3.1 Η δίοδος στο κύκλωμα. Στατική και δυναμική χαρακτηριστική

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "3.1 Η δίοδος στο κύκλωμα. Στατική και δυναμική χαρακτηριστική"

Ἀρέθουσα Ζέρβας
5 χρόνια πριν
Προβολές:

1 1 3. Κυκλώματα διόδων 3.1 Η δίοδος στο κύκλωμα. Στατική και δυναμική χαρακτηριστική Στην πράξη η δίοδος προσεγγίζεται με τμηματική γραμμικοποίηση, όπως στο σχήμα 3-1, όπου η δυναμική αντίσταση της διόδου είναι άπειρη στην ανάστροφη πόλωση και στην ορθή ως μια τάση V γ, την οποία ονομάζουμε τάση κατωφλίου, ή τάση offset και σταθερή R f για μεγαλύτερες τιμές της τάσης κατωφλίου. Για μια τυπική δίοδο Πυριτίου η τάση κατωφλίου λαμβάνεται ίση προς 0,65V. Στο σχήμα 3-2 εικονίζεται το βασικό κυκλωμα της διόδου και στο σχήμα 3-3 το ισοδύναμο κύκλωμα, Η αντίσταση R L είναι ο φόρτος, v i είναι η τάση στην είσοδο, v o η τάση στην έξοδο. Η αντίσταση R f στο σχήμα 3-3 είναι η δυναμική αντίσταση της διόδου. Από το δεύτερο κανόνα του Kirchhof για το κύκλωμα του σχήματος 3-2 βρίσκουμε το ρεύμα i στη δίοδο: i = v i v R L 3-1

2 2 Η εξίσωση 3-1 είναι γραμμική και εκφράζεται από μια ευθεία, η οποία εικονίζεται στο διάγραμμα της χαρακτηριστικής i-v του σχήματος 3-4. Αυτή είναι η ευθεία φόρτου του κυκλώματος. Η χαρακτηριστική i-v εδώ είναι η στατική χαρακτηριστική της διόδου. Η ευθεία φόρτου που μας δίνει το ρεύμα i στο κύκλωμα συναρτήσει της τάσης v της διόδου, τέμνει τον άξονα του ρεύματος στο σημείο v i /R L και τον άξονα της τάσης στο σημείο v=v i. Η κλίση της ευθείας φόρτου είναι 1/R L. Καθορίζεται δηλαδή από το φόρτο. Το σημείο τομής της ευθείας φόρτου με τη χαρακτηριστική του κυκλώματος είναι το σημείο λειτουργίας της διόδου Η δυναμική χαρακτηριστική δίνει το ρεύμα i στο κύκλωμα συναρτήσει της τάσης εισόδου v i. Για να τη σχεδιάσουμε πρέπει να λάβουμε μετρήσεις του ρεύματος συναρτήσει της τάσης εισόδου και να απεικονίσουμε τα ζεύγη v i -i στο διάγραμμα i-v. Για τη γραμμικοποιημένη χαρακτηριστική του σχήματος 3-5 αρκούν δύο σημεία. Όταν η τάση εισόδου είναι v ι1, τότε το ρεύμα είναι i 1, οπότε το ένα σημείο είναι το Β. Όταν η τάση εισόδου γίνει v i2, τότε η ευθεία φόρτου και το σημείο λειτουργίας μετατοπίζονται, οπότε και το σημείο Β μετατοπίζεται στο Β. Η γραμμή που διέρχεται από τα σημεία ΒΒ ειναι η δυναμική χαρακτηριστική. Εδώ η δυναμική χαρακτηριστική συμβαίνει να είναι ευθεία- 3.2 Χαρακτηριστική μεταφοράς Η χαρακτηριστική μεταφοράς δίνει την τάση εξόδου v o συναρτήσει της τάσης εισόδου v i. Για το κύκλωμα του σχήματος 3-2 βρίσκουμε από το ισοδύναμο του στο σχήμα 3-3: v o = R L R L +R f v i 3-2 Για v i > v γ και v ο = 0 Για v i < v γ Στο σχήμα 3-6 επιδεικνύεται ο τρόπος εύρεσης του σήματος εξόδου για ένα ασύμμετρο πριονωτό σήμα εισόδου.

3 Ψαλίδιση Η ψαλίδιση επιτρέπει τη διέλευση του σήματος πάνω, ή κάτω από μια στάθμη. Κυκλώματα ψαλίδισης χρησιμοποιούντα ως κυκλώματα προστασίας καθώς και για τη σύγκριση σημάτων. Στην παρουσίαση των κυκλωμάτων ψαλίδισης θα θεωρήσουμε ότι η τάση offset της διόδου V γ είναι πολύ μικρή καθώς και ότι η αντίσταση της διόδου R f αμελητέα. Στο κύκλωμα του σχήματος 3-7 υπάρχουν δύο δυνατότητες. Αυτές είναι οι εξής: Όταν η τάση εισόδου v i είναι μικρότερη της τάσης V της πηγής στον κλάδο της διόδου, η δίοδος είναι ανάστροφα πολωμένει και δεν άγει. Τότε η τάση εισόδου v i μεταφέρεται στη έξοδο. Όταν η τάση εισόδου γίνει μεγαλύτερη της τάσης V της πηγής, τότε η δίοδος άγει και έχουμε πτώση τάσης στην αντίσταση R, οπότε η τάση της πηγής V μεταφέρεται στην έξοδο. Έχουμε δηλαδή: v i < V δίοδος off v o =v i 3-3 v i > V δίοδος on v o =V 3-4 Στο σχήμα 3-8 εικονίζεται η έξοδος σε ημιτονιικό σήμα. Επιτυγχάνουμε έτσι ψαλίδιση του σήματος από μια στάθμη και πάνω. Αν λαμβάναμε υπόψη και την τάση της διόδου, τότε όταν άγει η δίοδος, πρέπει να προσθέσουμε στην τάση εξόδου και την τάση της διόδου.

4 Στο κύκλωμα του σχήματος 3-9 η πολικότητα της διόδου έχει αναστραφεί. Και πάλι υπάρχουν δύο δυνατότητες. Αυτές είναι οι εξής: Όταν η τάση εισόδου v i είναι μικρότερη της τάσης V της πηγής στον κλάδο της διόδου, τότε η δίοδος είναι ορθά πολωμένη και άγει, οπότε η τάση V μεταφέρεται στη έξοδο. Όταν η τάση εισόδου γίνει μεγαλύτερη της τάσης V της πηγής, τότε η δίοδος δεν άγει οπότε η τάση εισόδου v i μεταφέρεται στην έξοδο. Έχουμε δηλαδή: v i < V δίοδος on v o =V 3-5 v i > V δίοδος on v o = v i 3-6 Στο σχήμα 3-10 εικονίζεται η έξοδος σε ημιτονιικό σήμα. Επιτυγχάνουμε έτσι ψαλίδιση του σήματος από μια στάθμη και κάτω. Αν λαμβάναμε υπόψη και την τάση της διόδου, τότε όταν άγει η δίοδος, πρέπει να αφαιρέσουμε από την τάση εξόδου την τάση της διόδου Το κύκλωμα του σχήματος 3-11 είναι συνδυασμός των δύο προηγουμένων. Λαμβάνουμε V 1 <V 2. Εδώ υπάρχουν τρεις δυνατότητες: v i < V 1 D1: on D2: off v o = V V 1 <v i <V 2 D1: off D2: off v o = v i 3-8 v i > V 2 D 2 : off D2: on v o = V 2 3-9

5 Στο σχήμα 3-12 εικονίζεται η έξοδος σε ημιτονιικό σήμα. Επιτυγχάνουμε έτσι ψαλίδιση του σήματος μέσα από το τάσεων V 1, V Κυκλώματα με Zener Στο σχήμα 3-13 η δίοδος Zener λειτουργεί ως σταθεροποιητής τάσης. Όσο είναι τάση εισόδου U i μικρότερη της τάσης κατάρρευσης, τότε η τάση εξόδου U o θα ακολουθεί την τάση εισοδου αφού η δίοδος δεν άγει. Μόλις ανοίξει η δίοδος, τότε η τάση στα άκρα της παραμένει στην τάση κατάρρευσης U Z ανεξαρτήτως του ρεύματος. Στο σχήμα 3-14 η δίοδος λειτουργεί ως ψαλιδιστής του ημιτονικού σήματος της εισόδου. Εδώ οι δύο δίοδοι είναι συμμετρικές. Με διόδου διαφορετικής τάσης κατάρρευσης οι ψαλιδιση γίνεται σε διαφορετικά ύψη. Τέλος στο σχήμα 3-15 η δίοδος λειτουργεί ως ολισθητής της τάσης εισόδου. Όσο είναι η τάση U i στην είσοδο μικρότερη της τάσης κατάρρευσης U z, η δίοδος Zener δεν άγει, οπότε η τάση εξόδου U z, δηλαδή η τάση στην αντίσταση R είναι μηδέν. Όταν αρχίσει να άγει η δίοδος Zener, η τάση στην έξοδο θα είναι ίση προς την τάση στην είσοδο μείον την τάση κατάρρευσης

6 Ανόρθωση Ανόρθωση είναι η διαδικασία μετατροπής ενός εναλλασσόμενου ρεύματος σε ρεύμα μιας φοράς. Οι αντίστοιχες διατάξεις λέγονται ανορθωτές. Στα επόμενα θα μελετήσουμε τα χαρακτηριστικά και τις ιδιότητες βασικών ανορθωτών. Στην είσοδο του κύκλωμα στο σχήμα 3-16 εφαρμόζεται αρμονικά μεταβαλλόμενη τάση. Η δίοδος άγει όταν είναι πολωμένη ορθά, επομένως το ρεύμα διαρρεέι το κύκλωμα κατά τη μια φορά μόνον. Εδώ η ανόρθωση γίνεται δηλαδή κατά τη μια ημιπερίοδο μόνο και γι αυτό η ανορθωτική διάταξη λέγεται ημιανορθωτής. Στο σχήμα 3-17 εικονίζεται η κυματομορφή στην έξοδο για ημιτονική είσοδο και για μια ιδανική δίοδο με V γ << v m Στο κύκλωμα του σχήματος 3-18 ο ανορθωτής με γέφυρα επιτυγχάνει πλήρη ανόρθωση. Η εναλλασσόμενη τάση εφαρμόζεται μεταξύ των σημείων Α και Β. Η έξοδος λαμβάνεται κατά μήκος της αντίστασης R. Όταν το Α είναι θετικό, τότε άγουν οι δίοδοι D3 και D2, επομένως το ρεύμα διαρρέει την αντίσταση από δεξιά προς αριστερά, όπως δείχνει το βέλος. Όταν το Β είναι θετικό, τότε άγουν οι δίοδοι D4 και D1, επομένως πάλι το ρεύμα διαρρέει την αντίσταση R από δεξιά προς αριστερά. Επιτυγχάνουμε έτσι πλήρη ανόρθωση. Στο σχήμα 3-19 εικονίζεται η κυματομορφή στην έξοδο για ημιτονική είσοδο στην προσέγγιση της ιδανικής διόδου

7 7 Ο συμμετρικός ανορθωτής στα σχήματα 3-20 και 3-20 κάνει πλήρη ανόρθωση επίσης, γιατί είτε άγει η δίοδος D1, είτε η D2, το ρεύμα κατευθύνεται προς τη γείωση μέσω της αντίστασης φόρτου R. Να σημειώσουμε ότι ο ανορθωτής αυτός λαμβάνει το σήμα εισόδου από ένα μεταχηματιστή 2x, όπου η μεσαία λήψη είναι γειωμένη Το σήμα εξόδου των ανορθωτών, χρειάζεται περαιτέρω επεξεργασία, γιατί στη μορφή αυτή εισάγει λόγω μεγάλης διακύμανσης ισχυρό παράσιτο. Για τη μείωση της διακύμανσης χρησιμοποιούνται διάφορα φίλτρα εξομάλυνσης, όπως αυτό που εικονίζεται στο σχήμα Κατά το χρονικό διάστημα που αυξάνει η τάση στο σύστημα RC, φορτίζεται ο πυκνωτής και το αντίθετο συμβαίνει όταν μειώνεται, όμως αυτό συμβαίνει με ρυθμό ρυθμιζόμενο από τη σταθερά χρόνου του συστήματος τ=rc 3-10 Προφανώς όσο μεγαλύτερη είναι η σταθερά χρόνου, τόσο μικρότερη είναι η διακύμανση. Ποσοτικά η διακύμανση (ripple factor) ορίζεται από την εξίσωση: διακύμανση γ= (I rms /I dc ) όπου: i rms = 1 i dc = 1 2π 2π i2 dωt 0 2π idωt 2π 0 είναι η ενεργός τιμή του ρεύματος είναι η συνεχής συνιστώσα του ρεύματος Σε ένα αρκετά μεγάλο πλήθος εφαρμογών οη διακύμανση προσεγγίζεται από τον τύπο:

8 8 γ = 1 2RCf 3-12 Στο σχήμα 3.22 το αποπνικτικό πηνίο L τίθεται σε σειρά με την αντίσταση R. Κατά τη μείωση της τάσης, το πηνίο διατηρεί επαγωγικά το ρεύμα υπεράνω μιας επιθυμητής τιμής Πολλαπλασιαστές τάσης 3.22 Στο κύκλωμα 3.23 εικονίζεται ένας διπλασιαστής τάσης. Όταν άγει η δίοδος D 1 τότε ο πυκνωτής C 1 φορτίζεται όπως στο σχήμα με το μέγιστο της εφαρμοζόμενης τάσης. Όταν άγει η δίοδος D 2, φορτίζεται ο πυκνωτής C 2 ομόρροπα με τον C 1. Επειδή στο διάστημα αυτό η δίοδος D 1 είναι ανάστροφα πολωμένη, ο C 1 παραμένει φορτισμένος, οπότε η ολική τάση κατά μήκος των δύο πυκνωτών είναι διπλάσια του πλάτους της εφαρμοζόμενης στην είσοδο Παρόμοια είναι και η λειτουργία του κυκλώματος στο σχήμα Όταν άγει η δίοδος D 1 φορτίζεται ο πυκνωτής C 1. Στην επόμενη ημιπερίοδο, που πολώνεται ανάστροφα η D 1, ο C 1 απομονώνεται και παραμένει φορτισμένως. Τώρα άγει όμως η D 2, οπότε φορτίζεται ο πυκνωτής C 2 με τη μέγιστη τάση. Το άθροισμα των τάσεων των δύο πυκνωτών είναι επομένως διπλάσιο του πλάτους της εφαρμοζόμενης τάσης. Αυτός ο διπλασιαστής τάσης

9 9 έχει το πλεονέκτημα ότι επαναλαμβανόμενος όπως στο κύκλωμα του σχήματος 3.25 αυξάνει κάθε φορά την τάση κατά το διπλάσιο του πλάτους της εφαρμοζόμενης τάσης.

Σχετικά έγγραφα

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΔΙΟΔΟΣ (Μάθημα 4 ο 5 ο 6 ο 7 ο ) 1/12 4 o εργαστήριο Ιδανική δίοδος n Συμβολισμός της διόδου n 2/12 4 o εργαστήριο Στατική χαρακτηριστική διόδου Άνοδος (+) Κάθοδος () Αν στην ιδανική