη ) = υO + υ D2 (ορθή) ⇒ PIV = Vs - 2VD0 + VD0 = Vs - VD0 VD0

Πλεονεκτήματα: •Μικρό PIV •Περίπου μισές σπείρες δευτερεύοντος

Άσκηση:

Για τον ανορθωτή γέφυρας του σχήματος, θεωρώντας για τις διόδους το μοντέλο σταθερής τάσης, τάσης να υπολογιστούν: α) το ποσοστό της περιόδου κατά το οποίο η τάση εξόδου υΟ παραμένει μηδενική και β) η μέση τιμή της υΟ, όταν στην είσοδο εφαρμόζεται ημιτονικό σήμα τάσης.

Άσκηση:

Το κύκλωμα του σχήματος υλοποιεί έναν ανορθωτή συμπληρωματικής εξόδου. εξόδου Σχεδιάστε τις κυματομορφές εξόδου υο+ και υο- . Θεωρείστε για τις διόδους το μοντέλο σταθερής τάσης με VD=0,7V. Αν η μέση τιμή της τάσης για κάθε έξοδο πρέπει να είναι 15V, να υπολογιστεί το πλάτος του ημιτόνου στα δευτερεύοντα τυλίγματα του μετασχηματιστή. μετασχηματιστή Ποιο είναι το PIV για κάθε δίοδο;

Ανορθωτής με Φίλτρο Πυκνωτή

Χρησιμοποιείται πυκνωτής για μείωση της κυμάτωσης. Ιδανική δίοδος και ιδανικός πυκνωτής. πυκνωτής

Ανορθωτής με Φίλτρο RC Ιδανική δίοδος και RC>>T.

iL =

υO R

iD = iC + iL = C

dυ I + iL dt

Η δίοδος άγει κατά Δt, όπου:

t1 → υ I = υ O t 2 → υ I = V p ⇒ iD = 0 ≈ T → υO = V p − Vr Vr << V p ⇒ υO ≈ σταθ . ⇒ DC 1 ή ακριβέστερα VO = V p − Vr 2

IL ≈

Vp R

Ανορθωτής με Φίλτρο RC (συνέχεια) Υπολογισμός του ρεύματος της διόδου Κατά την η αποκοπή: ή

υO = V p e −t / RC στο τέλος της εκφόρτισης: V p − Vr ≈ V p e −T / RC για RC >> T ⇒ e −T / RC ≈ 1 −

Ο αγώγιμος χρόνος Δt υπολογίζεται από την:

Qsupp = iCav Δt Qlost = CVr iDav = I L ( 1 + π 2V p / Vr ) iD max = I L ( 1 + 2π 2V p / Vr ) ≈ 2iDav

Vp T T ⇒ Vr ≈ V p = RC RC fRC

V p cos( ωΔt) = V p − Vr για μικρά (ωΔt) 1 cos( ωΔt) ≈ 1 - ( ωΔt)2 2 ωΔt ≈ 2Vr / V p

Ανορθωτής κορυφής πλήρους κύματος

Vr =

Vp 2 fRC

iDav = I L ( 1 + π V p / 2Vr ) iD max = I L ( 1 + 2π V p / 2Vr )

Εφαρμογές: • Φωρατής κορυφής (Peak Detector) • Αποδιαμορφωτής ΑΜ

Σε σύγκριση με τον ανορθωτή κορυφής ημικύματος: • Απαιτείται πυκνωτής με τη μισή χωρητικότητα. • Το ρεύμα σε κάθε δίοδο είναι περίπου το μισό.

Περιορισμός ή Ψαλιδισμός

Κυκλώματα Περιορισμού - Ψαλιδισμού

Άσκηση: Να σχεδιαστεί η χαρακτηριστική μεταφοράς του κυκλώματος λώ αν οι δίοδοι δί δ θεωρηθούν θ θ ύ ιδανικές δ έ Λύση: η

R R=

• για − 5V ≤ υ I ≤ 5V

δεν άγει κανένας κλάδος ⇒ υO = υ I • για υ I ≥ 5V

άγει ο δεύτερος κλάδος ⇒ υ − 5V υΙ = IR + 5V + IR ⇒ I = I 2R υI Δυ 1 υO = 5V + IR ⇒ υO = + 2 ,5V ⇒ κλίση η= Ο = 2 ΔυΙ 2

υO 1/2

• για υ I ≤ −5V

5V -5V 5V -5V 1/2

υI

άγει ο πρώτος κλ λάδος δ ⇒ υ + 5V υΙ = IR − 5V + IR ⇒ I = I 2R Δυ υ 1 υO = −5V + IR ⇒ υO = I − 2 ,5V ⇒ κλίση = Ο = ΔυΙ 2 2

Αποκατάσταση συνεχούς τάσης

Διπλασιασμός Τάσης