Post on 26-Feb-2019
Εφαρμογή: Ο ιδανικός Ανορθωτής
Κύκλωμα Ανορθωτή
Ορθή πόλωση Ανάστροφη πόλωση Κυματομορφή Εισόδου
Κυματομορφή Εξόδου
πp
DCV
V =Ημιανόρθωση:
Κύκλωμα διόδου-αντίστασης
Κυματομορφή Εισόδου
Χαρακτηριστική μεταφοράς του κυκλώματος
Το κύκλωμα διόδου με αντίσταση σε σειρά
Κυματομορφή τάσης στα άκρα της διόδου
Παράδειγμα: Φόρτιση μπαταρίας
Κύκλωμα φόρτισης μπαταρίας 12V
Κυματομορφές τάσης εισόδου και ρεύματος
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:
A12.0100
V)1224(Id =−
=Ω
Η μέγιστη τάση ανάστροφης πόλωσης της διόδου ισούται με:
PIV=24V+12V=36V
Λογικές Πύλες με Διόδους
Πύλη OR
Y=A+B+C
Πύλη AND
Y=A∙B∙C
1kΩ I
3V
2V
1V 1kΩ
I 3V
2V
1V
V3mA3I
Y ==
υ V1mA4I
Y ==
υ
Χαρακτηριστική I-V Διόδου Πυριτίου
Ορθή πόλωση
Ανάστροφη πόλωση Κατάρρευση
Συμπιεσμένη κλίμακα
Διευρυμένη κλίμακα
Τάση Κατάρρευσης
−
= 1
VexpIi
T
DsD η
υ Στατική Χαρακτηριστική I-V της Διόδου
0.5V => Τάση αποκοπής
0.7V => Τάση ορθής πόλωσης
2 ή 1
mV25q
kTVT
=
≈=
η
Επίδραση της θερμοκρασίας στη χαρακτηριστική ορθής πόλωσης της διόδου
Για σταθερό ρεύμα, η τάση ορθής πόλωσης της διόδου ελαττώνεται κατά 2mV για κάθε βαθμό Κελσίου αύξηση της θερμοκρασίας.
Ανάλυση Κυκλωμάτων Διόδων (I)
Χαρακτηριστική της Διόδου:
Χαρακτηριστική της διόδου
Σημείο λειτουργίας
Ευθεία φόρτου
Κλίση
Ευθεία φόρτου:
=
T
DsD V
VexpIIη
RVVIVRIV DDD
DDDDD−
=⇒+=
Το σημείο λειτουργίας Q βρίσκεται από τη λύση του συστήματος.
DC Ανάλυση
Μεταβολή Τάσης Πόλωσης Μεταβολή Αντίστασης
ID
VD VDD
R3
Q2 Q1
Q3
R2
R1
R3<R2<R1
VDD = σταθ.
ID
VD VDD2
Q2
Q1
Q3 R = σταθ.
VDD1 VDD3
Ανάλυση Κυκλωμάτων Διόδων (II)
Απλουστευμένα Μοντέλα Διόδων (Ι) Το κατά τμήματα Γραμμικό Μοντέλο
Ευθύγραμμο τμήμα Β
Ευθύγραμμο τμ. Α
Κλίση
Η εκθετική χαρακτηριστική
Απλουστευμένα Μοντέλα Διόδων (ΙΙ)
Ιδανική Δίοδος
Ιδανική Δίοδος
Κλίση
Ισοδύναμο κύκλωμα διόδου με αντίσταση
0DDD
0DDD
0DDD
VV για r
VVI
VV για 0I
>−
=
≤=
Παράδειγμα: Αν VDD=5V, VD0=0.65V, R=1kΩ και rD=20Ω, να υπολογιστούν τα ΙD και VD.
Ιδανική Δίοδος
V...
4.26mA1kΩ20Ω
0.65)V-(5
735020mA264V650rIVVRrVVI
DD0DD
D
0DDDD
=⋅+=+=
=+
=+−
=
Ω
Απλουστευμένα Μοντέλα Διόδων (ΙΙΙ) Το Μοντέλο Σταθερής Πτώσης Τάσης
Ευθ. Τμ. Β (κατακόρυφο)
Ευθ. Τμ. Α (οριζόντιο)
Ιδανική Δίοδος
Μοντέλο Μικρού Σήματος της Διόδου
Κλίση=1/rd
Εφαπτομένη στο Q
Σημείο πόλωσης Q
)t(V)t( dDD υυ +=Η συνολική στιγμιαία τάση της διόδου είναι:
Αντίστοιχα το συνολικό στιγμιαίο ρεύμα:
TdTdTD
TdDTD
V/υD
V/υV/Vs
V/)υ(Vs
V/υsD
eIeeIeIeI)t(i
ηηη
ηη
=⋅=
=== +
dd
dT
Dd
dDdT
DDD
T
dDD
T
d
υr1υ
ηVIi
iIυηVII)t(i
)ηVυ(1I)t(i 1
V Αν
==⇒
+=+=⇒
+≈⇒<<ηυ
DD IiD
D
dd
D
Td
ir1g
IηVr
=∂∂
==
=
υ
Αντίσταση μικρού σήματος ή δυναμική αντίσταση της διόδου.
AC Ανάλυση
Λειτουργία Μικρού Σήματος της Διόδου
Πραγματικό κύκλωμα Ισοδύναμο κύκλωμα
Κύκλωμα για DC ανάλυση Κύκλωμα για AC ανάλυση
DDDD VRIV +=
d
dsd
dds
rRr
)rR(i
+=
+=
υυ
υ
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.
d
dDDdpp
D
Td
DDDD
rRrV2
IVr
RVVI
+=
=
−=
∆υ
η
mV710
k20RV70VV110V
dpp
DDD
.
&.,)( αν π.χ.
=
⇒=≈±=
υ
Ω
Λειτουργία στην περιοχή κατάρρευσης- Δίοδοι Zener VZK, IZK : «γόνατο» της χαρακτηριστικής
ΙΖΤ : ρεύμα δοκιμής
rZ=ΔV/ΔI : δυναμική αντίσταση
VZ0: σημείο τομής της ευθείας με τον άξονα των τάσεων ~VZK
Ισοδύναμο Κύκλωμα της Zener
0ZZZKZ
ZZ0ZZ
VV και II για rIVV
>>+=
Παράλληλος σταθεροποιητής τάσης με Zener
DC Φόρτος
R
Vs
+
VO
-
I IL
IZ
Ρύθμιση γραμμής = ΔVΟ/ΔVS
Ρύθμιση φορτίου = ΔVO/ΔIL
//R)r(IrR
rVrR
RVV ZLZ
ZS
Z0ZO −
++
+=
Ρύθμιση γραμμής
Ρύθμιση φορτίου //RrZ−=
Z
Z
rRr+
=
maxmin
minmin
LZ
ZZ0ZS
IIIrVVR
+−−
=Επιλογή της αντίστασης R ώστε το ρεύμα της Zener να μη γίνεται πολύ χαμηλό:
Άσκηση 1 Για μία δίοδο Zener δίνεται ότι VZ=10V για IZ=10mA και rZ=50Ω. Να υπολογιστεί η VZ α) αν το ρεύμα διπλασιαστεί και β) αν το ρεύμα υποδιπλασιαστεί. Ποια η τιμή VZ0 για το μοντέλο της διόδου.
Το μοντέλο της Zener
Άσκηση 2 Δίνεται το κύκλωμα σταθεροποίησης τάσης του σχήματος. Η τάση τροφοδοσίας Vs=8V εμφανίζει κυμάτωση 1V από κορυφή σε κορυφή. Η DC τάση στο φόρτο είναι VΟ=5V. Να ευρεθεί το ρεύμα που διαρρέει τη δίοδο Zener στο σημείο ηρεμίας. Ποια είναι η μέγιστη επιτρεπτή δυναμική αντίσταση rZ της διόδου Zener αν η κυμάτωση της τάσης εξόδου δεν πρέπει να ξεπερνάει τα 10mV από κορυφή σε κορυφή. Δίνονται: R=20Ω και RL=100Ω.
DC RL
R
Vs
+
VO
-
I IL
IZ
Φωτοδίοδοι
•Αν η περιοχή απογύμνωσης της διόδου επαφής pn φωτιστεί από φως αρκετά υψηλής συχνότητας, τα φωτόνια μπορούν να δώσουν αρκετή ενέργεια ώστε να επιτρέψουν στα ηλεκτρόνια να περάσουν το ενεργειακό χάσμα του ημιαγωγού και να δημιουργήσουν ζεύγη οπών-ηλεκτρονίων.
•Οι φωτοφωρατές μετατρέπουν το φως σε ηλεκτρικό σήμα. Συνήθως πολώνονται ανάστροφα ώστε να αυξηθεί το εύρος της περιοχής απογύμνωσης.
•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, αλλά σε μερικά υλικά μετατρέπεται σε φως.
•Κατασκευάζονται LED σε μεγάλη περιοχή μηκών κύματος.
•Το πλαστικό περίβλημα βοηθάει στην κατευθυντικότητα της δέσμης.
Κυκλώματα Ανορθωτών
Ανορθωτής Διόδου
Φίλτρο Σταθερο-ποιητής τάσης
Φόρτος
Σχηματικό διάγραμμα τροφοδοτικού DC
Ανορθωτής Ημικύματος ή Ημιανορθωτής
Χαρακτηριστική μεταφοράς του ανορθωτή ημικύματος
Σημαντικά χαρακτηριστικά:
•Μέγιστο ρεύμα ορθής πόλωσης
•Μέγιστη τάση ανάστροφης πόλωσης PIV=Vs
V7.0VVRr 0D0DSOD ≈−≈⇒<< µευυγια
0DSD
0DD
SO
0DSO
VV,rR
RVrR
RVV
VV,0V
≥+
−+
=
<=
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.
RVVI
RViRiV 0Ds
d0DS
DD0DS−
=⇒−
=⇒+=υυγ )
=⇒=⇒= −
s
0D1
s
0D0Ds V
VV
VVVa sinsinsin) ΘΘΘ
Η δίοδος παύει να άγει για π-Θ =>Ολική αγώγιμη γωνία= (π-Θ)-Θ=π-2Θ
22
22
2
22
21
21
00
0
0
2
00
00
DsDs
Ds
Ds
DsO
DsDS
VV)(VcosV
dVdsinV
d)VsinV(
d)VsinV(V
VsinVV)
−π
≈Θ−ππ
−Θπ
=
=θπ
−θθπ
=
=θ−θπ
=
=θ−θπ
=
−θ=−υ=υβ
∫ ∫
∫
∫
Θ−π
Θ
Θ−π
Θ
Θ−π
Θ
π
Ο
Ανορθωτής Πλήρους Κύματος ή Πλήρης Ανορθωτής
Χαρακτηριστική μεταφοράς του ανορθωτή πλήρους κύματος
VD0 VD0
VD0
0Dss0Ds VV2V)VV(PIV −=+−=
Ανορθωτής Γέφυρας
Δεν χρειάζεται μετασχηματιστής με μεσαία λήψη.
D0sD0D0s
D2O3D
V-VV2V-VPIV(ορθή))ά(
=+=⇒+= υυστροφηανυ
VD0
Πλεονεκτήματα: •Μικρό PIV •Περίπου μισές σπείρες δευτερεύοντος
Άσκηση: Για τον ανορθωτή γέφυρας του σχήματος, θεωρώντας για τις διόδους το μοντέλο σταθερής 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. Σχεδιάστε τις κυματομορφές εξόδου υο
+ και υο- .
Θεωρήστε 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. Ποιο είναι το PIV για κάθε δίοδο;
Ανορθωτής με Φίλτρο Πυκνωτή
Χρησιμοποιείται πυκνωτής για μείωση της κυμάτωσης. Ιδανική δίοδος και ιδανικός πυκνωτής.
Ανορθωτής με Φίλτρο RC
Ιδανική δίοδος και RC>>T.
rpO
pLOpr
rpO
DpI2
OI1
V21VV
RV
IVV
VVT0iVt
t
−=
≈⇒≈⇒<<
−=→≈
=⇒=→=→
αακριβέστερ ή
DC.σταθυ
υ
υυυ
Η δίοδος άγει κατά Δt, όπου:
LI
LCD
OL
idt
dCiii
Ri
+=+=
=
υ
υ
Ανορθωτής με Φίλτρο RC (συνέχεια) Υπολογισμός του ρεύματος της διόδου
Κατά την αποκοπή:
Ο αγώγιμος χρόνος Δt υπολογίζεται από την:
fRCV
RCTVV
RCT1eTRC
eVVV:ό στο τέλος
eV
ppr
RC/T
RC/Tprp
RC/tpO
=≈⇒−≈⇒>>
≈−
=
−
−
−
για
ρτισηςεκφτης
υ
pr
2
rpp
V/2VΔt
Δt)(21-1Δt)cos(
(ωΔt) μικρά γιαVVΔt)cos(V
≈
≈
−=
ω
ωω
ω
DavrpLmaxD
rpLDav
rlost
Cavsup
i2)V/2V21(Ii
)V/2V1(IiCVQ
tiQ
≈+=
+=
=
=
π
π
∆
Ανορθωτής κορυφής πλήρους κύματος
)V2/V21(Ii
)V2/V1(IifRC2V
V
rpLmaxD
rpLDav
pr
π
π
+=
+=
= Σε σύγκριση με τον ανορθωτή κορυφής ημικύματος: • Απαιτείται πυκνωτής με τη μισή χωρητικότητα. • Το ρεύμα σε κάθε δίοδο είναι περίπου το μισό.
Εφαρμογές: • Φωρατής κορυφής (Peak Detector) • Αποδιαμορφωτής ΑΜ
Άσκηση: Να σχεδιαστεί η χαρακτηριστική μεταφοράς του κυκλώματος αν οι δίοδοι θεωρηθούν ιδανικές
R=
R= R=
I
υI
υO
5V
5V
-5V
-5V
1/2
1/2
Λύση:
21
ΔυυίV5,2
2IRV5
R2V5IIR5VIR
άώάV5
21
ΔυυίV5,2
2IRV5
R2V5IIR5VIR
άύάV5
άέάV5V5
Ι
ΟIOO
I
I
Ι
ΟIOO
I
I
IO
I
==⇒−=⇒+−=
+=⇒+−=
⇒
−≤•
==⇒+=⇒+=
−=⇒++=
⇒
≥•
=⇒
≤≤−•
∆σηκλυυυ
υυ
δοςκλτοςπρογει
υγια
∆σηκλυυυ
υυ
δοςκλτεροςδεογει
υγια
υυδοςκλναςκανγειδεν
υγια
Ι
Ι