ΔίοδοιΔίοδοι

Η ιδανική Δίοδος

Χαρακτηριστική τάσης ρεύματος της ιδανικής διόδου.Ορθή πόλωση

Ανάστροφη πόλωση

Εφαρμογή: Ο ιδανικός Ανορθωτής

Κύκλωμα ΑνορθωτήΚύκλωμα Ανορθωτή

Ορθή πόλωση Ανάστροφη πόλωσηΚυματομορφή Εισόδου Ορθή πόλωση Ανάστροφη πόλωσημ μ ρφή

πp

DC

VV =Ημιανόρθωση:

Κυματομορφή Εξόδου

Κύκλωμα διόδου-αντίστασης

Το κύκλωμα διόδου με αντίσταση σε σειρά

Χαρακτηριστική μεταφοράς του κυκλώματοςΧαρακτηριστική μεταφοράς του κυκλώματος

Κυματομορφή Εισόδου

Κυματομορφή τάσης στα άκρα της διόδου

Παράδειγμα: Φόρτιση μπαταρίας

Κύκλωμα φόρτισης μπαταρίας 12VΚύκλωμα φόρτισης μπαταρίας 12V

Η δίοδος άγει όσο υs>12V.

Αυτό συμβαίνει για γωνία αγωγής 2θ όπου:

24cosθ=12 => θ=600

Η μέγιστη τιμή του ρεύματος της διόδουείναι:είναι:

A12.0100

V)1224(Id =−

=Ω

Η μέγιστη τάση ανάστροφης πόλωσης της διόδου ισούται με:

PIV=24V+12V=36V

Κυματομορφές τάσης εισόδου και ρεύματος

PIV=24V+12V=36V

Λογικές Πύλες με Διόδους

3V

2V

1V1kΩ

1kΩI

I3V

2V

1V

Πύλη OR

Y=A+B+C

Πύλη AND

Y=A·B·C

V3mA3I

==

υ V1mA4I

==

υV3Y =υ V1Y =υ

Χαρακτηριστική I-V Διόδου Πυριτίου

⎥⎤

⎢⎡

−⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

= 1expIi DD

υ Στατική Χαρακτηριστική⎥

⎦⎢⎣

⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

1V

expIiT

sD η Χαρακτηριστική I-V της Διόδου

Ορθή πόλωσηΤάση Κατάρρευσης

Συμπιεσμένη κλίμακα

Ανάστροφη πόλωσηΚατάρρευση

Διευρυμένη κ

0.5V => Τάση αποκοπής

0.7V => Τάση ορθής πόλωσης

kT

κλίμακα2 ή 1

mV25q

kTVT

=

≈=

η

Επίδραση της θερμοκρασίας στη χαρακτηριστική ορθής πόλωσης της διόδου

Για σταθερό ρεύμα, η τάση ορθής όλ σης ης δ όδο ελα ώ ε απόλωσης της διόδου ελαττώνεται

κατά 2mV για κάθε βαθμό Κελσίου αύξηση της θερμοκρασίας.

Ανάλυση Κυκλωμάτων Διόδων (I)

DC Ανάλυση

Χαρακτηριστική της διόδου

Σημείο λειτουργίας

Ευθεία φόρτουΕυθεία φόρτου

Κλίση

⎞⎛ VΧαρακτηριστική της Διόδου: ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

T

DsD V

VexpIIη

VV −

Το σημείο λειτουργίας Qβρίσκεται από τη λύση του συστήματος

Ευθεία φόρτου:R

VVIVRIV DDDDDDDD =⇒+= συστήματος.

Ανάλυση Κυκλωμάτων Διόδων (II)

II IDR3

R

R3<R2<R1

V = σταθ

ID

R = σταθ

Q2

Q3

R2

R1

VDD = σταθ.

Q2

Q3R = σταθ.

VDVDD

Q2Q1

VDVDD2

Q1

VDD1 VDD3

Μεταβολή Τάσης Πόλωσης Μεταβολή Αντίστασης

DVDDDVDD2VDD1 VDD3

Απλουστευμένα Μοντέλα Διόδων (Ι)Το κατά τμήματα Γραμμικό ΜοντέλοΤο κατά τμήματα Γραμμικό Μοντέλο

Ε θύ ή ΒΗ θ ή Ευθύγραμμο τμήμα Β

Κλίση

Η εκθετική χαρακτηριστική

Ευθύγραμμο τμ. Α

Απλουστευμένα Μοντέλα Διόδων (ΙΙ)

Ιδανική

Ισοδύναμο κύκλωμα διόδου με αντίστασηΔίοδος

Κλίση

αντίσταση

0DD

0DDD

VVVVI

VV για 0I

>−

≤=

0DDD

0DDD VV για

rI >=

Ιδανική Δίοδος

Παράδειγμα: Αν VDD=5V, VD0=0.65V, R=1kΩ και rD=20Ω,λ ύ Ι Vνα υπολογιστούν τα ΙD και VD.

Ιδανική Δίοδος

V

4.26mA1kΩ20Ω

0.65)V-(5

735020mA264V650rIVVRrVVI

D

0DDDD

++

=+

=+−

=

Ω V... 735020mA264V650rIVV DD0DD =⋅+=+= Ω

Απλουστευμένα Μοντέλα Διόδων (ΙΙΙ)Το Μοντέλο Σταθερής Πτώσης ΤάσηςΤο Μοντέλο Σταθερής Πτώσης Τάσης

Ευθ. Τμ. Β(κατακόρυφο)

Ευθ. Τμ. Α(οριζόντιο)

Ιδανική Δίοδος

(οριζόντιο)

Απλουστευμένα Μοντέλα Διόδων-Σύνοψη

Μοντέλο Μικρού Σήματος της Διόδου

)t(V)t( dDD υυ +=Η συνολική στιγμιαία τάση της διόδου είναι:

Κλίση=1/rd

Εφαπτομένη στο Q Αντίστοιχα το συνολικό στιγμιαίο ρεύμα:TdDTD V/)υ(VV/υ eIeI)t(i ηη === +

Σημείο πόλωσηςQ TdTdTD V/υ

DV/υV/V

s

ssD

eIeeI

eIeI)t(iηηη =⋅=

===

υυ

D

T

dDD

T

d

iIυII)t(i

)ηVυ(1I)t(i 1

VΑν

+=+=⇒

+≈⇒<<ηυ

ddD

d

dDdT

DD

υ1υVIi

iIυηV

I)t(i

==⇒

+=+=⇒

dT rηV

D

Td I

ηVr = Αντίσταση μικρού σήματος ή δυναμική αντίσταση της διόδου.

AC Ανάλυση

DD IiD

D

dd

ir1g =∂

∂==

υ

Λειτουργία Μικρού Σήματος της Διόδου

Πραγματικό κύκλωμα Ισοδύναμο κύκλωμα

Κύ λ DC άλ Κύ λ AC άλΚύκλωμα για DC ανάλυση Κύκλωμα για AC ανάλυση

DDDD VRIV += dds

r)rR(i +=υ

d

dsd rR

r+

=υυ

Χρήση της Διόδου για σταθεροποίηση τάσης

Σε ένα σταθεροποιητή τάσης, η τάση εξόδου πρέπει να διατηρείται σταθερή:α) παρά τις μεταβολές του ρεύματος φόρτουβ) παρά τις μεταβολές της τροφοδοσίας του σταθεροποιητή.

DDD VVI −=

Td

D

IVr

RI

=

=

η

d

dDDdpp

D

rRrV2

I

+= Δυ

k20RV70VV110V &)( Ω

mV710

k20RV70VV110V

dpp

DDD

.

&.,)( ανπ.χ.

=

⇒=≈±=

υ

Ω

Λειτουργία στην περιοχή κατάρρευσης- Δίοδοι ZenerVZK, IZK : «γόνατο» της χαρακτηριστικής

Ι : ρεύμα δοκιμήςΙΖΤ : ρεύμα δοκιμής

rZ=ΔV/ΔI : δυναμική αντίσταση

VZ0: σημείο τομής της ευθείας Z0 ημ μής ης ςμε τον άξονα των τάσεων ~VZK

Ισοδύναμο Κύκλωμα της Zener

0ZZZKZ

ZZ0ZZ

VVκαιIIγια rIVV

>>+=

0ZZZKZ VV και II για >>

Παράλληλος σταθεροποιητής τάσης με Zener

RI ILΡύθμιση γραμμής = ΔVΟ/ΔVS

ΦόρτοςVs

+

VO

IZ

Ρύθμιση γραμμής ΔVΟ/ΔVS

Ρύθμιση φορτίου = ΔVO/ΔIL

-

//R)r(IrR

rVrR

RVV ZLZ

ZS

Z0ZO −

++

+=

rΡύθμιση γραμμής

Z

Z

rRr+

=

Ρύθμιση φορτίου //RrZ−=

IVV

maxmin

minmin

LZ

ZZ0ZS

IIIrVVR

+−−

=Επιλογή της αντίστασης R ώστε το ρεύμα της Zenerνα μη γίνεται πολύ χαμηλό:

Άσκηση Για μία δίοδο Zener δίνεται ότι VZ=10V για IZ=10mA50Ω Ν λ ί V ) ύ δ λ ίκαι rZ=50Ω. Να υπολογιστεί η VZ α) αν το ρεύμα διπλασιαστεί

και β) αν το ρεύμα υποδιπλασιαστεί. Ποια η τιμή VZ0 για τομοντέλο της διόδουμοντέλο της διόδου.

Το μοντέλο της Zener

Φωτοδίοδοι

•Αν η περιοχή απογύμνωσης της διόδουεπαφής pn φωτιστεί από φως αρκετά υψηλήςσυχνότητας, τα φωτόνια μπορούν να δώσουν

ή έ ώ έαρκετή ενέργεια ώστε να επιτρέψουν σταηλεκτρόνια να περάσουν το ενεργειακό χάσματου ημιαγωγού και να δημιουργήσουν ζεύγηοπών ηλεκτρονίωνοπών-ηλεκτρονίων.

•Οι φωτοφωρατές μετατρέπουν το φως σεηλεκτρικό σήμα. Συνήθως πολώνονταιανάστροφα ώστε να αυξηθεί το εύρος τηςπεριοχής απογύμνωσης.

•Τα ηλιακά κύτταρα μετατρέπουν την ηλιακήΤα ηλιακά κύτταρα μετατρέπουν την ηλιακήενέργεια σε ηλεκτρική.

Δίοδοι Φωτοεκπομπής (LED)

•Όταν ηλεκτρόνια και οπέςεπανασυνδέονται, απελευθερώνουνενέργεια.

•Αυτή η ενέργεια συχνάαπελευθερώνεται σαν θερμότηταμέσα στον κρύσταλλο, αλλά σεμ ρ ,μερικά υλικά μετατρέπεται σε φως.

•Κατασκευάζονται LED σε μεγάληπεριοχή μηκών κύματοςπεριοχή μηκών κύματος.

•Το πλαστικό περίβλημα βοηθάειστην κατευθυντικότητα της δέσμης.

Κυκλώματα Ανορθωτών

Ανορθωτής Διόδου

ΦίλτροΣταθερο-ποιητής ΦόρτοςΔιόδουτάσης

Σχηματικό διάγραμμα τροφοδοτικού DC

Ανορθωτής Ημικύματος ή Ημιανορθωτής

0DSO VV,0V <=

0DSD

0DD

SO VV,rR

RVrR

RVV ≥+

−+

=

V7.0VVRr 0D0DSOD ≈−≈⇒<< μευυγια

Χαρακτηριστική μεταφοράς του ανορθωτή ημικύματος

Σημαντικά χαρακτηριστικά:

•Μέγιστο ρεύμα ορθής πόλωσης

•Μέγιστη τάση ανάστροφης πόλωσης PIV=Vs

Άσκηση: Για τον ημιανορθωτή, θεωρώντας ότι rD=0, να αποδειχθούν ταακόλουθα: α) Η δίοδος αρχίζει να άγει σε γωνία Θ=sin-1(V /V ) και άγει συνολικάακόλουθα: α) Η δίοδος αρχίζει να άγει σε γωνία Θ=sin-1(VD0/Vs) και άγει συνολικάμέσα σε γωνία (π-2Θ). β) Η μέση τιμή της υΟ είναι VO=(1/π)Vs-VD0/2. γ) Η τιμήκορυφής του ρεύματος είναι (Vs-VD0)/R.

⎞⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=⇒=⇒= −

s

0D1

s

0D0Ds V

VV

VVVa sinsinsin) ΘΘΘ

Η δίοδος παύει να άγει για π-Θ =>Ολική αγώγιμη γωνία= (π-Θ)-Θ=π-2Θ

1 2

00 DsDS

d)VV(V

VsinVV)

θθ

−θ=−υ=υβ

∫π

Ο

1

21

0

00

D

DsO

d)VsinV(

d)VsinV(V

=θ−θ=

=θ−θπ

=

∫

∫Θ−π

22

2

0

0

Ds

Ds

dVdsinV

d)VsinV(

=θπ

−θθπ

=

θθπ

∫ ∫

∫Θ−π Θ−π

Θ

22

22

2

22

00 DsDs VV)(VcosV−

π≈Θ−π

π−Θ

π=

ππ ∫ ∫Θ Θ

RVVI

RViRiV 0Ds

d0DS

DD0DS−

=⇒−

=⇒+=υυγ )

Ανορθωτής Πλήρους Κύματος ή Πλήρης Ανορθωτής

Χαρακτηριστική μεταφοράςτου ανορθωτή πλήρους κύματος

VD0VD0

ρ ή ήρ ς μ ςVD0

0Dss0Ds VV2V)VV(PIV −=+−=

Ανορθωτής Γέφυρας

Δεν χρειάζεται μετασχηματιστής με μεσαία λήψη.

D0sD0D0s

D2O3D

V-VV2V-VPIV(ορθή))ά(

=+=⇒+= υυστροφηανυ

VD0

Πλεονεκτήματα:•Μικρό PIV•Περίπου μισές σπείρες δευτερεύοντος•Περίπου μισές σπείρες δευτερεύοντος

Άσκηση: Για τον ανορθωτή γέφυρας του σχήματος, θεωρώντας για τις διόδουςτο μοντέλο σταθερής τάσης να υπολογιστούν: α) το ποσοστό της περιόδου κατάτο μοντέλο σταθερής τάσης, να υπολογιστούν: α) το ποσοστό της περιόδου κατάτο οποίο η τάση εξόδου υΟ παραμένει μηδενική και β) η μέση τιμή της υΟ, ότανστην είσοδο εφαρμόζεται ημιτονικό σήμα τάσης.

Άσκηση: Το κύκλωμα του σχήματος υλοποιεί έναν ανορθωτήσυμπληρωματικής εξόδου Σχεδιάστε τις κυματομορφές εξόδου υ + και υ -συμπληρωματικής εξόδου. Σχεδιάστε τις κυματομορφές εξόδου υο+ και υο- .Θεωρείστε για τις διόδους το μοντέλο σταθερής τάσης με VD=0,7V. Αν η μέσητιμή της τάσης για κάθε έξοδο πρέπει να είναι 15V, να υπολογιστεί το πλάτος τουημιτόνου στα δευτερεύοντα τυλίγματα του μετασχηματιστή Ποιο είναι το PIV γιαημιτόνου στα δευτερεύοντα τυλίγματα του μετασχηματιστή. Ποιο είναι το PIV γιακάθε δίοδο;

Ανορθωτής με Φίλτρο Πυκνωτή

Χρησιμοποιείται πυκνωτής για μείωση της κυμάτωσης.

Ιδανική δίοδος και ιδανικός πυκνωτήςΙδανική δίοδος και ιδανικός πυκνωτής.

Ανορθωτής με Φίλτρο RC

Ιδανική δίοδος και RC>>T.

I

OL

idCiii

Ri

+=+=

=

υ

υ

Η δίοδος άγει κατά Δt, όπου:

LLCD idt

Ciii +=+=

DpI2

OI1

0iVtt

=⇒=→=→

υυυ

rpO

V

VVT −=→≈ υ

rpO

pLOpr

V21VV

RV

IVV

−=

≈⇒≈⇒<<

αακριβέστερ ή

DC.σταθυ

p 2

Ανορθωτής με Φίλτρο RC (συνέχεια)Υπολογισμός του ρεύματος της διόδου

Κατά την αποκοπή: eV RC/tpO = −υη ή

eVVV:ό στο τέλος

RC/Tprp ≈− −

ρτισηςεκφτης

fRCV

RCTVV

RCT1eTRC p

prRC/T

prp

=≈⇒−≈⇒>> − για

Ο αγώγιμος χρόνος Δt υπολογίζεται από την: rpp

(ωΔt) μικρά για

VVΔt)cos(V −=ω

2

V/2VΔt

Δt)(21-1Δt)cos( ≈ ωω

Cavsup tiQ = Δpr V/2VΔt ≈ω

rpLDav

rlost

p

)V/2V1(Ii

CVQ

+=

=

π

DavrpLmaxD

p

i2)V/2V21(Ii ≈+= π

Ανορθωτής κορυφής πλήρους κύματος

VV p= Σε σύγκριση με τον ανορθωτή κορυφής

)V2/V1(Ii

fRC2V

rpLDav

r

π+=

= Σε σύγκριση με τον ανορθωτή κορυφής ημικύματος:• Απαιτείται πυκνωτής με τη μισή χωρητικότητα.

)V2/V21(Ii rpLmaxD π+=χωρητικότητα.• Το ρεύμα σε κάθε δίοδο είναι περίπου το μισό.

Εφαρμογές:• Φωρατής κορυφής (Peak Detector)• Φωρατής κορυφής (Peak Detector)• Αποδιαμορφωτής ΑΜ

Περιορισμός ή Ψαλιδισμός

Κυκλώματα Περιορισμού - Ψαλιδισμού

Άσκηση: Να σχεδιαστεί η χαρακτηριστική μεταφοράς λώ δί δ θ θ ύ δ έτου κυκλώματος αν οι δίοδοι θεωρηθούν ιδανικές

R Λύση:R=

I

η

άέά

V5V5

IO

I

=⇒

≤≤−•

υυδοςκλναςκανγειδεν

υγια

R=R=V5

άύά

V5I

⇒

≥•

δοςκλτεροςδεογει

υγια

1υίV5,2IRV5R2

V5IIR5VIR

ΟIOO

I

==⇒+=⇒+=

−=⇒++=

Δσηκλυυυ

υυΙ

υO

5V

1/2

άώά

V5

2Δυ,

2

I

ΙOO

−≤•

δλ

υγια

η

υI5V-5V

1υR2

V5IIR5VIRάώά

I +=⇒+−=

⇒

Δυ

υυ

δοςκλτοςπρογει

Ι

-5V

1/2 21

ΔυυίV5,2

2IRV5

Ι

ΟIOO ==⇒−=⇒+−=

Δσηκλυυυ

Αποκατάσταση συνεχούς τάσης

Διπλασιασμός Τάσης