Diode circuit
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Preview Rectifier circuits Zener diode circuits Clipper and clamper circuits Multiple-diode circuits Photodiode and LED circuits. Diode Circuit. Rectifier circuits (1/33). Pre-word 二極體的重要應用之一:設計整流器電路 二極體整流電路形成 dc 電源供應的第一級 整流:改變並限制 ac 電壓到一種極性的過程 二極體具有用功能:因其非線性特性,即電流在某一電壓極性時存在,在另一極性時則為零

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Diode circuit

Preview

Rectifier circuits

Zener diode circuits

Clipper and clamper circuits

Multiple-diode circuits

Photodiode and LED circuits

Diode Circuit


Rectifier circuits 1 33

Rectifier circuits (1/33)

Pre-word

二極體的重要應用之一:設計整流器電路

二極體整流電路形成dc電源供應的第一級

整流:改變並限制ac電壓到一種極性的過程

二極體具有用功能:因其非線性特性,即電流在某一電壓極性時存在,在另一極性時則為零

分為半波及全波


Rectifier circuits 2 33

Rectifier circuits (2/33)

半波整流

電壓與圈數

:變壓器圈數比

解題技巧:二極體電路

使用二極題片段線性模型時,主要在決定導通及不導通之輸入電壓,以及其相對的輸出訊號

N1I1=N2I2

Power=V1I1=V2I2


Rectifier circuits 3 33

Rectifier circuits (3/33)

  • 電壓轉換特性

    • vS<Vr不導通:輸出電壓為零

    • vS>Vr導通:


Rectifier circuits 4 33

Rectifier circuits (4/33)

  • 若輸入為弦波

    • VS<Vr則VO=0, VS>Vr則VO=VS-Vr

    • 輸入訊號極性交替,時間平均為零,但輸出則

      單一極性且時間平均不為零

  • 半波整流器:只在輸入訊號正半週有輸出電壓

  • 二極體需容忍順向尖峰電流及尖峰反向電壓PIV

  • 因不導通時無電流,所以電阻無壓降,全部壓降皆

    在二極體


Rectifier circuits 5 33

Rectifier circuits (5/33)

Peak Inverse Voltage of the Half-Wave Rectifier

Input

output

Peak Inverse Voltage(PIV)=Max(vO-vS)=VS


Rectifier circuits 6 33

Rectifier circuits (6/33)

  • 負載線

    • Q點: 二極體特性曲線(片段線性模型)與負載線的交點

      • 負載線1:VS=VP>Vr>0:

        • iD=0, then VD=+VP

        • VD=0, then iD=VP/R

      • 負載線2:VS= -VP<Vr<0 :

        • iD=0, then VD= -VP

        • VD=0, theniD= -VP/R


Rectifier circuits 7 33

Rectifier circuits (7/33)

因R為定值,所以負載線斜率固定

因電源電壓隨時間而變,負載線大小亦隨時間而變

當負載線掃過I-V特性曲線,二極體之電壓電流便決定,也是時間函數


Rectifier circuits 8 33

Rectifier circuits (8/33)

  • 充電

    • 當瞬間ac電源電壓大於電池電壓加二極體切入電壓時有充電電流,R 則用以限制電流大小

    • 小於時無電流,所以無能量散失,但也無法使用可用能量,而形成浪費


Rectifier circuits 9 33

Rectifier circuits (9/33)

Example 2.1:如下圖.假設

       求最大 ID,最大反向二極體電壓、與二極體 導通佔一個週期的百分比

解答:二極體峰值電流

   二極體最大反向電壓:

or

   二極體導通週期:

對稱來說,

導通百分比=


Rectifier circuits 10 33

Rectifier circuits (10/33)

  • 全波整流電路之一例

    • 從次級的中心接地引線提供兩個等電壓之輸出VS

      • VS=VI(N2/N1) (N2僅次級全部線圈數的一半)

      • 變壓器亦提供電氣隔絕以降低電擊的危險

    • 正負週皆有電壓輸出,所以此電路稱全波整流電路

      • 正(負)半週D1(D2)導通,有電流流經R而得正的vO


Rectifier circuits 11 33

Rectifier circuits (11/33)

中間抽頭式全波整流器最高反向電壓(PIV)

PIV= (VS-VD0 )-(-VS)

=2 VS-VD0


Rectifier circuits 12 33

Rectifier circuits (12/33)

全波整流電路另一例:正輸出橋式整流器

  • 仍提供輸入與輸出之電氣隔絕,但與前例有所不同

    • 使用四個二極體,而非前例只用兩個

    • 接地連接方式不同:前例次級中心引線為接地,橋式則

      無。橋式之接地在R之一端


Rectifier circuits 13 33

正半週D1及D2導通,負半週D3及D4導通

電流流經R 的方向相同,所以輸出電壓極性相同

因通路上有兩個二極體,所以有兩倍的二極體壓降

Rectifier circuits (13/33)


Rectifier circuits 14 33

Rectifier circuits (14/33)

正值橋式整流器的最大反向電壓

vD3=vO+vD2

PIV=max(vO)+VD0

=VS-2VD0+VD0=VS-VD0


Rectifier circuits 15 33

Rectifier circuits (15/33)

  • 全波整流電路另一例:負輸出橋式整流器

負輸出

正輸出


Rectifier circuits 16 33

Rectifier circuits (16/33)

  • Example 2.2:比較兩全波整流器電路

  • 兩種整流器通路所經二極體數目不同

    • 四個 (橋式)  兩個(中間抽頭)

    • 注意電壓值為rms值,為峰值除以

  • 接地點的連接

    • 電阻的一邊接地(橋式)

    • 線圈的中央接地(中間抽頭)


Rectifier circuits 17 33

也要考慮二極體未通時之PIV

中心接地式:二倍vS跨在一順偏一反偏之二極體上

橋式:一倍vS跨在一順偏一反偏之二極體上

由結果看出橋式之優勢

線圈數只要一半,因中心接地式的每次只用一半線圈,而浪費了另一半

所需容忍的崩潰電壓也僅需一半

Rectifier circuits (17/33)


Rectifier circuits 18 33

Rectifier circuits (18/33)

Charge at t=0

DisCharge at t=t1

vO=0 at t=0


Rectifier circuits 19 33

Rectifier circuits (19/33)

  • Filters, Ripple voltage, and diode current

    • 並聯電容至負載形成簡單的濾波器,可將半波弦波輸出成dc電壓

      • 充電:假設rf=0,所以時間常數 rfC=0,當vS爬昇時,電容迅速充電

      • 放電:當vS下降時,因電壓比電容電壓小,所以電容放電,因二極體此時反向,所以經 R 放電


Rectifier circuits 20 33

在峰值時的微妙差異:二極體並非馬上切掉的

剛開始電容放電比電源下降快,所以至t1前仍為導通。若RC值夠大,電容放電較慢,則此時間很短

再充電:在下個正半週,當輸入電壓大於電容電壓使二極體導通時,會充電直到峰值

濾波器電容:因其濾掉大部分弦波訊號故稱

全波濾波整流器之漣波效應類似

Rectifier circuits (20/33)


Rectifier circuits 21 33

Rectifier circuits (21/33)

  • 全波濾波整流器之漣波分析

    • 輸出(電容或RC電路放電)電壓

      • t’是達峰值後之時間;最小輸出電壓 ,T’放電時間

      • 漣波電壓

        • 一般T’<<RC,則

        • 若漣波效應小,可近似令T’=TP,則

Tp為訊號週期T的一半

  • 半波:因TP近週期,所以


Rectifier circuits 22 33

Rectifier circuits (22/33)

  • 二極體充電電流分析

    • 若忽略二極體切入電壓(即可充電至峰值)、t=0導通

      則輸出值可近似

    • 電容的充電電流


Rectifier circuits 23 33

Rectifier circuits (23/33)

  • 二極體導通期間 - < t < 0

  • 在 - 時, 電容充電電流有最大值

  • VL


Rectifier circuits 24 33

Rectifier circuits (24/33)

  • 從 方程式 2-10

    可求出最大充電電流iCpeak

  • 電容的充電電流近似為三角波形


Rectifier circuits 25 33

Rectifier circuits (25/33)

  • 忽略漣波電壓 Vr,負載電流可近似

  • 二極體峰值電流

  • 二極體在導通期間平均電流

  • 二極體在整個輸入訊號的週期內的平均電流


Rectifier circuits 26 33

Rectifier circuits (26/33)

  • 全波整流器輸出入的頻率關係 1/(2T)=f

  • 導通時間可表為

  • 輸出導通比例

  • 二極體在全波整流器整個週期中流過二極體的平均電流


Rectifier circuits 27 33

Rectifier circuits (27/33)

  • 結果二極體之電流近似( )一個三

    角波,整個平均為


Rectifier circuits 28 33

Rectifier circuits (28/33)

  • Example 2-4:已知輸出峰值電壓12V、漣波百分比5%、負載電流120 mA及輸入交流電壓120V(rms) 60Hz,設計全波整流以符合所需

  • 解答:由輸出電壓電流可求

  • 若二極體導通電壓0.7 V,最大輸出峰值Vs為

    均方根輸出電壓為

    輸出入匝數比


Rectifier circuits 29 33

Rectifier circuits (29/33)

由漣波百分比可求

再代入公式求濾波電容C,

二極體最大電流

二極體輸出平均電流

PIV


Rectifier circuits 30 33

應用電路一:接收器---振幅調變(AM)訊號

無線頻率載波---振幅如載波頻率改

變如右圖(a)

接收電路如(b)為一個半波整流電路

伴隨一個RC濾波器於輸出端

應用關鍵:RC時間長數應當接近於

載波的週期。如此輸出電壓才可反映

出載波訊號內每個訊號的峰值。

輸出電壓經由電容耦合入擴大機以

濾掉直流準位

Rectifier circuits (30/33)


Rectifier circuits 31 33

Rectifier circuits (31/33)

應用電路二---倍壓電路---類似全波整流器

其中的兩個二極體取代成電容器

可產生二倍於變壓器峰值的電壓

第一負半週

第一正半週


Rectifier circuits 32 33

Rectifier circuits (32/33)

  • 第一負半週:

    • C1經D2充電至VM

    • 第二端為正極

    • 假設RLC2很大則C2亦緩慢充電

    • C1充電至VM後,經RL及C2放電,但因RL(C2 +C1)很大,

      所以放電很慢


Rectifier circuits 33 33

第一正半週:

C2經D1充電至VM

C2充電至VM後,幾乎維持不變

C1在第一負半週幾乎維持在VM,所以未充電

第二週起幾無充放電

第一負半週:

第一正半週:

Rectifier circuits (33/33)


Zener diode circuits 1 8

Zener diode circuits (1/8)

  • 電壓調節器(固定電壓參考電路):齊納

    • 齊納電壓調節器電路:

      • 輸出電壓為定值---即使輸入電壓及輸出負載電阻改變相當大的範圍

        • 輸入電阻(齊納電阻為0)

        • 限制流經齊納二極體的電流及卸去VPS與VZ間多餘的電壓IL=VZ/RL,所以IZ只與VPS及IL有關


Zener diode circuits 2 8

正常運作:在崩潰區,功率消耗在額定值內

最小電流:最大負載電流及最小電壓源

最大電流:最小負載電流及最大電壓源

當Ri固定(令上兩式相等)後,可由輸入電壓範圍、輸出負載電流範圍及齊納工作電壓可求得IZ(min)與IZ(max)

Zener diode circuits (2/8)


Zener diode circuits 3 8

Zener diode circuits (3/8)

合理假設:輸入電壓及輸出負載電流之範圍已知

,齊納電壓已知,且

(更嚴格可為20-30%),則可得

由最大電流可決定最大額定功率且可決定Ri的值


Zener diode circuits 4 8

Zener diode circuits (4/8)

Example 2-5設計一個車用穩壓器得以將車用電池(11-13.6V) 提供給車用收音機(9V)。此收音機的電流由0A(關閉)到100mA(最大音量)

Solution: Zener最大工作電流

Zener最大工率散逸


Zener diode circuits 5 8

所需限流電阻

此電阻最大功率散逸

Zener diode circuits (5/8)


Zener diode circuits 6 8

Zener diode circuits (6/8)

  • 齊納電阻與調節百分率

    • 非理想齊納二極體電阻不為0

      • 輸出電壓為齊納二極體電流或負載電流之函數

      • 調節百分率

        • VL(nom)為名義上的輸出電壓值

        • 當調節百分率趨近 0,則此電路趨近理想電壓調節器


Zener diode circuits 7 8

Zener diode circuits (7/8)

Example 2.6:重做2.5,但Zener電阻 ,求有無負載時調節百分率

Solution: (1)無負載時

無負載時電壓調整率


Zener diode circuits 8 8

Zener diode circuits (8/8)

(2)當負載電流改變的影響:

當 ,

當 ,

負載時電壓調整率


Clipper and clamper circuits 1 12

Clipper and clamper circuits (1/12)

剪波器(限制器)電路

刪去訊號中高於或低於某特定準位的部分

半波整流器即為一例,因低於0的部分被刪去

一簡單應用:限制電路的輸入以防電晶體崩潰

此電路因用以測頻率,振幅不重要

過高過低都刪除

t


Clipper and clamper circuits 2 12

Clipper and clamper circuits (2/12)

  • 電壓轉換特性:

    • 轉換曲線之斜率 稱為被動限制器

    • 若 > ,輸出電壓限制在

    • 若 < ,輸出電壓限制在

    • 雙限制器:正負峰值皆被剪去  及  的各種組      合皆有可能

      • 當  趨近正無限大或當  趨近負無限大則成為單限制器


Clipper and clamper circuits 3 12

Clipper and clamper circuits (3/12)

單二極體剪波器電路

:D1不通,R無壓降,輸出等於輸入

:D1導通,


Clipper and clamper circuits 4 12

Clipper and clamper circuits (4/12)

改變電壓源/或二極體極性可得不同結果(如圖)


Clipper and clamper circuits 5 12

Clipper and clamper circuits (5/12)

同時正負剪波可由雙限制器或並接剪波器(兩組反向的二極體及電壓源)


Clipper and clamper circuits 6 12

Clipper and clamper circuits (6/12)

Example 2.7:並接剪波器之輸出

為了簡化,假設二極體電阻及切入電壓皆為0

:D1及D2皆不通,

:D1通,D2不通,

:D1及D2皆不通,

:D2通,D1不通,


Clipper and clamper circuits 7 12

Clipper and clamper circuits (7/12)

剪波器電路亦可設計使dc電源與輸入串聯


Clipper and clamper circuits 8 12

Clipper and clamper circuits (8/12)

利用兩組齊納二極體並聯而成剪波器其特性表現如同圖2.25


Clipper and clamper circuits 9 12

Clipper and clamper circuits (9/12)

  • 夾波器指將整個訊號平移某dc的準位

    • 輸入訊號之複製,位移值與電路有關

      • 重要機能:調整dc準位,不用知道正確波形

    • 輸出分析(Vr =0, rf =0)

      • 第一個九十度:vC=vI, vO=0

      • 之後:因vC=VM且二極反向C無法放電,則

      • 結果輸出電壓被夾移至0 V,即


Clipper and clamper circuits 10 12

Clipper and clamper circuits (10/12)

  • 含獨立電源之夾波電路

    • 假設RLC很大(充放電很慢) ;輸出電壓可即時改變

      • RL為連至輸出的負載電阻

    • 無論輸入為弦波或方波,穩態輸出為輸入向下位移VM-VB,即夾移至VB

      • 暫態:第一個峰值前,電容充電至VM-VB


Clipper and clamper circuits 11 12

Clipper and clamper circuits (11/12)

Example 2.8:二極體夾波器電路之穩態輸出

: 二極體反偏,所以RC無限大,電容未充電,VC=0,則

: 二極體順偏,rfC=0, 電容快速充電,則


Clipper and clamper circuits 12 12

t=3T/4時VC=VS-VB

 ,     : 二極體反偏,所以RC無限大,電容未放電,到達穩態VC =VS-VB,則

Clipper and clamper circuits (12/12)

到達穩態時間


Multiple diode circuits 1 10

Multiple-diode circuits (1/10)

多重二極體電路

分導通區及不通區

二極體串聯電阻

二極體串聯電阻加外顯電源


Multiple diode circuits 2 10

Multiple-diode circuits (2/10)

二個二極體之電路

假設 (定出下個點再畫線)

D2 ON, D1 OFF,

D1 just ON,

  時


Multiple diode circuits 3 10

D1 ON, D2 ON

D2 just OFF,

D1 ON, D2 OFF,

Multiple-diode circuits (3/10)


Multiple diode circuits 4 10

Multiple-diode circuits (4/10)

Example 2.9:如圖

求 在 與 時

Solution:

0 V: D1不通,D2通

(mA)

則 (V)


Multiple diode circuits 5 10

4 V:D1及D2皆通

則vO= vI= 4 V

(mA)

(mA)

Multiple-diode circuits (5/10)


Multiple diode circuits 6 10

Example 2.11:對每個二極體 ,求下圖 與

Solution:

(1)假設D1與D2皆導通

由節點定律

求出

但由

發現此假設錯誤

Multiple-diode circuits (6/10)


Multiple diode circuits 7 10

(2)假設D1導通D2關閉

  電壓顯示D2的確反偏且關閉所以

Multiple-diode circuits (7/10)


Multiple diode circuits 8 10

Multiple-diode circuits (8/10)

Example 2.12:對每個二極體 ,求下圖每個二極體電流、VA與VB

Solution:(1)假設D1、D2與D3皆導通

 由節點定律

 與

 求出

 與D2 on假設錯誤


Multiple diode circuits 9 10

(2)假設D1 D3導通D2關閉

可求得

因此

Multiple-diode circuits (9/10)


Multiple diode circuits 10 10

Multiple-diode circuits (10/10)

二極體邏輯電路—OR及AND閘

一些問題:高低電壓不同,至使下一級可能有問題,使用放大器(電晶體)可克服


Photodiode and led circuits 1 6

Photodiode and LED circuits (1/6)

Photodiode:光電;LED:電光

光二極體電路

使用反向偏壓,光強度為零時,只有反向飽和電流

有光撞擊二極體時在空間電荷區產生”多出(excess)”電子電洞


Photodiode and led circuits 2 6

反偏方向之光電流 (量子效率‧電子電荷‧光子流量密度( )‧接面面積)

電場快速分離這些多出載子,將它們掃出空間電荷區

光子電流與光流量之間的線性關係是來自二極體反偏

電壓固定之假設,所以R之壓降須很小,即光電流及

R 值要很小

Photodiode and LED circuits (2/6)


Photodiode and led circuits 3 6

Photodiode and LED circuits (3/6)

LED circuit

順偏時電子電洞越過空間電荷區

成為”多出”少數載子,擴散到中性的n-及p-區

與多數載子重組而射出光子

以化合物半導體材料(砷化鎵或砷磷化鎵)製作

因能隙較矽大,順偏接面電壓也較矽質二極體大


Photodiode and led circuits 4 6

Photodiode and LED circuits (4/6)

七段顯示器:

用以數位設備的數值顯示

共正極顯示器

所有LEDs的正極皆接至5 V,輸入由邏輯匣控制

暗:高輸入,二極體不通。亮:低輸入,二極體導通。


Diode circuit

Photodiode and LED circuits (5/6)

Example 2.14:如右圖,當低輸入準位( )時,一顆LED在10 mA 驅動下會發出所需要的光輸出強度,同時會產生相對1.7V順偏壓降。求用以限制電流之R值

Solution:

二極體工作電流


Photodiode and led circuits 6 6

Photodiode and LED circuits (6/6)

光絕緣器

輸入與輸出是電氣絕緣

輸入訊號使LED產生光,光二極體測到光再轉為電的訊號。電路的輸出輸入部分無電氣回饋與交互作用


Design application dc power supply 1 5

Design Application:DC Power Supply(1/5)

規格需求:設計一個直流電源供應器,其輸出負載電流範圍25 到50 mA 輸出電壓保持在12≦v0≦12.2V

設計方法:電路如圖所示,一個伴隨RC濾波器的二極體電橋,並結合一個齊納二極體並聯於輸出負載。

選擇:

輸入60Hz電壓的均方根範圍為110≦ vI(rms) ≦ 120V

齊納二極體的VZO= 12V與RZ = 2Ω

可操作電流範圍為10≦IZ≦100 mA.

線圈匝數比為8:1。


Design application dc power supply 2 5

解答:在線圈匝數比為8:1下,vs的範圍19.4≦vs≦21.2V

,而二極體的導通電壓為0.7 V,因此峰值電壓範圍為18.0≦v01≦19.8V。

為了要使 v01為最大且有最小的負載電流,讓IZ = 90 mA,則

輸入電流為

輸入電阻為

Design Application:DC Power Supply(2/5)


Design application dc power supply 3 5

由於Iz (min)發生在IL (max) 和 vo1 (min).又vo1 (min)發生 vs (min)且要考慮到漣波電壓所以讓Iz (min)=20mA

輸出電壓為

這個電壓有在要求範圍內。

我們可知:

經過濾波器最小的漣波電壓:

Design Application:DC Power Supply(3/5)


Design application dc power supply 4 5

假設R=500Ω,而從v01到接地間的有效電阻為R1∥Ri,eff

,而ri,eff為Ri與其他負載電路所組成的有效電阻,

這個電阻大概為:

而濾波器需要的電容為:

Design Application:DC Power Supply(4/5)


Design application dc power supply 5 5

結論:設計直流電源供應器主要目的為得到一正確的輸出電壓值。此設計電路中:

(1)濾波電路為使漣波減小;

(2)基納二極體的選擇可以改變輸出電壓值;

(3)當基納二極體電流最小值發生時,輸出電壓為最大;

(4)電容的選擇會影響到漣波的變化;

所以要取的適當的輸出電壓和較低的漣波值以上這些因素都要考慮。

Design Application:DC Power Supply(5/5)


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