Transcript Ενότητα 3: Δίοδοι (PPT)

Ηλεκτρονική
Ενότητα 3: Δίοδος
Αγγελική Αραπογιάννη
Τμήμα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών
Περιεχόμενα ενότητας (1/2)
• Η ιδανική δίοδος και η χρήση της.
• Η πραγματική χαρακτηριστική I-V της διόδου
πυριτίου.
• Τα γραμμικά μοντέλα της διόδου.
• Μοντέλο μικρού σήματος της διόδου και
εφαρμογή του για τη χρήση της διόδου ως
σταθεροποιητή.
Ενότητα 3: Δίοδος
2
Περιεχόμενα ενότητας (1/2)
• Δίοδος Zener και εφαρμογές της.
• Άλλοι τύποι διόδων: LED, φωτοδίοδοι, δίοδοι
Schottky.
• Σημαντικές εφαρμογές των διόδων:
ανόρθωση (απλή και πλήρης), ανόρθωση με
φίλτρο RC,περιορισμός ή ψαλιδισμός,
αποκατάσταση συνεχούς τάσης,
διπλασιασμός τάσης.
Ενότητα 3: Δίοδος
3
Δίοδοι
Ενότητα 3: Δίοδος
4
Η ιδανική Δίοδος (1/2)
Ορθή πόλωση
Ενότητα 3: Δίοδος
Ανάστροφη πόλωση
5
Η ιδανική Δίοδος (2/2)
Χαρακτηριστική τάσης ρεύματος της ιδανικής
διόδου.
Εφαρμογή: Ο ιδανικός Ανορθωτής
(1/3)
Κύκλωμα Ανορθωτή
Εφαρμογή: Ο ιδανικός Ανορθωτής
(2/3)
Ορθή πόλωση
Ημιανόρθωση:
Ενότητα 3: Δίοδος
Ανάστροφη πόλωση
VDC 
Vp

8
Εφαρμογή: Ο ιδανικός Ανορθωτής
(3/3)
Κυματομορφή Εισόδου
Ενότητα 3: Δίοδος
Κυματομορφή Εξόδου
9
Κύκλωμα διόδου-αντίστασης (1/2)
Το κύκλωμα διόδου με
αντίσταση σε σειρά
Ενότητα 3: Δίοδος
Χαρακτηριστική μεταφοράς του
κυκλώματος
10
Κύκλωμα διόδου-αντίστασης (2/2)
Κυματομορφή Εισόδου
Ενότητα 3: Δίοδος
Κυματομορφή τάσης στα άκρα της
διόδου
11
Παράδειγμα 1: Φόρτιση μπαταρίας
(1/2)
Κύκλωμα φόρτισης
μπαταρίας 12V
Η δίοδος άγει όσο υs>12V.
Αυτό συμβαίνει για γωνία
αγωγής 2θ όπου:
24cosθ=12 => θ=600
Παράδειγμα 1: Φόρτιση μπαταρίας
(2/2)
Κυματομορφές τάσης
εισόδου και ρεύματος
Η μέγιστη τιμή του
ρεύματος της διόδου είναι:
( 24  12 )V
Id 
 0.12 A
100 
Η μέγιστη τάση ανάστροφης
πόλωσης της διόδου ισούται
με:
PIV=24V+12V=36V
Λογικές Πύλες με Διόδους
Πύλη OR: Y=A+B+C
I  3m A
Y  3V
Ενότητα 3: Δίοδος
Πύλη AND: Y=A∙B∙C
I  4m A
Y  1V
14
Χαρακτηριστική I-V Διόδου Πυριτίου
Στατική
Χαρακτηριστική
I-V της Διόδου
0.5V => Τάση αποκοπής
0.7V => Τάση ορθής
πόλωσης
kT
 25m V
q
  1ή 2
VT 
 
iD  I s exp D
  VT
 
  1
 
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 (1/2)
DC Ανάλυση
Χαρακτηριστική
της διόδου
Q (σημείο λειτουργίας)
Ευθεία φόρτου
Κλίση
Χαρακτηριστική της Διόδου:
 VD
I D  I s exp 
 VT
Ευθεία φόρτου: VDD  I D R  VD  I D 
Ενότητα 3: Δίοδος



VDD  VD
R
Το σημείο λειτουργίας Q
βρίσκεται από τη λύση του
συστήματος.
17
Ανάλυση Κυκλωμάτων Διόδων (2/2)
Μεταβολή Τάσης Πόλωσης
Ενότητα 3: Δίοδος
Μεταβολή Αντίστασης
18
Απλουστευμένα Μοντέλα Διόδων
(1/4)
Το κατά τμήματα Γραμμικό Μοντέλο
Απλουστευμένα Μοντέλα Διόδων
(2/4)
Ισοδύναμο κύκλωμα
διόδου με αντίσταση
I D  0 για VD  VD0
ID 
VD  VD0
για VD  VD0
rD
Απλουστευμένα Μοντέλα Διόδων
(3/4)
Ενότητα 3: Δίοδος
21
Παράδειγμα 2
Αν VDD=5V, VD0=0.65V, R=1kΩ και rD=20Ω, να
υπολογιστούν τα ΙD και VD.
Ιδανική Δίοδος
ID 
VDD  VD0 (5 - 0.65)V

 4.26mA
rD  R
20Ω  1kΩ
VD  VD0  I D rD  0.65V  4.26m A 20  0.735V
Ενότητα 3: Δίοδος
22
Απλουστευμένα Μοντέλα Διόδων
(4/4)
Το Μοντέλο Σταθερής Πτώσης Τάσης
Ευθ. Τμ. Β
(κατακόρυφο)
Ιδανική
Δίοδος
Ευθ. Τμ. Α
(οριζόντιο)
Ενότητα 3: Δίοδος
23
Απλουστευμένα Μοντέλα ΔιόδωνΣύνοψη
Ενότητα 3: Δίοδος
24
Μοντέλο Μικρού Σήματος της Διόδου
(1/2)
Η συνολική στιγμιαία τάση της
διόδου είναι:
D ( t )  VD  d ( t )
Αντίστοιχα το συνολικό
στιγμιαίο ρεύμα:
iD ( t )  I s eυD / VT  I s e(VD υd ) / VT 
 I s eVD / VT  eυd / VT  I D eυd / VT
Ενότητα 3: Δίοδος
25
Μοντέλο Μικρού Σήματος της Διόδου
(2/2)
d
υd
Αν
 1  iD ( t )  I D (1 
)
VT
ηVT
ID
 iD ( t )  I D 
υd  I D  id
ηVT
ID
1
 id 
υd  υd
ηVT
rd
Ενότητα 3: Δίοδος
rd 
ηVT
ID
gd 
1 iD

rd  D
Αντίσταση μικρού σήματος ή
δυναμική αντίσταση της διόδου.
iD  I D
26
Λειτουργία Μικρού Σήματος της
Διόδου (1/2)
Πραγματικό κύκλωμα
Ενότητα 3: Δίοδος
Ισοδύναμο κύκλωμα
27
Λειτουργία Μικρού Σήματος της
Διόδου (2/2)
Κύκλωμα για DC ανάλυση
VDD  I D R  VD
Ενότητα 3: Δίοδος
Κύκλωμα για AC ανάλυση
 s  id ( R  rd )
rd
d  s
R  rd
28
Χρήση της Διόδου για σταθεροποίηση
τάσης
Σε ένα σταθεροποιητή τάσης, η τάση εξόδου πρέπει να διατηρείται σταθερή:
a)
παρά τις μεταβολές του ρεύματος φόρτου
b) παρά τις μεταβολές της τροφοδοσίας του σταθεροποιητή.
VDD  VD
R
V
rd  T
ID
ID 
 dpp  2VDD
rd
R  rd
π.χ.αν VDD  (10  1)V , VD  0.7V
&
R  20k 
dpp  10.7 mV
Ενότητα 3: Δίοδος
29
Λειτουργία στην περιοχή
κατάρρευσης- Δίοδοι Zener (1/2)
VZK, IZK : «γόνατο» της
χαρακτηριστικής
ΙΖΤ : ρεύμα δοκιμής
rZ=ΔV/ΔI : δυναμική
αντίσταση
VZ0: σημείο τομής της
ευθείας με τον άξονα των
τάσεων ~VZK
Ενότητα 3: Δίοδος
30
Λειτουργία στην περιοχή
κατάρρευσης- Δίοδοι Zener (2/2)
Ισοδύναμο Κύκλωμα της Zener
VZ  VZ 0  I Z rZ
 I Z  I ZK  VZ  VZ 0
Ενότητα 3: Δίοδος
31
Παράλληλος σταθεροποιητής τάσης
με Zener
Ρύθμιση γραμμής = ΔVΟ/ΔVS
Ρύθμιση φορτίου = ΔVO/ΔIL
R
rZ
 VS
 I L ( rZ //R)
R  rZ
R  rZ
rZ
Ρύθμιση γραμμής 
R  rZ
VO  VZ 0
Ρύθμιση φορτίου  rZ //R
V
 VZ 0  rZ I Z min
Επιλογή της αντίστασης R ώστε το ρεύμα της Zener
R  S min
να μη γίνεται πολύ χαμηλό:
I Z min  I L max
Ενότητα 3: Δίοδος
32
Άσκηση 1
Για μία δίοδο Zener δίνεται ότι VZ=10V για IZ=10mA και
rZ=50Ω. Να υπολογιστεί η VZ
a) αν το ρεύμα διπλασιαστεί και
b) αν το ρεύμα υποδιπλασιαστεί. Ποια η τιμή VZ0 για το
μοντέλο της διόδου.
Το μοντέλο της Zener
Ενότητα 3: Δίοδος
33
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.
Ενότητα 3: Δίοδος
34
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
Ενότητα 3: Δίοδος
35
Κυκλώματα Ανορθωτών
Σχηματικό διάγραμμα τροφοδοτικού DC
Ανορθωτής Ημικύματος ή
Ημιανορθωτής (1/3)
VO  0 , VS  VD0
VO  VS

Ενότητα 3: Δίοδος
R
R
 VD0
, VS  VD0
R  rD
R  rD
rD  R  O  S  VD0

VD0  0.7V
37
Ανορθωτής Ημικύματος ή
Ημιανορθωτής (2/3)
Χαρακτηριστική μεταφοράς του
ανορθωτή ημικύματος
Ενότητα 3: Δίοδος
38
Ανορθωτής Ημικύματος ή
Ημιανορθωτής (3/3)
Σημαντικά
χαρακτηριστικά:
• Μέγιστο ρεύμα ορθής
πόλωσης
• Μέγιστη τάση
ανάστροφης πόλωσης
PIV=Vs
Ενότητα 3: Δίοδος
39
Άσκηση 2 (1/2)
Για τον ημιανορθωτή, θεωρώντας ότι rD=0, να αποδειχθούν τα ακόλουθα:
a)
Η δίοδος αρχίζει να άγει σε γωνία Θ=sin-1(VD0/Vs) και άγει συνολικά μέσα
σε γωνία (π-2Θ).
b) H μέση τιμή της υΟ είναι VO=(1/π)Vs-VD0/2.
c)
Η τιμή κορυφής του ρεύματος είναι (Vs-VD0)/R.
Λύση:
a)
Vs sin   VD 0  sin  
V 
VD 0
   sin 1  D 0 
Vs
 Vs 
Η δίοδος παύει να άγει για π-Θ =>
Ολική αγώγιμη γωνία= (π-Θ)-Θ=π-2Θ
Ενότητα 3: Δίοδος
40
Άσκηση 2 (2/2)
b)
   S  VD 0  Vs sin   VD 0
1
VO 
2
2
 (V sin   V
s
D0
)d 
0

1

(Vs sin   VD 0 )d 
2 0


V
V
 s  sin d  D 0  d 
2 0
2 0

c)
Ενότητα 3: Δίοδος
Vs
V
V V
2 cos   D 0   s  D 0
2
2

2
 S  VD 0  iD R  iD 
 S  VD 0
R
 Id 
Vs  VD 0
R
41
Ανορθωτής Πλήρους Κύματος ή
Πλήρης Ανορθωτής (1/2)
Χαρακτηριστική μεταφοράς
του ανορθωτή πλήρους κύματος
Ενότητα 3: Δίοδος
42
Ανορθωτής Πλήρους Κύματος ή
Πλήρης Ανορθωτής (2/2)
PIV  ( Vs  VD0 )  Vs  2Vs  VD0
Ενότητα 3: Δίοδος
43
Ανορθωτής Γέφυρας (1/2)
Δεν χρειάζεται
μετασχηματιστής με
μεσαία λήψη.
 D3 ( ά )  O   D2 (ορθή)
PIV  Vs - 2VD0  VD0  Vs - VD0
Ανορθωτής Γέφυρας (2/2)
• Πλεονεκτήματα:
• Μικρό PIV
• Περίπου μισές σπείρες δευτερεύοντος
Ενότητα 3: Δίοδος
45
Άσκηση 3
Για τον ανορθωτή γέφυρας
του σχήματος, θεωρώντας για
τις διόδους το μοντέλο
σταθερής τάσης, να
υπολογιστούν:
a) το ποσοστό της περιόδου
κατά το οποίο η τάση
εξόδου υΟ παραμένει
μηδενική και
b) η μέση τιμή της υΟ, όταν
στην είσοδο εφαρμόζεται
ημιτονικό σήμα τάσης.
Ενότητα 3: Δίοδος
46
Άσκηση 4
Το κύκλωμα του σχήματος
υλοποιεί έναν ανορθωτή
συμπληρωματικής 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. Ποιο είναι το
PIV για κάθε δίοδο;
Ενότητα 3: Δίοδος
47
Ανορθωτής με Φίλτρο Πυκνωτή
Χρησιμοποιείται πυκνωτής για μείωση της
κυμάτωσης.
Ιδανική δίοδος και ιδανικός πυκνωτής.
Ανορθωτής με Φίλτρο RC (1/3)
Ιδανική δίοδος και RC>>T.
O
iL 
R
iD  iC  iL  C
d I
 iL
dt
Η δίοδς άγει κατά Δt όπου :
t1   I  O
t 2   I  V p  iD  0
 T  O  V p  Vr
Vr  V p  O   .  DC
Ενότητα 3: Δίοδος
1
ή ακριβέστερα VO  V p  Vr
2
IL 
Vp
R
49
Ανορθωτής με Φίλτρο RC (2/3)
Υπολογισμός του ρεύματος
της διόδου
Κατά την αποκοπή:
O  V p e t / RC
στ ο τ έλ ος ό:
V p  Vr  V p e T / RC
για RC  T  e T / RC  1 
Vp
T
T
 Vr  V p

RC
RC fRC
V p cos(Δt)  V p  Vr
για μικρά (ωΔt)
1
cos(Δt)  1 - ( Δt) 2
2
Δt  2Vr / V p
Ενότητα 3: Δίοδος
50
Ανορθωτής με Φίλτρο RC (3/3)
Ο αγώγιμος χρόνος Δt
υπολογίζεται από την:
Qsup  iCav t
Qlost  CVr
iDav  I L ( 1   2Vp / Vr )
iD max  I L ( 1  2 2Vp / Vr )  2iDav
Ενότητα 3: Δίοδος
51
Ανορθωτής κορυφής πλήρους
κύματος (1/2)
Vp
Σε σύγκριση με τον ανορθωτή κορυφής ημικύματος: Vr  2 fRC
•
Απαιτείται πυκνωτής με τη μισή χωρητικότητα.
iDav  I L ( 1   V p / 2Vr )
•
Το ρεύμα σε κάθε δίοδο είναι περίπου το μισό.
iD max  I L ( 1  2 V p / 2Vr )
Ενότητα 3: Δίοδος
52
Ανορθωτής κορυφής πλήρους
κύματος (2/2)
Εφαρμογές:
• Φωρατής κορυφής (Peak Detector)
• Αποδιαμορφωτής ΑΜ
Ενότητα 3: Δίοδος
53
Περιορισμός ή Ψαλιδισμός
Ενότητα 3: Δίοδος
54
Κυκλώματα Περιορισμού –
Ψαλιδισμού
Ενότητα 3: Δίοδος
55
Άσκηση 5 (1/2)
Να σχεδιαστεί η
χαρακτηριστική
μεταφοράς του
κυκλώματος αν οι δίοδοι
θεωρηθούν ιδανικές
Ενότητα 3: Δίοδος
56
Άσκηση 5 (2/2)
Λύση:
   5V   I  5V
 ά έ ά  O   I
   I  5V
ά  ύ ά 
  5V
  IR  5V  IR  I  I
2R
O  5V  IR  O 
I
 2,5V  ί 
2
υ Ο 1

Δυ Ι 2
   I  5V
ά  ώ ά 
  IR  5V  IR  I 
O  5V  IR  O 
Ενότητα 3: Δίοδος
 I  5V
I
2
2R
 2,5V  ί 
υ Ο 1

Δυ Ι 2
57
Αποκατάσταση συνεχούς τάσης
Ενότητα 3: Δίοδος
58
Διπλασιασμός Τάσης
Ενότητα 3: Δίοδος
59
Τέλος Ενότητας
Χρηματοδότηση
• Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στo πλαίσιo του
εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα.
• Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Αθηνών»
έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού
υλικού.
• Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος
«Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την
Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς
πόρους.
Ενότητα 3: Δίοδος
61
Σημειώματα
Σημείωμα Ιστορικού Εκδόσεων Έργου
Το παρόν έργο αποτελεί την έκδοση 1.01.
Ενότητα 3: Δίοδος
63
Σημείωμα Αναφοράς
Copyright Εθνικόν και Καποδιστριακόν Πανεπιστήμιον Αθηνών, Αραπογιάννη
Αγγελική 2014. «Ηλεκτρονική. Ενότητα 3: Δίοδοι». Έκδοση: 1.01. Αθήνα 2014.
Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση:
http://opencourses.uoa.gr/courses/DI4/
Ενότητα 3: Δίοδος
64
Σημείωμα Αδειοδότησης
Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons
Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής
Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα
κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους
όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων».
[1] http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση:
• που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για
το διανομέα του έργου και αδειοδόχο
• που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση
στο έργο
• που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος
(π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο
Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για
εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί.
Ενότητα 3: Δίοδος
65
Διατήρηση Σημειωμάτων
Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει
να συμπεριλαμβάνει:
 το Σημείωμα Αναφοράς
 το Σημείωμα Αδειοδότησης
 τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων
 το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει)
μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους.
Ενότητα 3: Δίοδος
66