04-valosagos dioda es alkalmazasa

http://www.eet.bme.hu

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

Elektronikus Eszközök Tanszéke

Diódák alkalmazása és számítása

Elektronika előadás

Mérnök informatikus szak

Dr. Rencz Márta, Dr. Ress Sándor



2010. 09. 19. Elektronika előadás - Mérnök informatikus szak - Dr. Rencz Márta, Dr. Ress Sándor 2 / 27

Mai témák

A dióda munkapontja és kisjelű modellje

Diódát tartalmazó hálózat kézi számítása

A törtvonalas közelítés

Számítás letörésben (Zener dióda)

Diódák elektronikai alkalmazásai

Egyenirányítás




Az ideális dióda karakterisztika

egyenlete

Ez az ideális dióda egyenlet

Io a pn átmenet szaturációs vagy záróáram konstansa, csak anyagállandóktól és az adalékkoncentrációktól függ, a kisebbségi töltéshordozó koncentrációval arányos, Io 10-14…10-15 A Si diódán

1/exp0 TUUII




A dióda karakterisztika egyenlete a dióda működése során

lehetséges, összetartozó áram és feszültségértékeket adja

meg.

A tényleges működés során a dióda, ill. tetszőleges

nemlineáris karakterisztikájú elem a karakterisztika egy

pontjában, az ún. munkapontban (operating point, quiescent

point) működik. Ezt a pontot az áramkörben a vizsgált

nemlineáris elemet körülvevő elemek határozzák meg.

A dióda munkapontja 1.




Az áramkörre felírt huroktörvényből:

egy egyenes, az ún. munkaegyenes egyenlete adódik (ez tulajdonképpen az áramkörben a diódán kívül előforduló elem „karakterisztikája” a dióda feszültségének függvényében). Az áramkörben kialakuló munkapontot a két függvény metszéspontja adja.


0 UIRUt

)(UII

tt RUUI /)(

Vigyázat!

Torzított ábrák!




Áramok ill. feszültségek Q indexe általában munkaponti értékek jelöléséreszolgál.

R és a tápfeszültség változása csak kisebb mértékű változást okoz a munkaponti mennyiségekben. Ezekre a változásokra a diódakarakterisztika lineárisnak tekinthető,és a munkapontban a munkapontbeliérintővel gd ill. annak reciprokával az ún. rd differenciális ellenállássalhelyettesíthető.


DQ

Td

I

mUr




A dióda kisjelű működéseA munkapont fogalmaKisjelű:

linearizált vizsgálat,

a váltakozó komponensre

Meddig kisjelű?

dIdUiurdiff // 11

rdiff munkapont függő!




Mekkora a dióda differenciális ellenállása az IDQ=1mA áramú munkapontban?

4.1. Példa: dióda differenciális ellenállása

Megoldás

A dióda által képviselt differenciális ellenállást a karakterisztika nélkül is ki tudjuk számolni jó közelítéssel a munkaponti áram ismeretében.

Feltételezzünk m=2 értéket a karakterisztika egyenletben UT

szorzójaként, 300 K-en történő működést feltételezve.

52mA 1

mV 262

DQ

Td

I

Umr




Diódás áramkörök kézi analízise 1.

A bekapcsolt (= nyitóirányú áramot vezető) diódát egy UD

feszültségforrással, a kikapcsolt diódát pedig szakadással

helyettesítjük.

UD példákban adott, Si diódára kb. 0,7V

UD

bekapcsolt

UD

kikapcsolt




Diódás áramkörök kézi analízise 2.

A kézi analízis lépései

Feltételezünk a diódákra egy működési módot

(“educated guess”)

Bekapcsolt dióda: az UD (≈ 0,7 V) nyitófeszültséggel

helyettesítjük

Záróirányú: szakadással, esetleg megfelelő (nagy) ellenállással

A Kirchhoff-törvények alkalmazásával kiszámoljuk a most már

lineáris áramkörben az áramokat és feszültségeket

Ellenőrizzük, hogy a megfelelő irányúra adódik-e a dióda árama,

azaz helyes volt-e a kezdeti feltételezés.

Ha nem, az ellenkező állapot feltételezésével számolhatunk újra.




Példa (AND-kapu)

Mekkora az áramkör kimenő feszültsége a következő bemenő feszültség kombinációk esetén:

(a) U1 = U2 = 5 V

(b) U1 = 5 V, U2= 0 V

(c) U1 = U2 = 0 V4,7k

300

300

+5V

U1

U2

D1

D2

Uo

4,7kΩ

300Ω

300Ω

+5VU1

U2

D1

D2

Uo




Példa (AND-kapu) 1.

(a) U1 = U2 = 5 V

Feltételezzük, hogy mindkét

dióda zárva van. A töréspontos

(szakadás) dióda modellt

behelyettesítve:

Látható, hogy áramok nem folynak, a feltételezés

helyes volt, és a kimeneti feszültség értéke: Uo = 5 V

4,7kΩ

300Ω

300Ω

+5V

5V

5V

D1

D2

Uo





(b) U1 = 5 V, U2 = 0 V

Feltételezzük, hogy

D1 zárva, D2 nyitva

A kapcsolás szimmetriája miatt ugyanez a kimenő feszültség adódik, ha a másik dióda van zárva.

03007.047005 22 DD II

mA 86,03004700

7,052

DI

A huroktörvény a belső körre:

amiből :

Mivel ID2 pozitív, D2 valóban nyitott.

4,7kΩ

300Ω

300Ω

+5V5V

D1

D2

Uo

ID20,7V

A külső körben áram nem folyik,

azaz V 96,07,45 2 Do IU

V04,45UU o1D





(c) eset U1=U2=0V.

Feltételezzük, hogy mindkét dióda nyitott. A szimmetria miatt mindkét körben azonos nagyságú áram folyik.

A belső körre:

A kimeneti feszültség szintje „magas” („H”, ill. „1”), ha mindkét bemenet szintje H, és „alacsony”(„L”, ill. „0”), ha bármelyik ill. mindkét bemenet szintje L a kapcsolás láthatóan az AND logikai funkciót valósítja meg.

03,07,027,45 II

V 83,0...3,07,0 IUo

A pozitív érték igazolja, hogy a feltételezés helyes volt.

A kimenő feszültség:

mA 44,0I

4,7kΩ

300Ω

300Ω

+5V

D1

D2

Uo

ID0,7V

0,7V

ID

2ID




Letörésben való működés (Zener dióda)

A letörési karakterisztikát használja ki

Letörésben a diódát a letörési feszültséggel és a

differenciális ellenállással közelítjük:

UZL~1/rd

IUrd /UZ

rd




Referenciafeszültség előállítása

d

BRBE

rR

UUI

I

BE

d

dBR

d

dBRKI UrR

rU

rR

RIrUU

R

r

rR

r

U

U d

d

d

BE

KI

Tipikusan: rd ~ 10 Ω, R ~ kΩ




Diódás vágó áramkör nem ideális diódával:

Vágó áramkörök

A bemeneti és a kimeneti

feszültség kapcsolata,

az ún. transzfer

karakterisztika




EgyenirányításEgyutas egyenirányító:

Áram csak a pozitív félperiódusok alatt folyik (pontosabban csak vs – Vf > 0 alatt)

Jobb megoldás:

t2 után a bemenő feszültség gyorsabban csökken, mint C feszültsége, ez lezárja a diódát




Graetz kapcsolás

egyenirányítotttrafó

0.0m 20.0m 40.0m 60.0m 80.0m 100.0m

time [sec]

-15.0

-10.0

-5.0

-0.0

5.0

10.0

15.0'v(1)'-'v(2)''v(100)'

0.0m 20.0m 40.0m 60.0m 80.0m 100.0m

time [sec]

-15.0

-10.0

-5.0

-0.0

5.0

10.0

15.0

Y A

xis

Title

[V

]

Pufferkondenzátor nélkül Pufferkondenzátorral

~Az áram irányát a

pozitív és negatív

félperiódusban a

nyilak mutatják.

+

-

Hálózati

transzformátor



2009-12-8 Optoelektronikai eszközök © Poppe András, BME-EET 2008 20/27

LED = világító dióda

LED – light emitting diode

Vegyületfélvezetők: III-V-ös anyagok, pl. GaAs

InP

AlGaAs

AlInGaP

Összetétel változása: Sávszerkezet (tiltott sáv szélesség)

n/p típus

LED-ek gyártására használt elemek:

III és V oszlop a periódusos rendszerben:




Fénykibocsájtás alapja: direkt sáv

Sávszerkezet: a megengedett energia szintek az impulzus-vektor (k) függvényében

vegyérték sáv

vezetési sáv

Eel

Elyuk

k

Frekvenciahullámhosz: = c/

Hatásfok különbség!!

Fonon is emittálódik: melegszik a kristályrács

Direkt átmenet

foton emisszió:

E = h·

A rekombinációs áramhoz kötődik a

fény emisszió.

rekombináció E = Eg fonon-csatolt átmenet

Indirekt átmenet

Eel

Elyuk

k

E

k




LED-ek jellemzése A hullámhossz (szín) a tiltott sáv szélességétől (E)

függ. Az pedig a PN átmenet anyagi minőségétől függ, a III és V oszlopbeli elemek arányával állítható

Elektromos paraméterek: Nyitó feszültség: 2.5 V .. 4 V, a színtől függ Nyitó áram:

• kisteljesítményű, hagyományos LED-ek: ~10 mA• nagyteljesítményű LED-ek: 300 mA … 800 mA …1500 mA

Záróirány: kicsi letörési feszültség védő dióda (az is LED – vörös)




Hagyományos LED szerkezete

LED chip

LED chip a reflektorban




LED-ek osztályozása tokozás szerint Egyedi, tokozott LED-ek

Level 0 device

Fém magvas NYÁK-ra szerelt eszközök (MCPCB –alumínium hordozó) Level 1 device

LED szerelvények

LED cluster-ek




Fehér fény előállítása LED-del Vörös + zöld + kék LED

RGB modul

Kék-LED + fénypor Fénypor felhordás új módozatai

Sárga vagy zöld + vörös fénypor

UV-LED + fényporA hatásfok függ a foszfor (fénypor) konverziós hatásfokától is.




Fotodióda

Záró irány: generációs áram a kiürített rétegben

Ellentétes mechanizmus, mint a rekombináció

Foton elnyeléssel többlet generáció lesz, megnő az áram fotoáram

A lezárt PN átmenet jó fényérzékelőnek fotodióda

Nagy megvilágítási tartományban működik




Fotodióda alkalmazása: optocsatoló

Galvanikusan szeparált adatátviteli út kialakításához

Nagy sebesség (pl. 15Mbps)

Bemenet: pl. GaAs LED

Kimenet: Si fotodióda + kimeneti interfész (pl. CMOS)

04-valosagos dioda es alkalmazasa

Documents