Τμήμα Μηχανικών Η/Υ, Τηλεπικοινωνιών και Δικτύων Ηλεκτρονική Δίοδοι Τμήμα Μηχανικών Η/Υ, Τηλεπικοινωνιών και Δικτύων

Δομή παρουσίασης Εισαγωγή Ιδανική δίοδος – ανάλυση Μοντέλο ασθενούς σήματος Λειτουργία στην περιοχή διάσπασης - Zener Ανορθωτές Κυκλώματα περιορισμού και προσδέσεως

Εισαγωγή Η δίοδος είναι το απλούστερο μη γραμμικό κύκλωμα Η χαρακτηριστική ρεύματος – τάσης ( i – υ ) είναι μη γραμμική Η πιο συνήθης εφαρμογή τους είναι σε κυκλώματα ανορθωτών

Η ιδανική δίοδος sedr42021_0301a.jpg Σχήμα 3.1 (a) Το κυκλωματικό σύμβολο, (b) η i–υ χαρακτηριστική, το ισοδύναμο κύκλωμα κα την (c) ανάστροφη φορά και (d) κατά την ορθή φορά

Η ιδανική δίοδος sedr42021_0302a.jpg Σχήμα 3.2 Οι δύο τρόποι λειτουργίας των ιδανικών διόδων και η χρήση εξωτερικού κυκλώματος για τον περιορισμό (a) του ρεύματος ορθής πόλωσης και (b) της τάσης ανάστροφης πόλωσης

Ανορθωτής sedr42021_0303a.jpg Σχήμα 3.3 (a) Κύκλωμα ανορθωτή (b) Κυματομορφή εισόδου (c) Ισοδύναμο κύκλωμα για vI  0 (d) Ισοδύναμο κύκλωμα για vI ≤ 0(e) Κυματομορφή εξόδου

Άσκηση 3.1 (σελ. 163) Στο κύκλωμα του σχήματος (κάτω αριστερά) σχεδιάστε τη συνάρτηση μεταφοράς uΟ ως προς uI. sedr42021_e0301.jpg Απάντηση

Άσκηση 3.2 (σελ. 163) Για το κύκλωμα του σχήματος (κάτω αριστερά) σχεδιάστε την κυματομορφή της uD . sedr42021_e0302.jpg Απάντηση

Άσκηση 3.3 (σελ. 163) Στο κύκλωμα του σχήματος η uI έχει μέγιστη τιμή 10 V και R= 1 kΩ. Βρείτε τη μέγιστη τιμή του iD και την dc συνιστώσα της uΟ. sedr42021_0303a.jpg Απάντηση: 10 mA, 3.18 V

Παράδειγμα 3.1 (σελ. 164) Το σχήμα 3.4(a) δείχνει ένα κύκλωμα που χρησιμοποιείται για την φόρτωση μπαταρίας 12 V. Αν η τάση υs είναι ημιτονοειδής με μέγιστη τιμή 24 V βρείτε το μέρος κάθε κύκλου που η δίοδος άγει. Επίσης βρείτε τη μέγιστη τιμή του ρεύματος της διόδου και τη μέγιστη τάση ανάστροφης πόλωσης που εμφανίζεται κατά μήκος της διόδου sedr42021_0304a.jpg Σχήμα 3.4 Το κύκλωμα και οι κυματομορφές του παραδείγματος 3.1

Λογικές πύλες με διόδους sedr42021_0305a.jpg Σχήμα 3.5 Λογικές πύλες με διόδους: (a) πύλη OR, (b) πύλη AND

Παράδειγμα 3.2 (σελ. 166) Υποθέτοντας ιδανικές διόδους βρείτε τις τιμές των I και V στα κυκλώματα του σχήματος sedr42021_0306a.jpg Σχήμα 3.6 Τα κυκλώματα του παραδείγματος 3.2

Άσκηση 3.4 (σελ. 168) Βρείτε τις τιμές Ι και V για τα κυκλώματα του σχήματος sedr42021_e0304a.jpg

Χαρακτηριστικές πραγματικών διόδων sedr42021_0307.jpg Σχήμα 3.7 Η χαρακτηριστική i – υ για μια δίοδο ένωσης πυριτίου

Χαρακτηριστικές πραγματικών διόδων sedr42021_0308.jpg Σχήμα 3.8 Η χαρακτηριστική i – υ με τους άξονες σε διαφορετικές κλίμακες για να φανούν οι λεπτομέρειες της καμπύλης

VT = kT/q ≈ 25 mV (θερμική τάση) Περιοχή ορθής πόλωσης i = Is (e υ/nVT -1) VT = kT/q ≈ 25 mV (θερμική τάση) n = 1 για ολοκληρωμένες διόδους n = 2 για διακριτές Για i >> IS έχουμε: i = ISeυ/nVT Οπότε: υ = n∙VT∙ln(i/IS) sedr42021_0308.jpg

Περιοχή ορθής πόλωσης έστω Ι1 το ρεύμα που αντιστοιχεί σε τάση V1: I1 = ISeV1/nVT και Ι2 το ρεύμα που αντιστοιχεί σε τάση V2: I2 = ISeV2/nVT Οπότε: V2 - V1 = n∙VT∙ln(I2/I1) ή V2 - V1 = 2.3 ∙ n∙VT∙log(I2/I1) sedr42021_0308.jpg

Ανάστροφη πόλωση Αρνητική τάση στα άκρα της διόδου Το ρεύμα κατά την ανάστροφη φορά είναι αρνητικό και ίσο με Ιs. i ≈ - Ιs (ρεύμα κόρου) sedr42021_0308.jpg

Περιοχή Διάσπασης Η απόλυτη τιμή της ανάστροφης τάσης ξεπερνά ένα κατώφλι (τάση διάσπασης) Το ανάστροφο ρεύμα αυξάνει πολύ γρήγορα ενώ η αντίστοιχη πτώση τάσης παραμένει μικρή sedr42021_0308.jpg

Ανάλυση κυκλωμάτων διόδων Γραφική Ανάλυση Γραμμή φορτίου Χαρακτηριστική διόδου Σημείο λειτουργία sedr42021_0311.jpg Σχήματα 3.10 & 3.11 Απλό κύκλωμα με δίοδο και γραφική ανάλυσή του

Ανάλυση κυκλωμάτων διόδων Επαναληπτική Ανάλυση Παράδειγμα 3.4 Βρείτε το ρεύμα ID και την τάση VD της διόδου για το κύκλωμα του σχήματος με VDD = 5 V και R = 1 KΩ. Υποθέστε ότι στα 0.7 V η δίοδος διαρρέεται από ρεύμα 1 mA και ότι η πτώση τάσης αλλάζει 0.1 V για κάθε αλλαγή δέκα μονάδων του ρεύματος. sedr42021_0311.jpg

Απλουστευμένο μοντέλο sedr42021_0312.jpg Σχήμα 3.12 Προσέγγιση του τμήματος της χαρακτηριστικής της διόδου που αντιστοιχεί στην ορθή πόλωση με δυο ευθύγραμμα τμήματα

Απλουστευμένο μοντέλο sedr42021_0313a.jpg Σχήμα 3.13 Το τμηματικά γραμμικό μοντέλο του τμήματος της χαρακτηριστικής της διόδου και το ισοδύναμο κύκλωμά του

Απλουστευμένο μοντέλο sedr42021_0314.jpg Σχήμα 3.14 Το κύκλωμα του σχήματος 3.10 μετά την αντικατάσταση της διόδου με το τμηματικά γραμμικό μοντέλο της

Μοντέλο σταθερής πτώσης τάσης sedr42021_0315.jpg Σχήμα 3.15 Ανάπτυξη του μοντέλου σταθερής πτώσης τάσης για το τμήμα της χαρακτηριστικής της διόδου που αντιστοιχεί στην ορθή πόλωση. Μια κάθετη ευθεία (B) χρησιμοποιείται για να προσεγγίσει την απότομα αυξανόμενη εκθετική

Μοντέλο σταθερής πτώσης τάσης sedr42021_0316a.jpg Σχήμα 3.16 Το μοντέλο σταθερής πτώσης τάσης για το τμήμα της χαρακτηριστικής της διόδου που αντιστοιχεί στην ορθή πόλωση και το ισοδύναμο κύκλωμά του

Άσκηση 3.12 (σελ. 183) Σχεδιάστε το κύκλωμα του σχήματος Ε3.12 έτσι ώστε η τάση εξόδου να είναι 2.4 V. Υποθέστε ότι οι δίοδοι που έχετε στη διάθεσή σας έχουν πτώση τάσης 0.7 V στο 1 mA και ότι ΔV = 0.1V / δεκάδα αλλαγής στο ρεύμα. sedr42021_e0312.jpg Σχήμα E3.12

Μοντέλο ασθενούς σήματος Για σήματα πλάτους μικρότερου από 10 mV Αντίσταση διόδου ασθενούς σήματος, ή αντίσταση μικρών μεταβολών ή δυναμική αντίσταση rd = n∙VT/ID sedr42021_0317a.jpg Σχήμα 3.17 Ανάπτυξη του μοντέλου ασθενούς σήματος της διόδου (για n = 2)

Παράδειγμα 3.6 (σελ. 189) sedr42021_0318a.jpg Σχήμα 3.18 (a) Κύκλωμα παραδείγματος 3.6, (b) Κύκλωμα για τον υπολογισμό του σημείου λειτουργίας dc και (c) Ισοδύναμο μικρού σήματος

Παράδειγμα 3.7 (σελ. 191) Μια σειρά από τρεις διόδους χρησιμοποιείται για να δώσει μια σταθερή τάση 2.1 V. Θέλουμε να υπολογίσουμε το ποσοστό κατά το οποίο αλλάζει αυτή η τάση, όταν (α) έχουμε μια διακύμανση ±10% στην τροφοδοσία του κυκλώματος και (β) συνδέσουμε ένα φορτίο 1 kΩ. Υποθέστε n = 2 sedr42021_0319.jpg Σχήμα 3.21 Το κύκλωμα του παραδείγματος 3.7

Μοντελοποιώντας τα χαρακτηριστικά ορθής πόλωσης της διόδου sedr42021_tb0301.jpg

Μοντελοποιώντας τα χαρακτηριστικά ορθής πόλωσης της διόδου sedr42021_tb0307.jpg

Λειτουργία στην περιοχή διάσπασης Δίοδοι Zener Η απότομη κλίση της καμπύλης i – υ στην περιοχή διάσπασης και η σχεδόν σταθερή πτώση τάσης καθιστά τη δίοδο που λειτουργεί στην περιοχή αυτή κατάλληλη για χρήση στη σχεδίαση ρυθμιστών τάσης sedr42021_0320.jpg Σχήμα 3.22 Το κυκλωματικό σύμβολο της διόδου Zener

Λειτουργία στην περιοχή διάσπασης Δίοδοι Zener Σχήμα 3.21 Η i – υ χαρακτηριστική της διόδου με λεπτομερή παράσταση της περιοχής διάσπασης

Λειτουργία στην περιοχή διάσπασης Δίοδοι Zener sedr42021_0322.jpg Σχήμα 3.22 Το μοντέλο της διόδου zener

Παράδειγμα 3.8 (σελ. 195) sedr42021_0323a.jpg Σχήμα 3.25 (a) Το κύκλωμα του παραδείγματος 3.8 (b) το κύκλωμα μετά την αντικατάσταση της zener με το ισοδύναμο κύκλωμα του μοντέλου της

Κυκλώματα ανορθωτών sedr42021_0324.jpg Σχήμα 3.24 Σχηματικό διάγραμμα μιας γεννήτριας ρεύματος dc

Απλή ανόρθωση sedr42021_0325a.jpg Σχήμα 3.29 (a) απλός ανορθωτής (b) ισοδύναμο κύκλωμα (c) χαρακτηριστική μεταφοράς (d) κυματομορφές εισόδου και εξόδου για rD << R

Πλήρης ανόρθωση sedr42021_0326a.jpg Σχήμα 3.30 Πλήρης ανόρθωση χρησιμοποιώντας μετασχηματιστή με μεσαία λήψη (a) το κύκλωμα, (b) η συνάρτηση μεταφοράς υποθέτοντας το μοντέλο σταθερής πτώσης τάσης για τις διόδους, (c) κυματομορφές εισόδου και εξόδου

Ανορθωτής γέφυρας sedr42021_0327a.jpg Σχήμα 3.31 Ο ανορθωτής γέφυρας: (a) το κύκλωμα, (b) κυματομορφές εισόδου και εξόδου

Ανορθωτής με φίλτρο πυκνωτή Ανορθωτής κορυφής ή ανιχνευτής κορυφής sedr42021_0328a.jpg Σχήμα 3.32 (a) επίδραση του φίλτρου πυκνωτή και (b) κυματομορφές εισόδου και εξόδου υποθέτοντας ιδανική δίοδο

Ανορθωτής με φίλτρο πυκνωτή sedr42021_0329a.jpg Σχήμα 3.29 Κυματομορφές τάσης και ρεύματος για το κύκλωμα του ανορθωτή κορυφής (α) με CR >> T. Η δίοδος θεωρείται ιδανική

Πλήρης ανόρθωση με φίλτρο πυκνωτή sedr42021_0330.jpg Σχήμα 3.34 Πλήρης ανόρθωση με χρήση πυκνωτή

Κυκλώματα περιορισμού ή ψαλιδισμού sedr42021_0332.jpg Σχήμα 3.32 Η γενικευμένη συνάρτηση μεταφοράς ενός κυκλώματος περιοριστή

Κυκλώματα περιορισμού ή ψαλιδισμού Απότομος περιοριστής (hard limiter) sedr42021_0333.jpg Σχήμα 3.33 Η εφαρμογή ενός ημιτονοειδούς σήματος στην είσοδο του περιοριστή μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα τον ψαλιδισμό των κορυφών του

Κυκλώματα περιορισμού ή ψαλιδισμού Ο βαθμιαίος (ομαλός) περιορισμός χαρακτηρίζεται από μια λιγότερο απότομη μετάβαση από τη γραμμική περιοχή στην περιοχή κορεσμού και από μια μη μηδενική κλίση στις περιοχές κορεσμού sedr42021_0334.jpg Σχήμα 3.34 Ομαλός περιορισμός

Κυκλώματα περιορισμού ή ψαλιδισμού sedr42021_0335.jpg Σχήμα 3.38 Διάφορα κυκλώματα περιορισμού

Άσκηση 3.25 (σελ. 220) Θεωρώντας ιδανικές διόδους περιγράψτε τη χαρακτηριστική μεταφοράς του κυκλώματος του παρακάτω σχήματος Σχήμα Α3.25 sedr42021_e0327.jpg υο = υΙ για -5 V ≤ υΙ ≤ +5 V υο = ½ υΙ – 2.5 V για υΙ ≤ -5 V υο = ½ υΙ +2.5 V για υΙ ≥ +5 V

Άσκηση με περιοριστή (limiter) Για τον παθητικό συμμετρικό περιοριστή του σχήματος να βρείτε το πάνω και κάτω επίπεδο περιορισμού (λαμβάνοντας υπόψη την πτώση τάσης 0.7 V στα άκρα της διόδου) το κέρδος Κ, τις πάνω και κάτω τάσης κατωφλίου (στην είσοδο). Ποιο είναι το ρεύμα που απαιτείται στην είσοδο ώστε να προκύψει η διπλάσια της πάνω τάσης κατωφλίου; sedr42021_e0327.jpg

Κυκλώματα αποκατάστασης dc τάσης sedr42021_0336.jpg Σχήμα 3.39 Το κύκλωμα του προσδεδεμένου πυκνωτή ή αποκατάστασης dc τάσης με είσοδο τετραγωνική κυματομορφή και χωρίς φορτίο

Κυκλώματα αποκατάστασης dc τάσης sedr42021_0337.jpg Σχήμα 3.40 Το κύκλωμα προσδεδεμένου πυκνωτή με αντίσταση φορτίου R

Ανιχνευτής περιβάλλουσας ή γραμμικός φωρατής Φωρατής Ανιχνευτής περιβάλλουσας ή γραμμικός φωρατής Ανακτά την πληροφορία ενός κύματος διαμορφωμένου κατά AM Αποτελείται από τροφοδοτικό απλής ανόρθωσης με φίλτρο εξομάλυνσης RC και πυκνωτή για να κόψει τη DC συνιστώσα του αποδιαμορφωμένου σήματος sedr42021_0337.jpg