ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ Ι Ενότητα 1: Δίοδοι ανόρθωσης Επ. Καθηγητής Γαύρος Κωνσταντίνος ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΕ
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. 2
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο TEI Δυτικής Μακεδονίας και στην Ανώτατη Εκκλησιαστική Ακαδημία Θεσσαλονίκης» 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. 3
Σκοποί ενότητας (1) Να μπορεί ο φοιτητής να πολώνει μια δίοδο ημιαγωγών και να περιγράφει την IV χαρακτηριστική καμπύλη της. 4
Περιεχόμενα ενότητας Ημιαγωγοί-Η Επαφή pn. Τι είναι η επαφή pn. Πόλωση της επαφής pn. Χαρακτηριστικά διόδων. Μια πρακτική εφαρμογή των διόδων. Τροφοδοτικό dc. 5
Τι είναι η επαφή pn (pn junction) (1/2) Αν πάρουμε ένα κομμάτι καθαρού πυριτίου (Si) και το ντοπάρουμε με άτομα ενός τρισθενούς στοιχείου (π.χ., Al, B, Ga) δημιουργούμε έναν ημιαγωγό τύπου p (p-type). Στον ημιαγωγό τύπου p υπερτερούν οι θετικές οπές (δηλαδή, ηλεκτρόνια που λείπουν). Στον ημιαγωγό τύπου p, οι οπές είναι φορείς πλειονότητας (majority carriers) και τα ηλεκτρόνια φορείς μειονότητας (minority carriers). Αν, αντιθέτως, ντοπάρουμε ένα κομμάτι καθαρού πυριτίου (Si) με άτομα ενός πεντασθενούς στοιχείου (π.χ., As, Sb, P), δημιουργούμε έναν ημιαγωγό τύπου n (n-type), στον οποίο υπερτερούν τα αρνητικά ηλεκτρόνια. Στον ημιαγωγό τύπου n, τα ηλεκτρόνια είναι φορείς πλειοψηφίας και οι οπές φορείς μειοψηφίας. 6
Τι είναι η επαφή pn (pn junction) (2/2) Αν πάρουμε ένα κομμάτι καθαρού πυριτίου (Si) και ντοπάρουμε το μισό απ αυτό με άτομα τρισθενούς στοιχείου ενώ το άλλο μισό ντοπάρουμε με άτομα πεντασθενούς στοιχείου, η διαχωριστική επιφάνεια που σχηματίζεται μεταξύ του ημιαγωγού p και του ημιαγωγού n ονομάζεται επαφή pn (pn junction). H επαφή pn είναι το χαρακτηριστικό που επιτρέπει στις διόδους, τα τρανζίστορ και άλλες ηλεκτρονικές συσκευές να λειτουργούν. 7
Περιοχή κένωσης (Depletion Region) (1/3) Τη στιγμή του σχηματισμού της επαφής pn, ελεύθερα ηλεκτρόνια από την περιοχή n, κοντά στην επαφή, αρχίζουν να διαχέονται μέσα από την επαφή και να πέφτουν μέσα σε οπές της περιοχής p που βρίσκονται κοντά στην επαφή. Εικόνα 1: Περιοχή κένωσης. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 8
Περιοχή κένωσης (Depletion Region) (2/3) Για κάθε ηλεκτρόνιο που διαχέεται μέσω της επαφής και συνδέεται με μια οπή, ένα θετικό φορτίο μένει στο τμήμα n και ένα αρνητικό φορτίο δημιουργείται στο τμήμα p. Εικόνα 2: Περιοχή κένωσης. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 9
Περιοχή κένωσης (Depletion Region) (3/3) Το στρώμα θετικών και αρνητικών ιόντων που σχηματίζεται εκατέρωθεν της επαφής ονομάζεται περιοχή κένωσης (depletion region) διότι σε αυτή δεν υπάρχουν ηλεκτρόνια ή οπές. Ο φραγμός δυναμικού (barrier potential), V Β, είναι η ενέργεια που χρειάζεται για να κινήσουμε ηλεκτρόνια μέσα από το ηλεκτρικό πεδίο της περιοχής κένωσης. Για το πυρίτιο (Si) είναι περίπου 0,7 V. Για το γερμάνιο (Ge) είναι περίπού 0,3 V στους 25 C. 10
Πολώνοντας την επαφή pn Πόλωση (bias) στα ηλεκτρονικά σημαίνει την εφαρμογή μιας συγκεκριμένης dc τάσης σε μια διάταξη ημιαγωγών που επιτρέπει τις κανονικές συνθήκες λειτουργίας της. Στην ισορροπία, η επαφή pn δε διαρρέεται από ρεύμα. Η κύρια χρησιμότητα της επαφής pn είναι η δυνατότητά της να επιτρέπει ρεύμα προς μια μόνον κατεύθυνση και να εμποδίζει το ρεύμα στην άλλη κατεύθυνση ανάλογα με την πόλωση. Υπάρχουν δύο συνθήκες πόλωσης για μια επαφή pn: η ορθή πόλωση και η ανάστροφη πόλωση. 11
Ορθή πόλωση (Forward bias) Ορθή πόλωση είναι η συνθήκη που επιτρέπει ρεύμα μέσα από την επαφή. Η αντίσταση R περιορίζει το ρεύμα της ορθής πόλωσης για να αποτραπεί η καταστροφή του ημιαγωγού. Εικόνα 3: Ορθή πόλωση. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 12
Τι συμβαίνει στην ορθή πόλωση (1/2) Ο αρνητικός πόλος της πηγής ωθεί τα ελεύθερα ηλεκτρόνια της περιοχής n και τις οπές της περιοχής p προς την επαφή. Όταν η εξωτερική τάση υπερβεί το φραγμό δυναμικού V B της επαφής, η ενέργεια που δίνει στα ηλεκτρόνια της περιοχής n είναι αρκετή για να διασχίσουν την περιοχή κένωσης και να συνδεθούν με τις οπές της περιοχής p. Εικόνα 4: Τι συμβαίνει στην ορθή πόλωση. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 13
Τι συμβαίνει στην ορθή πόλωση (2/2) Καθώς ηλεκτρόνια αφήνουν την περιοχή n, άλλα ηλεκτρόνια ρέουν από τον αρνητικό πόλο και οπές από τον θετικό πόλο για να τα αντικαταστήσουν και έτσι δημιουργείται το ρεύμα στην επαφή. 14
Η επίδραση του φραγμού δυναμικού στην ορθή πόλωση Ο φραγμός δυναμικού V B μπορεί να θεωρηθεί ότι αντιστοιχεί σε μια μικρή πηγή συνδεδεμένη αντίθετα από την εξωτερική τάση V BIAS της ορθή πόλωσης της επαφής. Οι αντιστάσεις R p και R n αντιπροσωπεύουν τις δυναμικές αντιστάσεις των περιοχών p και n, αντίστοιχα. Συνήθως τις θεωρούμε μηδενικές. Εικόνα 5: Η επίδραση του φραγμού δυναμικού στην ορθή πόλωση. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 15
Ανάστροφη πόλωση (Reverse bias) Ανάστροφη πόλωση είναι η συνθήκη που εμποδίζει τη διέλευση ρεύματος μέσα από την επαφή. Εικόνα 6: Ανάστροφη πόλωση. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 16
Τι συμβαίνει στην ανάστροφη πόλωση (1/2) Στην ανάστροφη πόλωση, η περιοχή κένωσης διευρύνεται, ηλεκτρόνια και οπές απομακρύνονται. Τη στιγμή της εφαρμογής της ανάστροφης πόλωσης, δημιουργείται ένα μεταβατικό ρεύμα φορέων. Εικόνα 7: Τι συμβαίνει στην ανάστροφη πόλωση. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 17
Τι συμβαίνει στην ανάστροφη πόλωση (2/2) Το ρεύμα στην επαφή παύει όταν ο φραγμός δυναμικού γίνει ίσος με την τάση ανάστροφης πόλωσης. Υπάρχει μόνον ένα εξαιρετικά μικρό αντίστροφο ρεύμα των φορέων μειοψηφίας (οπές στην περιοχή n, ηλεκτρόνια στην περιοχή n) που εξαρτάται από τη θερμοκρασία. Εικόνα 8: Τι συμβαίνει στην ανάστροφη πόλωση. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 18
Δίοδος Επαφής (Diode) Η δίοδος είναι μια ημιαγώγιμη κατασκευή φτιαγμένη από μια απλή επαφή pn και άγει ρεύμα όταν είναι πολωμένη ορθά και η τάση πόλωσης είναι μεγαλύτερη από το φραγμό δυναμικού. Η δίοδος εμποδίζει το ρεύμα όταν είναι ανάστροφα πολωμένη σε τάση μικρότερη από την τάση κατάρρευσης. 19
Βασική Δομή και Σύμβολο Διόδου Το βέλος στο σύμβολο της διόδου δείχνει τη φορά που άγει το ρεύμα. Οι δύο ακροδέκτες της διόδου ονομάζονται άνοδος (anode - A) και κάθοδος (cathode - K). Εικόνα 9: Βασική Δομή και Σύμβολο Διόδου. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 20
Κύκλωμα Ορθής Πόλωσης (1/2) Ρεύμα I διαρρέει τη δίοδο. Για τάση πόλωσης V Bias 0.7V, η τάση στα άκρα της διόδου διατηρείται σταθερή ίση με το φραγμό δυναμικού V= 0.7 V. Εικόνα 10: Κύκλωμα Ορθής Πόλωσης. Πηγή: Συγγραφέας. Η τάση 0.7V λέγεται και τάση κατωφλίου. 21
Κύκλωμα Ορθής Πόλωσης (2/2) Υπάρχει ένα ανώτερο όριο για το ρεύμα I, που μπορεί να άγει η δίοδος στην ορθή πόλωση χωρίς να καταστραφεί. Το ρεύμα αυτό λέγεται μέγιστο ορθό ρεύμα. Π.χ.: για τη δίοδο 1Μ4001, το μ.ο.ρ. είναι ίσο με 1Α. 22
Κύκλωμα Ανάστροφης Πόλωσης (1/2) Δεν διαρρέει ρεύμα τη δίοδο (I = 0). Στην πραγματικότητα, υπάρχει ένα μικρό ανάστροφο ρεύμα που αυξάνει με τη θερμοκρασία και την τάση. Εικόνα 11: Κύκλωμα Ανάστροφης Πόλωσης. Πηγή: Συγγραφέας. 23
Κύκλωμα Ανάστροφης Πόλωσης (2/2) Το ανάστροφο ρεύμα οφείλεται (α) στους φορείς μειονότητας που διεγείρονται θερμικά και (β) στο επιφανειακό ρεύμα διαρροής (Π.χ.: η δίοδος 1Ν4001 με ανάστροφη πόλωση 50V έχει ανάστροφο ρεύμα 10μΑ στους 25 C και 50μΑ στους 75 C. Το ανάστροφο ρεύμα είναι τόσο μικρό που μπορούμε να το αγνοήσουμε. Η τάση στα άκρα της διόδου είναι ίση με την τάση πόλωσης V = V BIAS. 24
Ανάστροφη κατάρρευση : Δίοδος Zener (1/2) Αν η εξωτερική τάση ανάστροφης πόλωσης αυξηθεί σε αρκετά μεγάλη τιμή, συμβαίνει ανάστροφη κατάρρευση (reverse breakdown) της επαφής pn κατά την οποία ένα τεράστιο ρεύμα διαρρέει την επαφή. Η ανάστροφη κατάρρευση της επαφής οφείλεται στο φαινόμενο χιονοστιβάδας (avalanche effect). Η μέγιστη ανάστροφη τάση που επιτρέπεται να εφαρμόσουμε σε μια δίοδο για να μην πάθει ανάστροφη κατάρρευση ονομάζεται PIV (Peak Inverse Voltage). 25
Ανάστροφη κατάρρευση : Δίοδος Zener (2/2) Ταξινόμηση των επαφών pn. Δίοδος (diode). Είναι μια απλή επαφή pn. Οι περισσότερες δίοδοι δεν λειτουργούν κανονικά στην περιοχή ανάστροφης κατάρρευσης διότι μπορεί να καταστραφούν. Δίοδος Zener (Zener diode). Είναι μια επαφή pn ειδικά σχεδιασμένη για λειτουργία στην περιοχή ανάστροφης κατάρρευσης. Η δίοδος Zener χρησιμοποιείται για την παραγωγή σταθερής τάσης. 26
Τυπικές συσκευασίες διόδων και οι Ακροδέκτες τους Εικόνα 12: Τυπικές συσκευασίες διόδων και οι Ακροδέκτες τους. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 27
Προσεγγιστικά Μοντέλα Διόδων Το μοντέλο της ιδανικής διόδου. Το πρακτικό μοντέλο της διόδου. Το πλήρες μοντέλο της διόδου. 28
Το Μοντέλο της Ιδανικής Διόδου (Ideal Diode) (1/10) Η ιδανική δίοδος ισοδυναμεί με έναν απλό διακόπτη. Ορθά πολωμένη, ενεργεί σαν ένας κλειστός διακόπτης. Ανάστροφα πολωμένη, ενεργεί σαν ένας ανοικτός διακόπτης. Στο μοντέλο της ιδανικής διόδου αγνοούμε το φραγμό δυναμικού V B, την αντίσταση ορθής πόλωσης και το ρεύμα ανάστροφης πόλωσης Ι R. Εικόνα 13: Το Μοντέλο της Ιδανικής Διόδου. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 29
Το Μοντέλο της Ιδανικής Διόδου (Ideal Diode) (2/10) Παράδειγμα 1.1. Χρησιμοποιείστε το μοντέλο της ιδανικής διόδου για να υπολογίσετε την τάση εξόδου V out και το ρεύμα I στο κύκλωμα της Εικόνας παρακάτω. Εικόνα 14: Το Μοντέλο της Ιδανικής Διόδου. Πηγή: Συγγραφέας. 30
Το Μοντέλο της Ιδανικής Διόδου (Ideal Diode) (3/10) Λύση. Η δίοδος είναι πολωμένη ορθά, έτσι, μπορούμε να τη θεωρήσουμε κλειστό διακόπτη, όπως στην Εικόνα. V out = V in = 15V Με τη βοήθεια του νόμου του Ohm, έχουμε. Εικόνα 15: Το Μοντέλο της Ιδανικής Διόδου. Πηγή: Συγγραφέας. 31
Το Μοντέλο της Ιδανικής Διόδου (Ideal Diode) (4/10) Παράδειγμα 1.2 Ποιά είναι η τάση εξόδου V out στο κύκλωμα της Εικόνας παρακάτω; Ποιά τάση εφαρμόζεται στα άκρα της διόδου; Εικόνα 16: Το Μοντέλο της Ιδανικής Διόδου. Πηγή: Συγγραφέας. 32
Το Μοντέλο της Ιδανικής Διόδου (Ideal Diode) (5/10) Λύση. Η δίοδος είναι ανάστροφα πολωμένη, έτσι, ισοδυναμεί με ανοικτό διακόπτη, όπως στην Εικόνα. Επειδή το κύκλωμα δεν διαρρέεται από ρεύμα V out = I R L = 0 (10kΩ) = 0 Εικόνα 17: Το Μοντέλο της Ιδανικής Διόδου. Πηγή: Συγγραφέας. 33
Το Μοντέλο της Ιδανικής Διόδου (Ideal Diode) (6/10) Σύμφωνα με το νόμο των τάσεων του Kirchhoff, το άθροισμα των τάσεων στο βρόχο πρέπει να είναι μηδέν. V in = V D + V out = 15V + 0 = 15V Για να μην καταστραφεί η δίοδος πρέπει να έχει PIV μεγαλύτερη από 15V. 34
Το Μοντέλο της Ιδανικής Διόδου (Ideal Diode) (7/10) Παράδειγμα 1.3. Ποιά είναι η τάση εξόδου V out στο κύκλωμα της Εικόνας παρακάτω; Εικόνα 18: Το Μοντέλο της Ιδανικής Διόδου. Πηγή: Συγγραφέας. 35
Το Μοντέλο της Ιδανικής Διόδου (Ideal Diode) (8/10) Λύση. Κατά τη διάρκεια της θετικής ημιπεριόδου, η δίοδος είναι πολωμένη ορθά, βλ. Εικόνα. Εικόνα 19: Το Μοντέλο της Ιδανικής Διόδου. Πηγή: Συγγραφέας. 36
Το Μοντέλο της Ιδανικής Διόδου (Ideal Diode) (9/10) Κατά τη διάρκεια της αρνητικής ημιπεριόδου, είναι πολωμένη ανάστροφα, βλ. Εικόνα. Εικόνα 20: Το Μοντέλο της Ιδανικής Διόδου. Πηγή: Συγγραφέας. 37
Το Μοντέλο της Ιδανικής Διόδου (Ideal Diode) (10/10) Επομένως, η τάση εξόδου είναι ένα ημιανορθωμένο ημιτονοειδές σήμα, βλ. Εικ. (δ) Εικόνα 21: Το Μοντέλο της Ιδανικής Διόδου. Πηγή: Συγγραφέας. 38
Το Πρακτικό Μοντέλο της Διόδου(Practical diode model) Το πρακτικό μοντέλο της διόδου προσθέτει το φραγμό δυναμικού V B στο ιδανικό μοντέλο. Ορθά πολωμένη, η δίοδος ισοδυναμεί με έναν κλειστό διακόπτη σε σειρά με μικρή πηγή τάσης ίση με το φραγμό δυναμικού (0.7 V) με το θετικό άκρο προς την άνοδο. Ανάστροφα πολωμένη, η δίοδος ισοδυναμεί με έναν ανοικτό διακόπτη. Εικόνα 22: Το πρακτικό μοντέλο της διόδου. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 39
Παράδειγμα 1.4 (1/2) Παράδειγμα 1.4. Χρησιμοποιείστε το πρακτικό μοντέλο της διόδου για να υπολογίσετε την τάση εξόδου V out και το ρεύμα στο κύκλωμα της Εικ. (α) παρακάτω. Επίσης, υπολογίστε την ισχύ που καταναλώνει η δίοδος. Εικόνα 23: Το πρακτικό μοντέλο της διόδου. Πηγή: Συγγραφέας. 40
Παράδειγμα 1.4 (2/2) Αφού η δίοδος είναι πολωμένη ορθά, αντιστοιχεί στο κύκλωμα της Εικόνας. V out = V in 0.7V = 15V 0.7V = 14.3V Η ισχύς που καταναλώνει η δίοδος είναι: P = (0.7V) (1.43A) = 1mW Το ρεύμα εξόδου είναι: Εικόνα 24: Παράδειγμα 1.4. Πηγή: Συγγραφέας. 41
Παράδειγμα 1.5 (1/4) Παράδειγμα 1.5. Χρησιμοποιείστε το πρακτικό μοντέλο της διόδου για να βρείτε την κυματομορφή εξόδου στο κύκλωμα της Εικόνας παρακάτω. Επίσης, υπολογίστε την κορυφή του ορθού ρεύματος και την κορυφή της ανάστροφης τάσης. Εικόνα 25: Παράδειγμα 1.5. Πηγή: Συγγραφέας. 42
Παράδειγμα 1.5 (2/4) Λύση. Κατά τη διάρκεια της θετικής ημιπεριόδου, η δίοδος είναι πολωμένη ορθά, βλ. Εικόνα. Από το νόμο των τάσεων του Kirchhoff έχουμε V in 0.7V = V out = 15V 0.7V = 14.3 V. Εικόνα 26: Παράδειγμα 1.5. Πηγή: Συγγραφέας. 43
Παράδειγμα 1.5 (3/4) H τάση εξόδου είναι το ημιανορθωμένο ημιτονοειδές σήμα της Εικόνας. Εικόνα 27: Παράδειγμα 1.5. Πηγή: Συγγραφέας. 44
Παράδειγμα 1.5 (4/4) Το μέγιστο ρεύμα συμβαίνει στη θετική κορυφή της ορθής τάσης εισόδου και είναι: Όταν η δίοδος είναι πολωμένη ανάστροφα αντιστοιχεί σε ανοικτό κύκλωμα (βλ. Εικόνα) και η τάση εξόδου είναι μηδέν. Επομένως, η μέγιστη τιμή της ανάστροφης τάσης εισόδου εφαρμόζεται όλη στη δίοδο, δηλαδή, 15V. Για να μην καταστραφεί η δίοδος πρέπει να έχει PIV μεγαλύτερη από 15V. Εικόνα 28: Παράδειγμα 1.5. Πηγή: Συγγραφέας. 45
Το Πλήρες Μοντέλο Διόδου (Complete diode model) Το πλήρες μοντέλο της διόδου περιλαμβάνει: το φραγμό δυναμικού V B. τη μικρή αντίσταση ορθής πόλωσης ή αντίσταση σώματος της διόδου (r d ) και τη μεγάλη αντίσταση ανάστροφης πόλωσης (r R ). Εικόνα 29: Το Πλήρες Μοντέλο Διόδου. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 46
Παράδειγμα 1.6 (1/4) Παράδειγμα 1.6. Χρησιμοποιείστε το πλήρες μοντέλο της διόδου για να υπολογίσετε την κορυφή της τάσης εξόδου και την ανάστροφη κορυφή της τάσης που εφαρμόζεται στη δίοδο του κυκλώματος της Εικόνας παρακάτω. Η αντίσταση σώματος της διόδου είναι 20Ω. Εικόνα 30: Παράδειγμα 1.6. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 47
Παράδειγμα 1.6 (2/4) Λύση. Κατά τη διάρκεια της κορυφής της θετικής ημιπεριόδου, το κύκλωμα της διόδου είναι όπως στην Εικόνα. Επειδή η ολική αντίσταση είναι 1020 Ω, η κορυφή του ορθού ρεύματος είναι: Εικόνα 31: Παράδειγμα 1.6. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 48
Παράδειγμα 1.6 (3/4) Η κορυφή της τάσης εξόδου είναι V P = I P R L = (9.12 ma)(1 kω) = 9.12 V (βλ. Εικ. (γ)) Κατά τη διάρκεια της αρνητικής ημιπεριόδου, η δίοδος δεν άγει, στο φορτίο δεν εφαρμόζεται τάση και όλη η τάση της πηγής εμφανίζεται στα άκρα της διόδου. Επομένως, η κορυφή της ανάστροφης τάσης είναι 10 V. Εικόνα 32: Παράδειγμα 1.6. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 49
Παράδειγμα 1.6 (4/4) Για να αντέχει αυτή την ανάστροφή τάση, η δίοδος πρέπει να έχει PIV μεγαλύτερο από 10 V. 50
ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ. Προσεγγιστικά Μοντέλα Διόδων (1/4) Βρείτε ποιες από τις διόδους στην παρακάτω εικόνα είναι ορθά και ποιες ανάστροφα πολωμένες. Εικόνα 33: Προσεγγιστικά Μοντέλα Διόδων. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 51
Προσεγγιστικά Μοντέλα Διόδων Λύση: (2/4) Εικόνα 34: Προσεγγιστικά Μοντέλα Διόδων. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 52
Προσεγγιστικά Μοντέλα Διόδων (3/4) Λύση: Εικόνα 35: Προσεγγιστικά Μοντέλα Διόδων. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 53
Προσεγγιστικά Μοντέλα Διόδων (4/4) Βρείτε την τάση στα άκρα κάθε διόδου στην εικόνα του προβλήματος 1, υποθέτοντας το πρακτικό μοντέλο. Λύση: (α) - 3 V (β) 0.7 V (γ) 0.7 V (δ) 0.7 V 54
Έλεγχος Διόδων με DMM Πολλά ψηφιακά πολύμετρα (Digital Multi- Meters, DMMs) έχουν δυνατότητα ελέγχου διόδων (diode test). Η λειτουργία αυτή δείχνεται στον περιστρεφόμενο επιλογέα με το σήμα της διόδου. Σε αυτή τη θέση, το DMM παρέχει μια εσωτερική τάση ικανή να πολώσει ορθά και ανάστροφα τη δίοδο. Για τα περισσότερα όργανα, η τάση αυτή είναι μεταξύ 2.5 3.5 V. 55
Δίοδος που Λειτουργεί Κανονικά Εικόνα 36: Δίοδος που λειτουργεί κανονικά. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 56
Ανοικτή (Καμένη) Δίοδος (Open Diode) Ο έλεγχος ορθής και ανάστροφης πόλωσης για μια ανοικτή (καμένη) δίοδο δίνει την ίδια ένδειξη, την εσωτερική τάση του DMM (από 2.5V 3.5V). Μερικά όργανα δείχνουν OL. Εικόνα 37: Ανοικτή (Καμένη) Δίοδος. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 57
Βραχυκυκλωμένη Δίοδος Ο έλεγχος ορθής και ανάστροφης πόλωσης για μια βραχυκυκλωμένη δίοδο δίνει την ίδια ένδειξη 0 V. Μερικές φορές, μια ελαττωματική δίοδος δεν είναι τελείως βραχυκυκλωμένη αλλά παρουσιάζει μια μικρή αντίσταση και στις δύο πολώσεις. Το πολύμετρο τότε δείχνει μια μη μηδενική ένδειξη τάσης η οποία πάντως και στις δύο πολώσεις είναι μικρότερη από τα 2.6 V της εσωτερικής τάσης του πολυμέτρου. Εικόνα 38: Βραχυκυκλωμένη Δίοδος. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 58
Ερωτήσεις επανάληψης (1/2) 1. Σχεδιάστε το σύμβολο μιας διόδου ανόρθωσης και σημειώστε τους ακροδέκτες. 2. Για μια κανονική δίοδο, η αντίσταση ορθής πόλωσης είναι αρκετά μικρή και η αντίσταση ανάστροφης πόλωσης πολύ μεγάλη. (Σωστό ή λάθος;) 3. Ένας ανοικτός διακόπτης ιδανικά αντιπροσωπεύει μια πολωμένη δίοδο. Ένας κλειστός διακόπτης ιδανικά αντιπροσωπεύει μια πολωμένη δίοδο. 59
ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Έλεγχος Διόδων με DMM (1/2) Θεωρήστε τις ενδείξεις των οργάνων σε κάθε κύκλωμα της παρακάτω εικόνας και προσδιορίστε αν η δίοδος λειτουργεί κανονικά ή είναι ανοικτή ή βραχυκυκλωμένη. Υποθέστε το ιδανικό μοντέλο. Εικόνα 39: Έλεγχος Διόδων με DMM. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 60
ΒΑΣΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Έλεγχος Διόδων με DMM (2/2) Προσδιορίστε την τάση ως προς την γείωση στα σημεία Α, Β, Γ και Δ του κυκλώματος της παρακάτω εικόνας. Υποθέστε το πρακτικό μοντέλο. Λύση: V A = 25 V V B = 25 V 0.7 V = 24.3 V V Δ = 8 V V Γ = 8 V + 0.7 V = 8.7 V Εικόνα 40: Έλεγχος Διόδων με DMM. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 61
Μια πρακτική εφαρμογή των διόδων: τροφοδοτικό dc (1/5) Το τροφοδοτικό αποτελείται από ασφάλεια, μετασχηματιστή, ανορθωτικές διόδους, πυκνωτές φίλτρων και έναν ολοκληρωμένο σταθεροποιητή τάσης. Εικόνα 41: Μια πρακτική εφαρμογή των διόδων: τροφοδοτικό dc. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 62
Μια πρακτική εφαρμογή των διόδων: τροφοδοτικό dc (2/5) Ερωτήσεις: (Α) Εντοπίστε την ασφάλεια, το μετασχηματιστή και τις διόδους. (Β) Υποθέστε ότι γνωρίζεται ότι: Το DMM θα δείχνει μια αντίσταση περίπου 500 Ω για ορθή πόλωση της διόδου. Αυτή η τιμή διαφέρει λίγο από δίοδο σε δίοδο. Εικόνα 42: Μια πρακτική εφαρμογή των διόδων: τροφοδοτικό dc. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 63
Μια πρακτική εφαρμογή των διόδων: τροφοδοτικό dc (3/5) Το DMM θα δείχνει την πολύ μεγάλη αντίσταση της ανάστροφης πόλωσης της διόδου με μια σειρά διακεκομμένες γραμμές που σημαίνουν ότι η μετρούμενη τιμή είναι έξω από την κλίμακα του οργάνου. Η αντίσταση της περιέλιξης του δευτερεύοντος πηνίου του μετασχηματιστή είναι 10 Ω. 64
Μια πρακτική εφαρμογή των διόδων: τροφοδοτικό dc (4/5) Ερωτήσεις: Τα σημεία ελέγχου στα οποία συνδέονται οι ακροδέκτες του DMM αριθμούνται στο σχήμα δίπλα από 1 έως 4. Βρείτε το σφάλμα σε κάθε ένα από τα τέσσερα τροφοδοτικά βασιζόμενοι στις ενδείξεις του DMM για τους διάφορους συνδυασμούς σημείων ελέγχου που φαίνονται στην πρώτη στήλη του πίνακα αριστερά. Εικόνα 43: Μια πρακτική εφαρμογή των διόδων: τροφοδοτικό dc. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 65
Μια πρακτική εφαρμογή των διόδων: τροφοδοτικό dc (5/5) Εικόνα 44: Μια πρακτική εφαρμογή των διόδων: τροφοδοτικό dc. Πηγή: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 66
Ερωτήσεις Επανάληψης (2/2) Τι σφάλματα μπορούν να συμβούν στο πρωτεύον κύκλωμα του μετασχηματιστή του τροφοδοτικού και πως μπορούν αυτά τα σφάλματα να δειχθούν με ένα DMM; Όταν μετράμε στα άκρα μιας διόδου με ένα DMM, γιατί έχει σημασία η πολικότητα των ακροδεκτών; 67
Βιβλιογραφία Albert P. Malvino, «Βασική Ηλεκτρονική», 4η έκδ./2007, ΙSBN: 978-960-7219-12-0, Εκδ. ΤΖΙΟΛΑ, Κωδικός βιβλίου «ΕΥΔΟΞΟΣ»: 18549034. Thomas L. Floyd, «Ηλεκτρονικά Στοιχεία», 1η έκδ./2014, ΙSBN: 0-13- 238351-9, ΕΚΔΟΤΙΚΟΣ ΟΜΙΛΟΣ ΙΩΝ Γ. Χαριτάντης, «Εισαγωγή στα Ηλεκτρονικά», 2006, ΙSBN: 978-960- 91034-6-6, Εκδ. ΔΕΜΕΡΝΤΖΗΣ ΠΑΝΤΕΛΗΣ, Κωδικός βιβλίου «ΕΥΔΟΞΟΣ»: 2139. Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hal 68
Τέλος Ενότητας
Σημείωμα Αναφοράς Copyright ΤΕΙ Δυτικής Μακεδονίας, Γαύρος Κωνσταντίνος. «Ηλεκτρονικά Ι». Έκδοση: 1.0. Κοζάνη 2015.
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. 71
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. 72
Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων Το Έργο αυτό κάνει χρήση των ακόλουθων έργων: Εικόνες/Σχήματα/Διαγράμματα/Φωτογραφί ες: Thomas L. Floyd & David M. Buchla, «The Science of Electronics», 2005, Prentice Hall 73