Δίοδοι

Η ιδανική Δίοδος

Χαρακτηριστική τάσης ρεύματος της ιδανικής διόδου. Ορθή πόλωση

Ανάστροφη πόλωση

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

Απλουστευμένα Μοντέλα Διόδων-Σύνοψη

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

Περιορισμός ή Ψαλιδισμός

Κυκλώματα Περιορισμού - Ψαλιδισμού

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

Αποκατάσταση συνεχούς τάσης

Διπλασιασμός Τάσης