ΤΕΙ - ΧΑΛΚΙ ΑΣ 4. ΕΙ ΙΚΕΣ ΙΟ ΟΙ. ίοδος zener. Χαρακτηριστική καµπύλη διόδου zener. Χαρακτηριστική καµπύλη διόδου Zener

Transcript

1 4. Ειδικές ίοδοι - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 1 4. ΕΙ ΙΚΕΣ ΙΟ ΟΙ ίοδος zener Χαρακτηριστική καµπύλη διόδου zener Τάση Zener ( V για µια απλή δίοδο) -V Άνοδος Ι -Ι Κάθοδος V Τάση zener V Z I Ζ 0,7V I Zmin I Zmax Χαρακτηριστική καµπύλη διόδου Zener V Ζ

2 4. Ειδικές ίοδοι - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 2 Ορθή πόλωση: σαν απλή δίοδος Ανάστροφη πόλωση: ρεύµα σταθερό και µικρό στην αρχή, απότοµα µεγάλο µετά τάση Zener V Z. Τάση στα άκρα διόδου παραµένει σταθερή=v Z ανάµεσα σε Ιz min και Iz max. ίοδοι Ζener: όταν πολωθούν ανάστροφα, κρατούν την τάση στα άκρα τους σταθερή, ανεξάρτητα των µεταβολών του ρεύµατος που τις διαρρέει

3 4. Ειδικές ίοδοι - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 3 Χαρακτηριστικά µεγέθη διόδου zener ίνονται από τους κατασκευαστές. Υπάρχουν στα φύλλα δεδοµένων (data sheets). Tάση zener V Ζ zener. τάση που σταθεροποιεί η Ρεύµα λειτουργίας zener I ZT Η τιµή του ρεύµατος που αντιστοιχεί στην τάση V Z. Μέγιστο ρεύµα zener I Zmax Το µέγιστο ρεύµα που µπορεί να περάσει από τη zener χωρίς αυτή να καταστραφεί. Η µέγιστη ισχύς zener Ρ D την οποία καταναλώνει η δίοδος. Η ονοµαστική ισχύ Ισχύει: P D = I Zmax V Z. Στο εµπόριο υπάρχουν δίοδοι zener µε ισχύ από 0,25 W έως 50 W

4 4. Ειδικές ίοδοι - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 4 To ελάχιστο ρεύµα zener Ι Ζnin. Το ελάχιστο ρεύµα για τη λειτουργία της διόδου.. To ανάστροφο ρεύµα zener I R Το ανάστροφο ρεύµα που αντιστοιχεί σε τάσεις V R µικρότερες της V Z. Η δυναµική αντίσταση Ζ ΖΤ. Είναι Z = ZT V Ι Z Ζ

5 4. Ειδικές ίοδοι - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 5

6 4. Ειδικές ίοδοι - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 6 Σταθεροποιητής τάσης µε zener 10 V + - (a) R Zener (V Z =3 V) 9 V V 3 V (γ) R Zener (V Z =3 V) 11 V V 3 V (β) R Zener (V Z =3 V) 8 V 3 V Η τάση στα άκρα της διόδου παραµένει σταθερή και ίση µε V Z, παρά τη µεταβολή της τάσης τροφοδοσίας

7 4. Ειδικές ίοδοι - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 7 R S ιακρίνουµε δύο είδη: σταθεροποιητής γραµµής (σταθερό Ι L, µεταβάλλεται η V 1 ) Ισχύει: V 1 Ι 1 = Ι z + Ι L, V 1 = I 1 R s + Vz V + 1 = (IZ + IL )RS VZ Όταν V 1 µεταβάλλεται, επειδή I L, R S σταθερά, θα µεταβληθούν τα I Z και V Z.. είναι Εφόσον οι µεταβολές του I Z περιοριστούν ανάµεσα σε I Zmin και I Zmax, η V Z, δεν αλλάζει και επειδή V out =V Z συµπεραίνουµε ότι: I 1 I Z V Z I L Σταθεροποιητής Zener R L

8 4. Ειδικές ίοδοι - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 8 παρά τις µεταβολές της τάσης εισόδου, η τάση στα άκρα του φορτίου παραµένει σταθερή. σταθεροποιητής φορτίου (σταθερή V 1, Είναι µεταβάλλεται το ρεύµα Ι L ) I L V1 VZ = I1 IZ = IZ. Όταν Ι L RS µεταβάλλεται, επειδή V 1, R S είναι σταθερά θα µεταβληθούν τα I Z και V Z.. Εφόσον µεταβολές του I Z περιοριστούν ανάµεσα στις τιµές I Zmin και I Zmax, V Z δεν αλλάζει και επειδή V out =V Z συµπεραίνουµε ότι: παρά τις µεταβολές του ρεύµατος φορτίου η τάση στα άκρα του παραµένει σταθερή.

9 4. Ειδικές ίοδοι - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 9 Παράδειγµα Ποιες είναι οι οριακές τιµές της V in για τις οποίες η τάση εξόδου V out του σταθεροποιητή γραµµής, παραµένει σταθερή. Για τη δίοδο zener 1N4736 δίνονται: V Z =5,1 V, I Zmin =1 ma, Z ZΤ =7 Ω και P D =1 W. V in R S 100 Ω 1N4736 V out V in R S 100 Ω I 7 Ω 5,1 Iσοδύναµο V out

10 4. Ειδικές ίοδοι - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 10 Λύση Θεωρούµε Ζ Ζ =σταθερή=7ω Ισχύει Είναι V = IR + V. in in(min) ολ Z(min) out V = I R + ολ V out = 1 ma( )Ω + 5,1V = 5,207V Επίσης και επειδή άρα V = I R + in(max) I Z(max) P ολ 1W 5,1V V D Z (max) = = = VZ out 196mA V in (max) = 196mA 107Ω + 5,1V = 26,07V

11 4. Ειδικές ίοδοι - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 11 Παράδειγµα Ποιες οι οριακές τιµές της R L για τις οποίες η V out παραµένει σταθερή. ίνεται: V Z =3,3 V, zener I Zmin =1 ma, I Zmax =150 ma και Z Z =0 Ω.

12 4. Ειδικές ίοδοι - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 12 Λύση Είναι I VZ R L = ή min I Lmax VZ I L =. Επίσης max R Lmin Vin - VZ 24 V - 3,3V = I = = 44 mα. Είναι όµως R 470 Ω I = I Z + I L. Όταν το Ι L λάβει τη µέγιστη τιµή του, εφόσον το Ι παραµένει σταθερό, το Ι Ζ θα λάβει την ελάχιστη. ηλ. I = I Z + I. min Αντικατάσταση του I L max R V 3,3 V L max V Z = IZmn ή RL I + Z L min = = = I IZ min 44 ma - 1 ma min 76,7 Ω Η µέγιστη τώρα τιµή της R L αντιστοιχεί στην ελάχιστη τιµή του I L. ηλ. είναι: V I Z L =. Τότε το ρεύµα της zener min R Lmax λαµβάνει τη µέγιστη τιµή του η οποία όµως δεν

13 4. Ειδικές ίοδοι - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 13 µπορεί να είναι µεγαλύτερη από 44 ma που είναι το συνολικό ρεύµα του κυκλώµατος, δηλ. I = I + I = 44 ma + Zmax Lmin I Lmin Ι=44 ma, άρα η παραπάνω γίνεται I Lmin.Είναι όµως και 44 ma = 44 ma +. Η σχέση αυτή ισχύει I min µόνο εφόσον L = 0 και επειδή VZ I L = R = min L R max. Τελικά η V out Lmax διατηρείται σταθερή για 47 Ω R L

14 4. Ειδικές ίοδοι - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 14 Σχέσεις ισχύος στο κύκλωµα σταθεροποίησης Zener Ο προσδιορισµός των τιµών των εξαρτηµάτων δεν αρκεί. Θα πρέπει να υπολογιστεί και η ισχύς της R S και της διόδου Zener. Ισχύς που καταναλώνεται στην αντίσταση: Ρ RS =Ι RS V RS =I RS (V in -V Z ) Ισχύς που καταναλώνεται στη Zener: P Z =I Z V Z

15 4. Ειδικές ίοδοι - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 15 Επί τις εκατό σταθεροποίηση Η απόδοση ενός ανορθωτή γραµµής εκφράζεται µε τον όρο: Vout σταθεροποίηση γραµµής = 100% V in Η απόδοση ενός ανορθωτή φορτίου εκφράζεται µε τον όρο V = σταθεροποίηση φορτίου= outχωρίς φορτίο V - V outµε πλήρες outµε πλήρες φορτίο φορτίο 100%

16 4. Ειδικές ίοδοι - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 16 Οπτοηλεκτρονικές διατάξεις Οπτοηλεκτρονική: η τεχνολογία που συνδυάζει την οπτική και τα ηλεκτρονικά. Περιλαµβάνει πολλές διατάξεις που βασίζονται στην επαφή p-n. Οπτοηλεκτρονικές δίοδοι Κατηγορίες: α) εκποµποί φωτός Όπως δίοδοι φωτοεκποµπής LED που ακτινοβολούν υπεριώδη ή υπέρυθρη ακτινοβολία β) aισθητήρες φωτός

17 4. Ειδικές ίοδοι - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 17 Όπως η φωτοδίοδος που µετατρέπει τη φωτεινή ενέργεια που προσπίπτει επάνω της, σε ηλεκτρικό ρεύµα. ίοδος φωτοεκποµπής ή Light Emitting Diode (LED) Όταν πολωθεί ορθά εκπέµπει φως. Υπάρχουν LED διαφόρων ειδών χρώµατα όπως κίτρινο, πράσινο, πορτοκαλί, κόκκινο ή υπέρυθρο (αόρατο). Με ανάστροφη πόλωση η δίοδος δεν εκπέµπει φως. Συµβολισµός φωτοδιόδου (LED)

18 4. Ειδικές ίοδοι - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 18 R πρ V F I F V Απλό κύκλωµα συνδεσµολογίας LED Απαιτούµενο ρεύµα για ικανοποιητικό φωτισµό στα LED του εµπορίου ma. Τάση στα άκρα της LED κατά τη λειτουργία της: σταθερή=1, 5 V-2,5 V (εξαρτάται από το χρώµα που εκπέµπει). Εκπεµπόµενο φως Εάν µια LED πολωθεί ανάστροφα µε τάση που ξεπερνάει τα 3 V, κινδυνεύει να καεί. I F Mεταβολή της έντασης του εκπεµπόµενου φωτός σε σχέση µε το ρεύµα ορθής πόλωσης

19 4. Ειδικές ίοδοι - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 19 Αντίσταση προστασίας της LED Περιορίσει το ρεύµα που περνάει από τη LED, σε µια τιµή που αφ ενός να µην κινδυνεύει να καταστραφεί, αφ ετέρου να εκπέµπει ικανοποιητικό φωτισµό. Αν π.χ. V=5 volts dc και συνδέσουµε κατ ευθείαν µια LED, µε µέγιστο ρεύµα ορθής πόλωσης 55 ma και εσωτερική αντίσταση R εσ =80 Ω, το ρεύµα της I F θα είναι: I 5 V 5 V = = 62 ma > 55 ma LED R 80 Ω F = εσ καίγεται. Με αντίσταση R πρ σε σειρά, θα είναι : 5 V = I (Rπρ Rεσ ) (µε I F =20 ma) F +

20 4. Ειδικές ίοδοι - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 20 5 V = 20 ma (Rπρ + 80) Ω και R πρ + 80 = 250 Ω ή R πρ =170 Ω. κόκκινο πράσινο κόκκινο-πράσινο LEDs διαφόρων χρωµάτων Άνοδοι Τυπικές συσκευασίες LED

21 4. Ειδικές ίοδοι - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 21 ίοδος Laser Αποτελείται από δύο τµήµατα Ρ και Ν. Στην επαφή υπάρχει µια κοιλότητα οι επιφάνειες της οποίας είναι στιλβωµένες. Το µήκος της καθορίζει και το µήκος κύµατος της παραγόµενης ακτινοβολίας. Η επαφή ΡΝ πολώνεται από εξωτερική πηγή και δηµιουργείται δέσµη φωτός που εξέρχεται από το άνοιγµα της κοιλότητας. (α) Σύµβολο + Άνοδος (β) Κατασκευή Κοιλότητα Κάθοδος ίοδος Laser Στιλβωµένη επιφάνεια Στιλβωµένη επιφάνεια (γ) Παραγωγή ακτίνας

22 4. Ειδικές ίοδοι - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 22 Η φωτοδίοδος Όταν πολωθεί ανάστροφα και φωτιστεί µε φως κατάλληλης συχνότητας, δηµιουργείται ρεύµα Ι λ. (α) Ανάστροφη πόλωση Έλλειψη φωτός Η έλλειψη φωτός συνεπάγεται και την έλλειψη ανάστροφου ρεύµατος Φωτοδίοδος Λειτουργία φωτοδιόδου (β) Συµβολισµός Παρουσία φωτός Η παρουσία φωτός συνεπάγεται και την παρουσία ανάστροφου ρεύµατος

23 4. Ειδικές ίοδοι - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 23 Το φωτοτρανζίστορ Συλλέκτης Εκποµπός (α) Ηλεκτρονικός συµβολισµός (α) Το φωτοτρανζίστορ Πηνίο του ρελέ Επαφές ρελέ αυτόµατη φωτισµός συναγερµός πόρτα Πρακτικές εφαρµογές του φωτοτρανζίστορ (β) Τυπικές συσκευασίες (β) Συναγερµός

24 4. Ειδικές ίοδοι - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 24 Οπτοαποµονωτές ή οπτοζεύκτες Απόλυτη ηλεκτρική αποµόνωση µεταξύ εισόδου και εξόδου ενός κυκλώµατος. (α) Οπτοαποµονωτής (β) Οπτοαποµονωτής συνδεδεµένος σε κύκλωµα (γ) Τυπικές συσκευασίες οπτοαµονωτών

25 4. Ειδικές ίοδοι - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 25 Παράδειγµα Ένα κύκλωµα έχει τη γενική µορφή που φαίνεται στο παρακάτω σχήµα (α). Στο σχήµα (β) φαίνεται και η γραφική παράσταση της συνάρτησης µεταφοράς του V out =f(v in ), της οποίας η κλίση, για V in 3,6 V ισούται µε 1. Σχεδιάστε το κύκλωµα κάνοντας ελάχιστη χρήση απλών διόδων, αντιστάσεων και διόδων zener. V IN (α) V OUΤ -V IN 0 V OUT 3,6 (β) Μ κλήση=1 γ -V OUT θ β α O O V IN (V)

26 Λύση 4. Ειδικές ίοδοι - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 26 Όπως φαίνεται στο σχήµα (β) η γραφική παράσταση αποτελείται από δύο ευθύγραµµα τµήµατα. Για τυχόν σηµείο Μ του 1 ου τµήµατος (V IN 3,6) V OUT =0 (1) Για τυχόν σηµείο Ο του 2 ου τµήµατος (V IN 3,6 V), σχηµατίζουµε το τρίγωνο µε πλευρές: (Ο-Ο )=α, (Ο -3,6)=β και (3,6-O)=γ. Από το τρίγωνο: OUT κλίση της (3,6-Ο): εφθ = = = 1 V OUT =V IN -3,6 V (2) α β V IN ( = V 0O') - 3,6 V Οι παραπάνω συνθήκες εξασφαλίζονται από το παρακάτω κύκλωµα:

27 4. Ειδικές ίοδοι - Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 27 V Z =2,9 V V D =0,7 V I V IN Για V IN +3,6 V η zener πολώνεται ανάστροφα και άγει, όπως και η δίοδος. Από κύκλωµα είναι: V IN =2,9 V +0,7 V + V OUT V OUT =V IN -3,6 V (3) Από σύγκριση των (3) και (2) συµπεραίνεται ότι η έξοδος του κυκλώµατος είναι η ζητούµενη. Όταν V in 3,6 V η δίοδος πολώνεται ανάστροφα και V OUT είναι µηδέν. Η τιµή της R δεν είναι κρίσιµη αλλά είναι απαραίτητη για να εξασφαλίσει τη ροή ρεύµατος στο κύκλωµα. R V OUT