Δίοδοι

Η ιδανική Δίοδος

Χαρακτηριστική τάσης ρεύματος της ιδανικής διόδου.Ορθή πόλωση

Ανάστροφη πόλωση

Εφαρμογή: Ο ιδανικός Ανορθωτής

Κύκλωμα Ανορθωτή

Ορθή πόλωση Ανάστροφη πόλωσηΚυματομορφή Εισόδου

Κυματομορφή Εξόδου

πp

DC

VV =Ημιανόρθωση:

Κύκλωμα διόδου-αντίστασης

Κυματομορφή Εισόδου

Χαρακτηριστική μεταφοράς του κυκλώματος

Κυματομορφή τάσης στα άκρα της διόδου

Το κύκλωμα διόδου με αντίσταση σε σειρά

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 διόδουείναι:

A12.0100

V)1224(Id =−

=Ω

Η μέγιστη τάση ανάστροφης πόλωσης τηςδιόδου ισούται με:

PIV=24V+12V=36V

Λογικές Πύλες με Διόδους

Πύλη OR

Y=A+B+C

Πύλη AND

Y=A·B·C

1kΩI

3V

2V

1V1kΩ

I3V

2V

1V

V3mA3I

Y ==

υ V1mA4I

Y ==

υ

Χαρακτηριστική I-V Διόδου Πυριτίου

Ορθή πόλωση

Ανάστροφη πόλωσηΚατάρρευση

Συμπιεσμένηκλίμακα

Διευρυμένηκλίμακα

ΤάσηΚατάρρευσης

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

VexpIi

T

DsD η

υ ΣτατικήΧαρακτηριστικήI-V της Διόδου

0.5V => Τάση αποκοπής

0.7V => Τάση ορθής πόλωσης

2 ή 1

mV25q

kTVT

=

≈=

η

Επίδραση της θερμοκρασίας στη χαρακτηριστική ορθήςπόλωσης της διόδου

Για σταθερό ρεύμα, η τάση ορθήςπόλωσης της διόδου ελαττώνεταικατά 2mV για κάθε βαθμό Κελσίουαύξηση 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 Qβρίσκεται από τη λύση τουσυστήματος.

DC Ανάλυση

Μεταβολή Τάσης Πόλωσης Μεταβολή Αντίστασης

ID

VDVDD

R3

Q2Q1

Q3

R2

R1

R3<R2<R1

VDD = σταθ.

ID

VDVDD2

Q2

Q1

Q3R = σταθ.

VDD1 VDD3

Ανάλυση Κυκλωμάτων Διόδων (II)

Απλουστευμένα Μοντέλα Διόδων (Ι)Το κατά τμήματα Γραμμικό Μοντέλο

Ευθύγραμμο τμήμα Β

Ευθύγραμμο τμ. Α

Κλίση

Η εκθετικήχαρακτηριστική

Απλουστευμένα Μοντέλα Διόδων (ΙΙ)

Ιδανική Δίοδος

ΙδανικήΔίοδος

Κλίση

Ισοδύναμοκύκλωμα διόδου μεαντίσταση 0DD

D

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

Απλουστευμένα Μοντέλα Διόδων-Σύνοψη

Μοντέλο Μικρού Σήματος της Διόδου

Κλίση=1/rd

Εφαπτομένη στο Q

Σημείο πόλωσηςQ

)t(V)t( dDD υυ +=Η συνολική στιγμιαίατάση της διόδου είναι:

Αντίστοιχα το συνολικό στιγμιαίο ρεύμα:

TdTdTD

TdDTD

V/υD

V/υV/Vs

V/)υ(Vs

V/υsD

eIeeI

eIeI)t(iηηη

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 ήδυναμική 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 φόρτουβ) παρά τις μεταβολές της τροφοδοσίας του σταθεροποιητή.

d

dDDdpp

D

Td

DDDD

rRrV2

IVr

RVVI

+=

=

−=

Δυ

η

mV710

k20RV70VV110V

dpp

DDD

.

&.,)( αν π.χ.

=

⇒=≈±=

υ

Ω

Λειτουργία στην περιοχή κατάρρευσης- Δίοδοι ZenerVZK, IZK : «γόνατο» τηςχαρακτηριστικής

ΙΖΤ : ρεύμα δοκιμής

rZ=ΔV/ΔI : δυναμική αντίσταση

VZ0: σημείο τομής της ευθείαςμε τον άξονα των τάσεων ~VZK

Ισοδύναμο Κύκλωμα της Zener

0ZZZKZ

ZZ0ZZ

VV και II για rIVV

>>+=

Παράλληλος σταθεροποιητής τάσης με Zener

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 Zenerνα μη γίνεται πολύ χαμηλό:

Άσκηση Για μία δίοδο Zener δίνεται ότι VZ=10V για IZ=10mA και rZ=50Ω. Να υπολογιστεί η VZ α) αν το ρεύμα διπλασιαστείκαι β) αν το ρεύμα υποδιπλασιαστεί. Ποια η τιμή VZ0 για τομοντέλο της διόδου.

Το μοντέλο της Zener

Φωτοδίοδοι

•Αν η περιοχή απογύμνωσης της διόδουεπαφής pn φωτιστεί από φως αρκετά υψηλήςσυχνότητας, τα φωτόνια μπορούν να δώσουναρκετή ενέργεια ώστε να επιτρέψουν σταηλεκτρόνια να περάσουν το ενεργειακό χάσματου ημιαγωγού και να δημιουργήσουν ζεύγηοπών-ηλεκτρονίων.

•Οι φωτοφωρατές μετατρέπουν το φως σεηλεκτρικό σήμα. Συνήθως πολώνονταιανάστροφα ώστε να αυξηθεί το εύρος τηςπεριοχής απογύμνωσης.

•Τα ηλιακά κύτταρα μετατρέπουν την ηλιακήενέργεια σε ηλεκτρική.

Δίοδοι Φωτοεκπομπής (LED)

•Όταν ηλεκτρόνια και οπέςεπανασυνδέονται, απελευθερώνουνενέργεια.

•Αυτή η ενέργεια συχνάαπελευθερώνεται σαν θερμότηταμέσα στον κρύσταλλο, αλλά σεμερικά υλικά μετατρέπεται σε φως.

•Κατασκευάζονται LED σε μεγάληπεριοχή μηκών κύματος.

•Το πλαστικό περίβλημα βοηθάειστην κατευθυντικότητα της δέσμης.

Κυκλώματα Ανορθωτών

ΑνορθωτήςΔιόδου

ΦίλτροΣταθερο-ποιητήςτάσης

Φόρτος

Σχηματικό διάγραμμα τροφοδοτικού DC

Ανορθωτής Ημικύματος ή Ημιανορθωτής

Χαρακτηριστική μεταφοράςτου 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 ταακόλουθα: α) Η δίοδος αρχίζει να άγει σε γωνία Θ=sin-1(VD0/Vs) και άγει συνολικάμέσα σε γωνία (π-2Θ). β) Η μέση τιμή της υΟ είναι VO=(1/π)Vs-VD0/2. γ) Η τιμήκορυφής 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

2VV

2Vcos2

2V

d2Vdsin

2V

d)VsinV(21

d)VsinV(21V

VsinVV)

0Ds0Ds

0 0

0Ds

00Ds

2

00DsO

0Ds0DS

−≈−=

=−=

=−=

=−=

−=−=

∫ ∫

∫

∫

ππ

πΘ

π

θπ

θθπ

θθπ

θθπ

θυυβ

π π

π

π

Ο

Ανορθωτής Πλήρους Κύματος ή Πλήρης Ανορθωτής

Χαρακτηριστική μεταφοράςτου ανορθωτή πλήρους κύματος

VD0VD0

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 τιςδιόδους το μοντέλο σταθερής τάσης, να υπολογιστούν: α) το ποσοστό τηςπεριόδου κατά το οποίο η τάση εξόδου υΟ παραμένει μηδενική και β) η μέση τιμήτης υΟ, όταν στην είσοδο εφαρμόζεται ημιτονικό σήμα τάσης.

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

VVT

0iVtt

−=

≈⇒≈⇒<<

−=→≈

=⇒=→=→

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 για

VVΔt)cos(V

≈

≈

−=

ω

ωω

ω

DavrpLmaxD

rpLDav

rlost

Cavsup

i2)V/2V21(Ii

)V/2V1(Ii

CVQ

tiQ

≈+=

+=

=

=

π

π

Δ

Ανορθωτής κορυφής πλήρους κύματος

)V2/V21(Ii

)V2/V1(Ii

fRC2V

V

rpLmaxD

rpLDav

pr

π

π

+=

+=

= Σε σύγκριση με τον ανορθωτή κορυφήςημικύματος:• Απαιτείται πυκνωτής με τη μισήχωρητικότητα.• Το ρεύμα σε κάθε δίοδο είναι περίπουτο μισό.

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

Περιορισμός ή Ψαλιδισμός

Κυκλώματα Περιορισμού - Ψαλιδισμού

Άσκηση: Να σχεδιαστεί η χαρακτηριστική μεταφοράςτου 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

άώά

V5

21

ΔυυίV5,2

2IRV5

R2V5IIR5VIR

άύά

V5

άέά

V5V5

Ι

ΟIOO

I

I

Ι

ΟIOO

I

I

IO

I

==⇒−=⇒+−=

+=⇒+−=

⇒

−≤•

==⇒+=⇒+=

−=⇒++=

⇒

≥•

=⇒

≤≤−•

Δσηκλυυυ

υυ

δοςκλτοςπρογει

υγια

Δσηκλυυυ

υυ

δοςκλτεροςδεογει

υγια

υυδοςκλναςκανγειδεν

υγια

Ι

Ι

Αποκατάσταση συνεχούς τάσης

Διπλασιασμός Τάσης