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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). 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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Presentation Transcript

  1. Preview Rectifier circuits Zener diode circuits Clipper and clamper circuits Multiple-diode circuits Photodiode and LED circuits Diode Circuit

  2. 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

  3. 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

  4. 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：

  5. 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

  6. Rectifier circuits (5/33) Peak Inverse Voltage of the Half-Wave Rectifier Input output Peak Inverse Voltage(PIV)=Max(vO-vS)=VS

  7. 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

  8. 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

  9. 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

  10. 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=

  11. 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

  12. 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

  13. 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

  14. 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)

  15. 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

  16. 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

  17. 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)

  18. 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)

  19. Rectifier circuits (18/33) Charge at t=0 DisCharge at t=t1 vO=0 at t=0

  20. 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

  21. 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)

  22. 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

  23. 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

  24. 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

  25. 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

  26. 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

  27. 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

  28. Rectifier circuits (27/33) • 結果二極體之電流近似( )一個三 角波，整個平均為

  29. 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

  30. 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

  31. 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)

  32. 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

  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

  34. 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)

  35. 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

  36. 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)

  37. 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

  38. 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

  39. 所需限流電阻 此電阻最大功率散逸 Zener diode circuits (5/8)

  40. 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

  41. 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 當 當 無負載時電壓調整率

  42. 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

  43. 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

  44. 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

  45. 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，

  46. 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)

  47. 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)

  48. 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，

  49. Clipper and clamper circuits (7/12) 剪波器電路亦可設計使dc電源與輸入串聯

  50. 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

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