Ηλεκτρονική. Ενότητα: 3 Δίοδος. Αγγελική Αραπογιάννη Τμήμα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών

Transcript

1 Ηλεκτρονική Ενότητα: 3 Δίοδος Αγγελική Αραπογιάννη Τμήμα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς.

3 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Αθηνών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη 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.

4 Περιεχόμενα ενότητας (1/2) Η ιδανική δίοδος και η χρήση της. Η πραγματική χαρακτηριστική της διόδου πυριτίου. Τα γραμμικά μοντέλα της διόδου. Μοντέλο μικρού σήματος της διόδου και εφαρμογή του για τη χρήση της διόδου ως σταθεροποιητή. 4

5 Περιεχόμενα ενότητας (1/2) Δίοδος Zener και εφαρμογές της. Άλλοι τύποι διόδων: LE, φωτοδίοδοι, δίοδοι Schottky. Σημαντικές εφαρμογές των διόδων: ανόρθωση (απλή και πλήρης), ανόρθωση με φίλτρο RC,περιορισμός ή ψαλιδισμός, αποκατάσταση συνεχούς τάσης, διπλασιασμός τάσης. 5

6 Δίοδοι 6

7 Η ιδανική Δίοδος (1/2) Ορθή πόλωση Ανάστροφη πόλωση 7

8 Η ιδανική Δίοδος (2/2) Χαρακτηριστική τάσης ρεύματος της ιδανικής διόδου. 8

9 Εφαρμογή: Ο ιδανικός Ανορθωτής (1/3) Κύκλωμα Ανορθωτή 9

10 Εφαρμογή: Ο ιδανικός Ανορθωτής (2/3) Ορθή πόλωση Ανάστροφη πόλωση Ημιανόρθωση: C p 10

11 Εφαρμογή: Ο ιδανικός Ανορθωτής (3/3) Κυματομορφή Εισόδου Κυματομορφή Εξόδου 11

12 Κύκλωμα διόδου αντίστασης (1/2) Το κύκλωμα διόδου με αντίσταση σε σειρά Χαρακτηριστική μεταφοράς του κυκλώματος 12

13 Κύκλωμα διόδου αντίστασης (2/2) Κυματομορφή Εισόδου Κυματομορφή τάσης στα άκρα της διόδου 13

14 Παράδειγμα 1: Φόρτιση μπαταρίας Κύκλωμα φόρτισης μπαταρίας 12 Η δίοδος άγει όσο υ s >12. Αυτό συμβαίνει για γωνία αγωγής 2θ όπου: 24cosθ=12 => θ=60 0 (1/2) 14

15 Παράδειγμα 1: Φόρτιση μπαταρίας Κυματομορφές τάσης εισόδου και ρεύματος Η μέγιστη τιμή του ρεύματος της διόδου είναι: (2/2) d ( ) A Η μέγιστη τάση ανάστροφης πόλωσης της διόδου ισούται με: P=24+12=36 15

16 Λογικές Πύλες με Διόδους Πύλη OR: Y=A+B+C 3mA Y 3 Πύλη AN: Y=A B C 4mA Y 1 16

17 Χαρακτηριστική Διόδου Πυριτίου Στατική Χαρακτηριστική της Διόδου i s exp 1 T 0.5 => Τάση αποκοπής 0.7 => Τάση ορθής πόλωσης T kt q 1ή 2 25m 17

18 Επίδραση της θερμοκρασίας στη χαρακτηριστική ορθής πόλωσης της διόδου Για σταθερό ρεύμα, η τάση ορθής πόλωσης της διόδου ελαττώνεται κατά 2m για κάθε βαθμό Κελσίου αύξηση της θερμοκρασίας. 18

19 Ανάλυση Κυκλωμάτων Διόδων (1/2) C Ανάλυση Χαρακτηριστική της διόδου Q (σημείο λειτουργίας) Ευθεία φόρτου Κλίση Χαρακτηριστική της Διόδου: Ευθεία φόρτου: R s exp T R Το σημείο λειτουργίας Q βρίσκεται από τη λύση του συστήματος. 19

20 Ανάλυση Κυκλωμάτων Διόδων (2/2) Μεταβολή Τάσης Πόλωσης Μεταβολή Αντίστασης 20

21 Απλουστευμένα Μοντέλα Διόδων (1/4) Το κατά τμήματα Γραμμικό Μοντέλο 21

22 Απλουστευμένα Μοντέλα Διόδων Ισοδύναμο κύκλωμα διόδου με αντίσταση (2/4) 0 για r 0 για

23 Απλουστευμένα Μοντέλα Διόδων (3/4) 23

24 Παράδειγμα 2 Αν =5, 0 =0.65, R=1kΩ και r =20Ω, να υπολογιστούν τα Ι και. Ιδανική Δίοδος r 0 R 0 r (5-0.65) 4.26mA 20Ω 1kΩ mA

25 Απλουστευμένα Μοντέλα Διόδων (4/4) Το Μοντέλο Σταθερής Πτώσης Τάσης Ευθ. Τμ. Β (κατακόρυφο) Ιδανική Δίοδος Ευθ. Τμ. Α (οριζόντιο) 25

26 Απλουστευμένα Μοντέλα Διόδων Σύνοψη 26

27 Μοντέλο Μικρού Σήματος της Διόδου (1/2) Η συνολική στιγμιαία τάση της διόδου είναι: Αντίστοιχα το συνολικό στιγμιαίο ρεύμα: ) (t ) t ( d T d T d T T d T / υ / υ / s )/ υ ( s / υ s e e e e e ) (t i 27

28 Μοντέλο Μικρού Σήματος της Διόδου (2/2) Αντίσταση μικρού σήματος ή δυναμική αντίσταση της διόδου. d d d T d d d T T d T d υ r 1 υ η i i υ η ) (t i ) η υ (1 ) (t i 1 Αν i d d d i r g r 1 η T 28

29 Λειτουργία Μικρού Σήματος της Διόδου (1/2) Πραγματικό κύκλωμα Ισοδύναμο κύκλωμα 29

30 Λειτουργία Μικρού Σήματος της Διόδου (2/2) Κύκλωμα για C ανάλυση R Κύκλωμα για AC ανάλυση s d i d ( R s rd R r r d d ) 30

31 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. r d dpp T R 2 rd R r d π.χ.αν ( 101), 0. 7 & R 20k dpp 10. 7m 31

32 Λειτουργία στην περιοχή κατάρρευσης Δίοδοι Zener (1/2) ZK, ZK : «γόνατο» της χαρακτηριστικής Ι ΖΤ : ρεύμα δοκιμής r Z =Δ/Δ : δυναμική αντίσταση Z0 : σημείο τομής της ευθείας με τον άξονα των τάσεων ~ ZK 32

33 Λειτουργία στην περιοχή κατάρρευσης Δίοδοι Zener (2/2) Ισοδύναμο Κύκλωμα της Zener Z Z 0 Z Z r Z ZK Z Z 0 33

34 Παράλληλος σταθεροποιητής τάσης R L με Zener + Z s O - Φόρτος Ρύθμιση γραμμής = Δ Ο /Δ S Ρύθμιση φορτίου = Δ O /Δ L O Z 0 R R r Ρύθμιση γραμμής Z S rz R r rz R r Z Z L ( r Z //R) Ρύθμιση φορτίου r Z //R Επιλογή της αντίστασης R ώστε το ρεύμα της Zener να μη γίνεται πολύ χαμηλό: R S min Z 0 Z min r Z L max Z min 34

35 Άσκηση 1 Για μία δίοδο Zener δίνεται ότι Z =10 για Z =10mA και r Z =50Ω. Να υπολογιστεί η Z a) αν το ρεύμα διπλασιαστεί και b) αν το ρεύμα υποδιπλασιαστεί. Ποια η τιμή Z0 για το μοντέλο της διόδου. Το μοντέλο της Zener 35

36 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. 36

37 Δίοδοι Φωτοεκπομπής (LE) 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 LE σε μεγάλη περιοχή μηκών κύματος. Το πλαστικό περίβλημα βοηθάει στην κατευθυντικότητα της δέσμης 37

38 Κυκλώματα Ανορθωτών Σχηματικό διάγραμμα τροφοδοτικού C 38

39 Ανορθωτής Ημικύματος ή Ημιανορθωτής (1/3) 0 S 0 S O 0 S O, r R R r R R 0, 0.7 R r 0 0 S O 39

40 Ανορθωτής Ημικύματος ή Ημιανορθωτής (2/3) Χαρακτηριστική μεταφοράς του ανορθωτή ημικύματος 40

41 Ανορθωτής Ημικύματος ή Ημιανορθωτής (3/3) Σημαντικά χαρακτηριστικά: Μέγιστο ρεύμα ορθής πόλωσης Μέγιστη τάση ανάστροφης πόλωσης P=s 41

42 Άσκηση 2 (1/2) Για τον ημιανορθωτή, θεωρώντας ότι r =0, να αποδειχθούν τα ακόλουθα: a) Η δίοδος αρχίζει να άγει σε γωνία Θ=sin 1 ( 0 / s ) και άγει συνολικά μέσα σε γωνία (π 2Θ). b) H μέση τιμή της υ Ο είναι O =(1/π) s 0 /2. c) Η τιμή κορυφής του ρεύματος είναι ( s 0 )/R. Λύση: ) sin 0 0 sin sin a 1 s 0 s s Η δίοδος παύει να άγει για π Θ => Ολική αγώγιμη γωνία= (π Θ) Θ=π 2Θ 42

43 Άσκηση 2 (2/2) 2 2 2cos 2 2 sin 2 ) sin ( 2 1 ) sin ( 2 1 sin ) s s s s s O s S d d d d b R R i R i c s d S S ) 43

44 Ανορθωτής Πλήρους Κύματος ή Πλήρης Ανορθωτής (1/2) Χαρακτηριστική μεταφοράς του ανορθωτή πλήρους κύματος 44

45 Ανορθωτής Πλήρους Κύματος ή Πλήρης Ανορθωτής (2/2) P ( s 0 ) s 2 s 0 45

46 Ανορθωτής Γέφυρας (1/2) Δεν χρειάζεται μετασχηματιστής με μεσαία λήψη. 3 P ( ά ) s O s 2 - (ορθή) 0 46

47 Ανορθωτής Γέφυρας (2/2) Πλεονεκτήματα: Μικρό P Περίπου μισές σπείρες δευτερεύοντος 47

48 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 υ Ο παραμένει μηδενική και b) η μέση τιμή της υ Ο, όταν στην είσοδο εφαρμόζεται ημιτονικό σήμα τάσης. 48

49 Άσκηση 4 Το κύκλωμα του σχήματος υλοποιεί έναν ανορθωτή συμπληρωματικής εξόδου. Σχεδιάστε τις κυματομορφές εξόδου υ ο+ και υ ο. Θεωρείστε για τις διόδους το μοντέλο σταθερής τάσης με =0,7. Αν η μέση τιμή της τάσης για κάθε έξοδο πρέπει να είναι 15, να υπολογιστεί το πλάτος του ημιτόνου στα δευτερεύοντα τυλίγματα του μετασχηματιστή. Ποιο είναι το P για κάθε δίοδο; 49

50 Ανορθωτής με Φίλτρο Πυκνωτή Χρησιμοποιείται πυκνωτής για μείωση της κυμάτωσης. Ιδανική δίοδος και ιδανικός πυκνωτής. 50

51 Ανορθωτής με Φίλτρο RC (1/3) Ιδανική δίοδος και RC>>T. Η δίοδος άγει κατά Δt, όπου: L L C O L i dt d C i i i R i r p O p L O p r r p O p O R T i t t 2 1 ή ακριβέστερα C

52 Ανορθωτής με Φίλτρο RC (2/3) O Υπολογισμός του ρεύματος της διόδου Κατά την αποκοπή: p e t / RC στο τέλος ό: p για r p e T / RC RC T e T / RC 1 T RC r p T RC p frc p για cos( Δt) μικρά (ωδt) p r cos( Δt) 1- Δt 2 r / 1 ( Δt) 2 p 2 52

53 Ανορθωτής με Φίλτρο RC (3/3) Ο αγώγιμος χρόνος Δt υπολογίζεται από την: Q sup i Cav t Q lost C r i av L (1 2 p / r ) i max L (1 2 2 p / r ) 2i av 53

54 Ανορθωτής κορυφής πλήρους κύματος (1/2) Σε σύγκριση με τον ανορθωτή κορυφής ημικύματος: Απαιτείται πυκνωτής με τη μισή χωρητικότητα. (1 Το ρεύμα σε κάθε δίοδο είναι περίπου το μισό. imax L(1 2 p / 2r ) i r av 2 frc L p p / 2 r ) 54

55 Ανορθωτής κορυφής πλήρους κύματος (2/2) Εφαρμογές: Φωρατής κορυφής (Peak etector) Αποδιαμορφωτής ΑΜ 55

56 Περιορισμός ή Ψαλιδισμός 56

57 Κυκλώματα Περιορισμού Ψαλιδισμού 57

58 Άσκηση 5 (1/2) Να σχεδιαστεί η χαρακτηριστική μεταφοράς του κυκλώματος αν οι δίοδοι θεωρηθούν ιδανικές 58

59 Άσκηση 5 (2/2) Λύση: 2 1 Δυ υ 2, R 5 R Δυ υ 2, R 5 R Ι Ο Ι Ο ί R R ά ώ ά ί R R ά ύ ά ά έ ά O O O O O 59

60 Αποκατάσταση συνεχούς τάσης 60

61 Διπλασιασμός Τάσης 61

62 Τέλος Ενότητας