الکترونیک عناصر از نظر هدایت الکتریکی به سه دسته تقسیم میشوند: فصل اول» نیمههادي و دیودها «) هادي ) نیمه هادي ) عایق در ساختمان اتمی تمامی عناصر هر الکترون داراي یک سطح انرژي (تراز) معینی میباشد. در مجموع سه سطح انرژي قابل تفکیک وجود دارد. ) باند ظرفیت (الکترونها در این باند در پیوندها شرکت دارند و آزاد نمیباشند.) ) باند هدایت (الکترونها در این باند آزاد بوده و به اتم خاصی وابسته نمیباشند.) ) باند ممنوع (حدفاصل دو باند ظرفیت و هدایت میباشد که هیچ الکترونی در این سطح انرژي وجود ندارد.) تفاوت عناصر از نظر هدایت الکتریکی در حقیقت مربوط به باند ممنوع آنها میباشد به این صورت که: عایقها داراي باند ممنوع بزرگی هستند بنحوي که امکان انتقال الکترون از باند ظرفیت به باند هدایت خیلی کم میباشد. هاديها داراي باند ممنوع نمیباشند در حقیقت حدفاصلی بین باند ظرفیت و هدایت وجود ندارد و این دو باند در هم ادغام میشوند. نیمه هاديها داراي باند ممنوع نه چندان بزرگ میباشند به نحوي که با اعمال انرژي میتوان الکترون را از باند ظرفیت به باند هدایت منتقل کرد. E Energy of elecrons باند هدایت onducon Band E E Ferm level n gap. سطح فرمی (انرژي متوسط) باند ظرفیت alence Band باند هدایت onducon Band Eg باند ظرفیت alence Band Ferm level Overlap (همپوشانی) باند هدایت onducon Band باند ظرفیت alence Band عایق a. nsulaor نیمه هادي b. Semconducor هادي c. onducor در صفر درجه کلوین در نیمههادي هیچ الکترون آزادي در باند هدایت موجود نمیباشد ولی به تدریج با افزایش دما به ( 5 (c k زوج الکترون حفره آزاد میشود. نیمه هاديهاي رایج سیلسیوم S و ژرمانیوم Ge میباشند تعداد زوج الکترون حفره در 5 c براي این دو نیمه هادي بصورت زیر است: S n p / 5 / cm ; Ge n p / 5 / cm نیمه هاديها عموما بصورت کریستال وجود دارند و اتمها در پیوند کووالانس شرکت دارند. بطور مثال در نیمه هادي سیلسیوم (سیلیکن) 4 الکترون باند آخر در 4 اتم مجاور به اشتراك گذاشته میشود. با افزایش دما الکترون از باند آخر جدا شده و بصورت الکترون آزاد بین اتمها حرکت میکند. نبود الکترون براي اتم مذکور بصورت بار مثبت (حفره آزاد) ظاهر میشود. بدین ترتیب زوج الکترون و حفره تولید میگردد.
فصل اول: نیمه هادي و دیودها S S S S S S S S S S S S S S S Hole Free S elecron S S S S ناخالصیها در نیمه هاديها: جهت افزایش هدایت الکتریکی به نیمه هادي ناخالصی اضافه میگردد. نا خالصی میتواند الکترون و یا حفره باشد. نیمه هادي نوع : N با افزودن یک ناخالصی 5 ظرفیتی (عنصري با 5 الکترون در باند انتهایی) مانند آنتیمونی آرسنیک و یا فسفر الکترون آزاد اضافی تولید میگردد. به این ناخالصی دهنده یا onor میگویند. اگر عدد اتمی برابر 8 / cm باشد و به ازاي هر اتم یک ناخالصی وارد کنیم که خیلی خاصیت کلی نیمه 5 5 هادي را تحت تا ثیر قرار نمیدهد ناخالصی در هر cm به مجموعه اضافه کردهایم که در مقایسه با زوج الکترون حفره اولیه ( n),p تقریبا برابر هدایت الکتریکی افزایش مییابد. بدین ترتیب تعداد الکترونها افزایش مییابد ولی در عوض تعداد حفرهها بخاطر ترکیب با الکترونها کاهش مییابد. در این نیمه هادي الکترون به عنوان ناقل اکثریت و حفره به n p~ N عنوان ناقل اقلیت محسوب میشود. به این نیمه هادي نیمه هادي نوع N تعداد حفره ; n p n ناخالصی افزوده میگویند. n N ~ n N N-Type n- Type Semconducor تعداد الکترون S onor mpury conrbues free elecrons onducon Ferm level S Sb S Exra elecron levels alence nmony added as mpury S نیمه هادي نوع : P با افزودن یک ناخالصی ظرفیتی (عنصري که در باند آخرش الکترون دارد) مانند بور آلومینیوم و یا گالیم کمبود یک الکترون بوجود میآید که مفهوم آن تولید حفره اضافی آزاد میباشد. به این ناخالصی گیرنده و یا ccepor میباشند حفره ناقل اکثریت و الکترون ناقل اقلیت میباشد و به آن نیمه هادي نوع P میگویند. در این نیمه هادي که حفرهها خیلی بیشتر از الکترون میگویند. ناخالصی افزوده p N p N تعداد حفرهها n n تعداد الکترون N
الکترونیک P-Tyape p - Type Semconducor S ccepor mpury creaes a hole onducon Exra hole elecron levels S B S alence Ferm level Boron added aas mpury S هدایت الکتریکی در فلزات: هدایت الکتریکی در فلزات توسط ناقلهاي آزاد (الکترون) صورت میگیرد. این هدایت تحت اثر میدان خارجی E (باطري) تحقق میپذیرد. با توجه به چگالی ناقلها چگالی جریان به صورت زیر محاسبه میگردد: که در آن ضریب هدایت الکتریکی چگالی الکترون و e موبیلیتی الکترون (ضریب روانی) میباشد. E سرعت حرکت الکترون آزاد J (nq) (nq )E E چگالی جریان e e هدایت الکتریکی در نیمه هاديها: در نیمه هاديها با توجه به وجود ناقلهاي الکترون و حفره جریان تابعی از هر دو میباشد. در نیمه هاديها دو نوع جریان داریم: جریان رانشی یا هدایتی (با وجود میدان خارجی) جریان نفوذي یا انتشاري ) بدون میدان خارجی) جریان هدایتی در نیمه هاديها curren) :(onducve جریان هدایتی جریان ناشی از میدان خارجی میباشد نظیر فلزات با این تفاوت که هم الکترون و هم حفره در جریان نقش دارد. الکترونها مستقیما در اثر میدان ) و در خلاف جهت میدان ( حرکت میکنند و حفرهها نیز در حقیقت با جابجاي ی الکترونهاي باند ظرفیت جریانی هم جهت با الکترونهاي آزاد بوجود میآورند. از آنجاي یکه حرکت الکترونها ناشی از الکترونهاي آزاد میباشد ولی حرکت حفرهها حرکت الکترونهاي باند ظرفیت میباشد و ضریب روانی (موبیلیتی ( الکترونهاي آزاد بیش از الکترونهاي باند ظرفیت میباشد لذا موبیلیتی حرکت الکترونها از حفرهها بیشتر است. جریان هدایتی ناشی از الکترون و حفره در نیمه هادي بصورت زیر بیان میگردد: J N (Nn P np)qe ne ; J P (Np n pn )qe pe n n S G 8 e P 5 p 8 چگالی حفره (ناخالصی) در نیمه هادي نوع : P چگالی الکترون(ناخالصی) در نیمه هادي نوع : N N چگالی الکترون در نیمه هادي نوع چگالی حفره در نیمه هادي نوع : N P N موبیلیتی الکترون : n N N p : P موبیلیتی حفره : p
فصل اول: نیمه هادي و دیودها 4 جریان انتشاري curren) :(ffuson این جریان ناشی از گرادیان بار میباشد. تجمع الکترون و یا حفره در یک محل و نبود آن در نقطه مقابل باعث حرکت ناقلها شده که البته خود این حرکت تولید میدان داخلی مینماید بنحوي که با این حرکت مقابله کرده و در نهایت تعادل برقرار میگردد. این جریان یک جریان داخلی است و در خارج از نیمه هادي برقرار نمیگردد. روابط جریان انتشاري بصورت زیر بیان میگردد: dp dn Jp pq ; Jn nq dx dx cm dn dp, بترتیب تغییرات تعداد حفرهها و الکترونها در طول نیمه هادي میباشد. P و n ثابت انتشار (حفره و الکترون) بوده و برحسب بیان میگردند. S dx dx S n 4, p ; Ge n 99, P 47 در نیمه هادي رابطه زیر برقرار است: که در آن عبارت در دماي n KT q p 6mv q p KT n p p q KT n n ; 5 KT q اتصال :P-N با اتصال دو نیمه هادي P به ولتاژ حرارتی معروف است. و N به یکدیگر یک اتصال P-N بوجود میآید. با توجه به اینکه در نیمه هادي نوع N الکترون زیاد و در نیمه هادي نوع P حفره زیاد وجود دارد در محل اتصال جریان انتشاري برقرار شده و منجر به تخلیه ناقلها در محل اتصال میگردد. به این ناحیه که شامل یونهاي ساکن مثبت و منفی و فاقد ناقل آزاد میباشد ناحیه تخلیه یا تهی میگویند. وجود این یونهاي ساکن باعث ایجاد میدانی در خلاف جهت جریان انتشاري و به حالت تعادل رسیدن اتصال میگردد. به این مجموعه دیود نیمه هادي میگویند. میزان طول نفوذ الکترونها به ناحیه x) p P( و حفرهها به ناحیه x) n N( رابطه معکوس با چگالی ناقل اکثریت در نواحی P و N دارد ) N x) N x. این اتصال رفتاري متفاوت با یک p n S مقاومت دارد زیرا میدان داخلی ناشی از جریان انتشاري اجازه عبور جریان تنها در یک جهت را میدهد و در این رابطه نیز قانون اهم برقرار نمیباشد. رابطه جریان ولتاژ در دیود نیمه هادي / بصورت ) (e T میباشد. رابطه که T میدان بوجود آمده در محل اتصال ایجاد سد پتانسیلی مینماید که باید براي برقراري جریان این سد پتانسیل از بین برود. میزان ولتاژ این سد پتانسیل از N N Ln n بدست میآید. اکنون اگر براي N و N مقادیر زیر را داشته باشیم مقدار این سد پتانسیل به صورت زیر به دست میآید: 5 N / cm N, n 6 m : در دماي 5 T 6mv با فرض KT T q T همان ولتاژ حرارتی است. دیود در گرایش معکوس دیود در گرایش معکوس تقریبا هدایتی انجام نمیدهد. البته جریان ضعیف ناقلهاي اقلیت وجود دارد که در مقایسه با گرایش مستقیم ناچیز است. به این جریان( یا ( S جریان اشباع معکوس میگویند و با ولتاژ کمی در جهت معکوس به مقدار ثابت میرسد. یعنی دیود در گرایش معکوس به مانند یک منبع جریان عمل میکند. اگر ولتاژ معکوس اعمالی به دیود را به مقدار قابل توجهی افزایش دهیم پدیده شکست معکوس اتفاق میافتد که اگر جریان عبوري محدود نشود منجر به سوختن دیود میگردد. شکست در گرایش معکوس با توجه به دو پدیده زیر بوجود میآید: پدیده ضرب بهمنی پدیده زنري P P N Juncon E depleon regon N
5 الکترونیک پدیده شکست ضرب بهمنی براي دیودهایی رخ میدهد که ولتاژ شکست معکوس آنها بیش از 6 ولت است و در اثر افزایش ولتاژ و افزایش سرعت حرکت الکترونها احتمال برخورد الکترونها با اتمهاي ساکن ناحیه تخلیه افزایش مییابد. با این برخوردها و شکسته شدن پیوندهاي کووالانسی بین اتمها و آزاد شدن یک الکترون مجددا برخورد بعدي و بعدي اتفاق میافتد که بصورت بهمن افزایش مییابد. پدیده شکست زنري بخاطر شکسته شدن پیوند کوالانسی در اثر افزایش میدان بوجود میآید و در دیودهاي زیر 6 ولت البته ناگفته نماند که پدیده زنري اغلب پدیده ضرب بهمنی را به دنبال دارد. ) با ناخالصی بالا) اتفاق میافتد. تا ثیر دما بر تغییرات ولتاژ شکست زنري و ضرب بهمنی یکسان نمیباشد. افزایش دما باعث کاهش ولتاژ شکست زنري میگردد در حالیکه ولتاژ شکست بهمنی با افزایش دما افزایش مییابد. براي وصل کردن پایه به دیود نیمه هادي از فلز استفاده میشود. اتصال نیمه هادي به فلز میتواند به دو صورت باشد: اتصال اهمی قاعدتا باید ترتیبی اتخاذ شود که اتصالات به صورت اهمی باشد تا رفتار اتصال P-N حفظ شود. اگر اتصال فلز و نیمه هادي بصورت نوع دوم به آن دیود شاتکی میگویند. نمودار جریان دیود بر حسب ولتاژ آن در روبرو آورده شده است: v رابطهي بین جریان و ولتاژ دیود به صورت ( e) T S اتصال یکسو کنندگی (اتصال یکسو کنندگی) باشد در محل اتصال یک دیود خواهیم داشت که سرعت بالاي ی در قطع و وصل دارد و است. با توجه به رابطهي بالا و نیز نمودار جریان ولتاژ روبرو میتوان دو نتیجه زیر را (که در مساي ل مختلف به کار میآید) گرفت. اولا : براي ولتاژ بالا فرمول جریان دیود به صورت زیر خلاصه میشود: s بزرگ T S.e ثانیا : براي ولتاژهاي کوچک در عبارت بالا با توجه به رابطهي نمایی وقتی که باشد عبارت نمایی به سمت صفر میرود و لذا داریم: ( ) s s در این حالت اصطلاحا گفته میشود که دیود در بایاس معکوس قرار گرفته است و جریان آن همانطور که در بالا بدست آوردیم برابر s میشود. به s نیز جریان بایاس معکوس یا اشباع معکوس میگویند. مثال : در مدار سادهي دیودي زیر جریان (, ) را بدست آورید. s پاسخ: جریان که در شکل روبرو نشان داده شده است در اینجا بیانگر جریان دیود نیز میباشد یعنی. اکنون اگر از رابطهي ساده شدهي موجود در این رابطه را بدست آوریم. با ( استفاده کنیم مسي له حل خواهد شد. فقط باید مقدار ولتاژ T s.e جریان دیود (یعنی رابطهي وصل شده است. به عبارت دیگر این دو المان با هم موازي شدهاند پس توجه به مدار ملاحظه میشود که دو سر دیود دقیقا به دو سر منبع تغذیه بدست میآید. اکنون با یک محاسبهي ساده مقدار جریان به دست میآید: باید ولتاژ دوسرشان برابر باشد. لذا مقدار / 5v / 5 / e 6 / m مثال : در مدار دیودي روبرو جریان را بدست آورید. ) / ( فرض 7 ( 5) / 6 و T کنید که دیود داراي جریان m در ولتاژ / 7 ولت باشد. پاسخ: براي این مسي له دو راه حل وجود دارد. یکی راه حل گرافیکی و دیگري راه حل عددي و تکرار. الف راه حل گرافیکی: رابطه خط بار به صورت مشخصهي عملکرد دیود در ناحیهي فعال و نیز رسم خط بار متناظر با مقاومت دو نمودار در نقطهاي مانند Q میباشد. با رسم نمودار و ملاحظه میشود که تلاقی خواهند داشت. این نقطه را که نقطهي کار مدار مینامیم در واقع همان جریان و ولتاژ دیود را به ما میدهد. همانطور که ملاحظه میشود با فرض مثبت بودن مقاومت این مسي له همواره جواب خواهد داشت و جواب مسي له نیز یکتا خواهد بود. k مشخصهي دیود نقطهي کار خط بار شیب خط Q
فصل اول: نیمه هادي و دیودها 6 ب راه حل عددي و تکرار: براي شروع فرآیند تکرار از فرض مسي له استفاده میکنیم. قبل از شروع نکتهي زیر را بیان میکنیم: v T S T v S S e Ln v.ln vtln / vtlog 5 / 7 4/ m k نکته: با تغییرات کوچکی در معادلهي جریان دیود عبارت زیر بدست میآید که در مساي ل مختلف مفید است. همچنین اگر در دو ولتاژ و جریانهاي و را داشته باشیم میتوان نوشت: / 7 همچنین میتوانیم عبارت بالا را بر حسب لگاریتم در مبناي بنویسیم: / 7 اکنون سراغ حل مسي له میرویم: با توجه به فرض مسي له براي جریان m اکنون از رابطهي است. بنابراین: استفاده میکنیم و با قرار دادن و m و مقدار جدیدي براي 4/ m / v v vtln 4 / 7 / 7 / Ln / 7656 vtln بدست میآوریم که متناظر با ولتاژ دو سر دیود است. / تکرار میکنیم. اکنون دوباره فرآیند بالا را براي 7656 5 / 7656 4/ 44 4/ 44 / 7656 / 7/ 6Ln / 7649 4/ ( ( را بدست آورید. s مثال : در مدار روبرو جریان پاسخ: فرق این مثال با مثال در این است که در اینجا ولتاژ دو سر دیود منفی است. اگر به دو سر دیود یک ولتاژ منفی اعمال شود با توجه به نمودار جریان ولتاژ دیود که در صفحات قبل آوردیم دیود وارد ناحیهي s معکوس میشود و از آن فقط جریان اشباع معکوس میگذرد. نشده باشد. نکته: اگر دو سر دیود یک ولتاژ منفی قرار داده شود آنگاه از دیود جریان اشباع معکوس S مثال 4 : در مدار روبرو مقدار جریان عبور خواهد کرد به شرط آنکه وارد ناحیه شکست S باشد. S را بدست آورید. فرض کنید که پاسخ: در آرایشهایی مانند مدار روبرو یکی از دیودها که به صورت بایاس مستقیم بسته شده است (یعنی ولتاژ دو سرش مثبت است) میخواهد که جریان بایاس مستقیماش را که جریان نسبتا زیادي است عبور دهد اما چون این دیود با دیود که به صورت بایاس معکوس است سري شده پس دیود اجازه نمیدهد که جریان زیادي از آن عبور کند. حداکثر جریانی که میتواند از دیودهاي, عبور کند جریان اشباع معکوس دیود است. S پس در مجموع داریم: S S / 5 مثال 5 : در مدار روبرو جریان را بدست آورید. پاسخ: در مدار روبرو نیز هر دو دیود بایاس معکوساند و هر دیود اجازه میدهد که حداکثر جریانی برابر با جریان اشباع معکوسش عبور کند. لذا s دیودي که جریان اشباع معکوسش کمتر باشد تعیین کننده است. پس :
7 الکترونیک مثال 6 : در مدار دیودي روبرو مقدار افت ولتاژ روي هریک از دیودها را بدست آورید. فرض کنید که براي جریانهاي اشباع معکوس دیودها داشته باشیم: s s 5 /, پاسخ: همانطور که در مثال قبل به طور مفصل بررسی شد جریان مدار برابر جریان. اما براي تعیین افت ولتاژ دو اشباع معکوس دیود خواهد بود یعنی سر هر دیود به نمودار اینکه براي دیود S دیود روبرو که نمودار جریان ولتاژ دیودهاست توجه میکنیم. با توجه به مقدار جریان اشباع معکوس بزرگتر است پس در ربع سوم نمودار جریان زیر نمودار جریان دیود قرار میگیرد. اما همانطور که مشخص شد جریان مدار برابر جریان اشباع معکوس دیود است. با عبور جریان S از مدار روي دیود یک ولتاژ میافتد. اکنون میخواهیم بگوییم که این ولتاژ تقریبا برابر همان منبع تغذیه است. یعنی. و روي دیود تقریبا ولتاژي نمیافتد. براي اینکه این مفهوم بهتر جا بیافتد فرض کنید که جریان اشباع معکوس دیود به جاي /5 برابر بودن جریان اشباع معکوس دیود مثلا برابر آن باشد. با این حساب نمودار جریان دیود در ربع سوم خیلی پایینتر از قرار میگیرد. اکنون اگر قرار باشد که از دیود جریان خیلی کوچک دیود S (به نسبت جریان اشباع معکوس خودش) عبور کند طبق نمودار زیر ولتاژي که روي افت میکند خیلی کوچک خواهد بود. لذا با صفر بودن افت ولتاژ روي دیود باید همهي ولتاژ منبع تغذیه روي دیود افت کند. S () () (), پس در نهایت داریم: مثال 7 : در مدار شکل زیر جریان اشباع معکوس دیودهاي تا 4 داده شده است. جریانی که از دیود عبور میکند چه مقدار میباشد 0 4 s 5n s n s 5n s4 4 n 7/ 5n ( n ( 5n ( n (4 پاسخ: گزینه هیچ دیودي به شکست نرسیده است. بنابراین براي کلیه دیودها S با توجه به ولتاژ اعمالی کلیه دیودها در گرایش معکوس قرار دارند و چون ولتاژ شکست معکوس ذکر نشده پس فرض میکنیم میباشد و چون S S S S4 میباشد نتیجه میگیریم و 4 بنابراین دیودهاي و داراي جریان اشباع میباشند. این جریان به نسبت جریان اشباع معکوس بین جریانشان به اشباع نمیرسند. S S 5 5 n n 4 و 4 تقسیم میگردد: S n S 4 S
فصل اول: نیمه هادي و دیودها 8 مقاومت استاتیک و دینامیک دیود با توجه به رفتار غیرخطی دیود دیود داراي دو مقاومت دینامیکی و استاتیکی متفاوت میباشد. مقاومت استاتیک: این مقاومت بیان گر نسبت ولتاژ به جریان از این مقاومت در تحلیل استفاده میشود. در نقطه کار دیود میباشد (به نقطه کار دیود وابسته میباشد): S مقاومت دینامیک: این مقاومت بیانگر نسبت تغییرات ولتاژ به جریان حول نقطه کار میباشد. یعنی شیب منحنی دیود در نقطه کار: از این مقاومت در تحلیل ac استفاده میشود. r d ~ T تحلیل مدارهاي دیودي مدلهاي دیود: براي تحلیل مدارهاي دیودي بر حسب مقدار تقریب مجاز در مدار مطرح شده از مدلهاي مختلفی استفاده میشود. مدل واقعی: این مدل منحنی دقیق با رابطه T S(e ) میباشد و عموما براي استفاده از آن از روش ترسیمی استفاده میگردد. مدلهاي تقریبی: در مدل تقریبی چنانچه قبلا ذکر شده میزان تقریب با توجه به مدار در نظر گرفته میشود. در مدل کاملا ایدهآل مقدار rd r در نظر گرفته میشود. مدلهاي ترکیبی ایدهآل (تقریبی): براي این حالت میتوان مدل مختلف براساس ترکیبهاي مختلف r d و r به مدل سوم r d, مدل پاره خطی میگویند. در این مدل در گرایش مستقیم مدل دیود بصورت زیر میباشد. و در گرایش معکوس مدل دیود بصورت زیر میباشد. ) r d, در نظر گرفت: ) r d, ; و ) r d, ; مثال 8 : مطلوب است تعیین نسبت o باشند دیود از جنس سیلیسیم و T K است. / 5 ( /5 ( / 7 ( 4) هیچکدام پاسخ : گزینه مدل ac خازنها اتصال کوتاه منبع جریان باز دیود مقاومت دینامیک در مدار زیر در صورتی که یک ولتاژ سیگنال کوچک ac و ظرفیت خازنها به اندازه کافی بزرگ براي تحلیل مدل ac مدار فوق را رسم میکنیم: 00 00 0m r d T 5m o r d ( ) r r d d / 5 / 5 m [r d ( )] = = 00 d d 00 o r r o
9 الکترونیک 5 مثال 9 : با فرض ایدهآل بودن دیودها در مدار نشان داده شده در شکل زیر جریان چقدر میباشد 0kΩ B ( / 5 m ( 0 5kΩ 4 5 6 0 0 / 5 m ( / 75 m (4-5 0kΩ - 5 0 5 0kΩ B 4 5kΩ - 5 0kΩ 5 6 0 0 پاسخ : گزینه براي حل مدارهاي دیودي ابتدا با نگاهی کلی به مدار سعی میکنیم وضعیت قطع و وصل بودن دیودها را تعیین کنیم. در نگاه اول (بدون محاسبات) وضعیت بسیاري از دیودها کاملا مشخص نمیشود. یعنی با یک نگاه نمیتوان گفت که قطع یا وصلاند و نیاز به محاسبات دارند. براي این موارد باید یک فرض را گرفته و مسي له را حل کنیم. در آخر بررسی کنیم که این فرض درست بوده است یا خیر. اکنون در این مثال داریم: اولا با توجه به ولتاژ کاتد دیودهاي و به راحتی معلوم است وصل و قطع میباشد و این یعنی ولتاژ نقطه برابر یک ولت است. - 5. حالا به B حالا به سراغ دیود میرویم. اگر فرض کنیم این دیود وصل باشد باید ولتاژ نقطه B با ولتاژ نقطه برابر باشد لذا 5 میباشد. اگر ولتاژ حتما باید وصل باشد و این یعنی پس 4 B راحتی جریان حساب میشود. / m چون k نقطه برابر یک ولت باشد دیودهاي 5 و 6 (با توجه به ولتاژ آند آنها که برابر صفر است) قطع میباشند. ( 5) 5 / 6m k k 5 یعنی جریان حالا اگر در نقطه B صفر میباشد اما اگر جریان را بنویسیم داریم: را حساب کنیم داریم: رابطه KL / (m) / (m) / m 6 4 B 0kΩ و این یعنی فرض اینکه وصل بوده غلط است و حتما قطع است! قطع است مدار به صورت بالا ساده میگردد. حال اگر فرض کنیم 4 وصل است چون 4 5 6 0 0 6 و تقسیم ولتاژ بین مقاومتهاي k میکند. بنابراین: و k شرایط لازم براي وصل بودن 5 را فراهم B 0kΩ S B ( 5) / 5m k - 5
فصل اول: نیمه هادي و دیودها 0 مثال 0 : با فرض ایدهال بودن دیودها به ازاي m ( 4m ( 7m ( 4) هیچکدام پاسخ : گزینه روش کلی حل مدارهاي دیودي: دیودهاي و میتوانند هر کدام حالتهاي مختلف on یا off جریان در مدار زیر چقدر است داشته باشند. براي حل مسي له براي هر یک محتملترین حالتها را در نظر میگیریم و مسي له را جلو میبریم. پس از به دست آوردن جریانها و ولتاژها اکنون بررسی میکنیم که آیا شرایط on و off مطابق فرضیاتمان برقرار است یا نه. در صورتی که این شرایط برقرار نباشند پس فرض اولیه ما مشکل دارد. لذا باید این فرض را عوض کرد و دوباره مسي له را حل کرد. 500 =kω 500 آند کاتد 5 / 5 5 5 اکنون در اینجا با توجه به اینکه ولتاژ آند دیود به سمت (که برابر است) میرود و ولتاژ کاتدش است پس ولتاژ آند از ولتاژ کاتد بیشتر است. لذا به نظر میرسد که دیود باید on باشد. براي ابتدا فرض میکنیم که off براي اینکه جریان باشد. با این فرضیات به دست میآید. m k را به دست آوریم ابتدا باید مقدار ولتاژ گره را حساب کنیم. (با فرض قطع) با این مقدار دیود مقدار جریان به دست میآید: باید وصل باشد. پس فرض در نهایت با توجه به تساوي خاموش ) (off اشتباه است و را on در نظر میگیریم. اکنون با فرض روشن بودن دیود 5 m نتیجه میگیریم. m o سرعت قطع و وصل دیود (زمان سوي یچینگ) در مدارهایی که از دیود صرفا به عنوان سوي یچ استفاده میشود مشابه تمام سوي یچها مسي له سرعت قطع و وصل مورد توجه قرار میگیرد. سرعت دیود با توجه به میزان خازن تشکیل شده در ناحیه تخلیه مطرح میشود. با فرض در مدار روبرو به ازاي ورودي دیود روشن میشود. مدت زمانی که طول میکشد دیود از حالت خاموش به وضعیت روشن برود on میباشد که خود شامل d (زمان تا خیر) r و (زمان صعود) میباشد. دیود باید به حالت خاموش برود. در این حالت دیود به خاطر وجود ناقلهاي به ازاي اقلیت اضافی (ناشی از نیم سیکل قبل) ابتدا به اندازه s در گرایش معکوس هدایت r = on - / میکند ) ( / بصورت نمایی به سمت صفر میل میکند. تا اینکه ناقلها از حالت اشباع خارج شوند. بعد از آن در زمان f جریان مجموع s و f را زمان خاموشی یا مینامند. OFF براي اینکه یک دیود در یک مدار سوي یچ مورد استفاده واقع شود باید زمان مثبت و منفی بودن موج ورودي خیلی بزرگتر از زمانهاي سوي یچینگ باشد. - / s f
الکترونیک ( بیشتر گردد. (r d,γ کاربردهاي دیود مدار برش ) Lm مدار برشگر نیمه مثبت با فرض دیود ایده آل هدایت در دیود زمانی انجام میگیرد که ولتاژ آند از کاتد (با فرض o و یا o o مدار برشگر نیمه منفی o و یا o o ) با فرض ( برسد. مدار برشگر سطح هدایت در دیود زمانی انجام میگیرد که ولتاژ آند به : o o / پاسخ مثال : در مدار شکل زیر با فرض اینکه دیودهاي بکار رفته ایده آل باشد مشخصه o به را محاسبه و رسم نماي ید. 5 o برحسب را به دست آوریم باید شرایط قطع و : براي اینکه مشخصهي o وصل بودن دیودها را بررسی کنیم. در شاخه سري و مورد وصل بودن آن به شرطی امکان پذیر است که در شاخه موازي قرار دارد. در باشد. پس ابتدا را از حلقه بدست میآوریم. با توجه به اینکه در حلقه مطرح شده دیود کاتدش به ولتاژ 5 ولت و آندش ) با فرض اینکه جریان حلقه صفر میباشد) به ولتاژ وصل قطع میباشد. در نتیجه تساوي برقرار است. است پس
فصل اول: نیمه هادي و دیودها و اکنون وصل بودن دیود را بررسی میکنیم. o وقتی وصل میشود که 5 شود. به این ترتیب مرزها مشخص میشود. قطع o وصل o و با فرض قطع ; v ; 8 o 5v قطع است پس اگر فرض کنیم که 5v 8v وصل قطع o و بالاخره حالت نهایی یعنی زمانیکه و هر دو وصل میباشد. مشاهده میشود که 5 نمودار نهایی شامل سه تکهي خطی است که هر یک مربوط به یکی از حالاتی است که بررسی کردهایم. این حالتها با شرطی که روي میگذاریم از همدیگر متمایز شدهاند. 0 8 وصل وصل 8 o 5 مثال : در صورتی که ورودي یک موج سینوسی با دامنه بزرگتر از باشد کدامیک از مدارها میتواند خروجی داده شده را به وجود آورد (دیود ایدهآل) b a ( o o c a ( d b ( ( a ) ( c ) d c (4 o o o پاسخ : گزینه با توجه به مطالب صفحات قبل (کاربردهاي دیود مدار برش) شکلهاي (c,a) برشگر در آلترنانس مثبت در سطح میباشد. ( b ) ( d ) شکل موج خروجی هر یک از مدارها را براي ولتاژ ورودي سینوسی رسم میکنیم. مدار () مدار () o o مدار (a) : تا وقتی که باشد دیود قطع است و مدار () را داریم o است. پس در این حالت اما همین که شود دیود وصل شده و مدار () حاصل میشود. لذا: o لذا شکل موج خروجی به صورت زیر است: o
الکترونیک مدار () o مدار (c): براي دیود وصل است پس مدار () را داریم در نتیجه: اما براي o دیود قطع شده و مدار (4) به دست میآید: مدار (4) o در این حالت مقاومت راهی براي عبور جریان ندارد زیرا هیچ مسیر بستهاي. نداریم تا جریان جاري شود پس جریان صفر است و o شکل موج خروجی در این حالت نیز مانند قسمت (a) میباشد. o مدار شکل (d): براي دیود قطع است و شبیه حالات بالا o o میشود لذا است اما براي وقتی که شود دیود وصل شده و شکل موج خروجی به صورت مقابل است. مدار شکل (b): براي دیود وصل و o است. براي ولتاژهاي o میشود پس شکل موج خروجی دیود قطع شده و مانند حالت (d) میشود. مثال : دیودهاي و در شکل ایدهآل بوده و سیگنال ولتاژ ورودي بصورت 5 sn haracersc 5 ( 5 ( 5 ( - Transfer مدار برابر خواهد بود 5 (4 است. براي چه مقدار شیب مشخصه انتقال پاسخ: گزینه این سوال نیز به نوعی مشخصهي انتقالی مدار را میخواهد. اما فرقش با سو الات دیگر در این است که فقط در یک ناحیهي خاص o یعنی جایی که شیب مشخصهي انتقال است باید برررسی شود. اکنون براي اینکه شیب برابر باشد باید شود یعنی o براي اینکه این شرط برآورده شود باید دیودهاي و اکنون فرض کنید که دیود مقدار برابر است با: وصل باشد و دیود شود دیود وصل خواهد بود. براي ولتاژ لذا اگر 5 هر دو وصل باشند. باشد. پس خواهیم داشت نیز در آستانهي وصل باشد یعنی o k,. با توجه به مدار. که این o k ( 5) 5 5, v 5 بیشتر میشود. پس در مجموع براي اینکه هر دو دیود و وصل باشند باید شرط o شده و یا به عبارتی شیب مشخصه میشود. که در بالا اشاره شد) K, 00kΩ 5 00kΩ 00 o دیود قطع خواهد شد. زیرا ولتاژ آندش از ولتاژ کاتدش با فرض برقرار شود. با برآورده شدن این شرط (همانطور دیود زنر: دیودهاي زنر بیشتر در رابطه با ناحیه شکست معکوسشان مورد استفاده قرار میگیرند. زنرهاي با ولتاژ شکست نزدیک به دو ولت تا چند صد ولت وجود دارد. البته اصطلاحا به آنها دیود زنري میگویند در حالیکه در این دیودها علاوه بر پدیده شکست زنري شکست بهمنی نیز اتفاق میافتد. دیود زنر با پارامتر zk و یا zmn (حداقل جریان لازم جهت روشن شدن دیود در گرایش معکوس) zmax (ماکزیمم جریان قابل تحمل) r z (مقاومت دینامیک در گرایش معکوس) و P Zmax (توان ماکزیمم مجاز) تعریف میشود. مقاومت r z در محدودهي چند اهم تا چند ده اهم تغییر میکند. هر چه مقدار r z کمتر باشد مقدار ولتاژ z در محدودهي زنري ثابتتر است. و بنابراین در طراحی رگولاتور ولتاژ ایدهآلتر عمل میکند.
فصل اول: نیمه هادي و دیودها 4 منحنی تقریبی دیود زنر منحنی واقعی دیود زنر vz vzk zk mn Z Zk r d r Z zmax Z Z r Z zk z z رابطه تقریبی دیود زنر در گرایش معکوس به فرم روبهرو میباشد: z و نیز z zk باشد قابل استفاده است. قابل ذکر است که دیود این فرمول براي حالتی که zk ز رن در ناحیهي اول مانند دیود معمولی میتواند کار کند. اگر ولتاژ z در روبرو مثبت باشد (و از حد معینی بیشتر شود) دیود وارد ناحیهي زنري میشود اما اگر z منفی باشد دیود مانند دیود معمولی در ناحیهي فعال عمل میکند. در واقع دیود زنري مانند دیود معمولی است با این تفاوت که اگر آن را بایاس معکوس کنیم و اندازهي ولتاژ بایاس از یک حدي بیشتر شود دیود وارد ناحیهي عملکرد جدیدي میشود که همان ناحیهي زنري است. (v v zk ) مثال 4 : در مدار روبرو مشخصه o بر حسب را رسم کنید. فرض کنید که ولتاژ دیودها در ناحیهي فعال برابر / 7 و ولتاژ زنري دیود زنر برابر v z /8 باشد. فرض کنید که دیودها ایدهآل باشند. پاسخ: براي رسم مشخصه به این صورت عمل میکنیم که ابتدا فرض میکنیم که سپس وضعیت قطع و وصل بودن و ناحیهي کاري دیودها را براي آن تعیین میکنیم سپس میدهیم تا جایی که وضعیت یکی از دیودها تغییر کند. (مثلا یک دیود معمولی از وصل به قطع برود) سپس دوباره را کاهش میدهیم تا جایی که وصل تمام دیودها را بررسی میکنیم و از روي آن مقدار ولتاژ خروجی را بدست میآوریم. را کاهش مقدار ولتاژ در گره بسیار بزرگ و مثبت است پس با توجه به اکنون در این مثال با فرض اینکه پایین مدار به زمین وصل است بدون شک دیود 4 و نیز دیود قطع خواهند بود زیرا بایاس معکوس میشوند (ولتاژ کاتد دیودها بیشتر از آند آنها میشود). بر عکس آنها دیودهاي و وصلاند پس مانند یک باتري نیز در ناحیهي زنري عمل خواهد کرد لذا ولتاژ دو سرش برابر پس براي / 7 ولت عمل میکنند دیود z v z 8/ v داریم: ولت خواهد شد. / 7 / 7 8/ 9/ 6 o اکنون اگر ولتاژ v شروع به کاهش کند به جایی خواهیم رسید که دیگر ولتاژ v z شکست زنري تا مین نخواهد شد لذا دیود زنر وارد ناحیهي قطعاش مطابق نمودار روبهرو خواهد شد. پس از مجموعهي پایین مدار جریانی عبور نخواهد کرد. با توجه به اینکه مقاومت k راه دیگري براي عبور جریان ندارد پس از مقاومت k نیز جریانی عبور نخواهد کرد. با این حساب ولتاژ o برابر /9 ولت است که در بالا محاسبه شد. خواهد شد اما مرز ورود به این ناحیه همان ولتاژ 6 این روند ادامه پیدا خواهد کرد تا جایی که ولتاژ گره منفی شده و به قدري کوچک شود که بتواند دیودهاي و 4 را روشن کند و همچنین دیود Z را به صورت زنري فعال کند. این مرز ولتاژي v v v v / 7 / 7 8/ 9/ 6 برابر است با: o 4 z z میل کند مشخصه تغییري نخواهد کرد پس در کل مشخصهي بعد از این اگر به صورت روبرو خواهد شد. میل کند و در تمام این حالات وضعیت قطع و k 4 k z z ناحیه قطع: 9.6 Z 9.6 o v z 9.6 9.6 o کاتد آند
5 الکترونیک مثال 5 : در مدار زیر مشخصه دیودهاي زنر توسط رابطه زیر مشخص شده است. مشخصه o به کدام است 90 o / 6 / 6 (mp) 4 / 6 4 4 o o - 4 0 4-4.6 4 0 4.6 شیب شیب () () -4 o 0 4 4-4.6 o 0 4.6 شیب شیب 4 / 6 ; F 4 (4) Zk 4 ; r ; d () پاسخ: گزینه با توجه به اطلاعات داده شده خواهیم داشت: r z شیب شیب 4 o و ( 4/ 6) Z 4/ 6 4/ بنابراین در محدوده 6 قطع میباشند و داریم: r d Z r z 4/ 6 وصل وصل Z 90 o ( Z ) o 9 ( ) / 45 4 / o / / 4 6 45 4 6 4 4/ 6 4/ 6 o o / 45 4 4/ 6 o / 45 4-4.6 = شیب 4 o 0 4.6 = شیب 4 مدارهاي پرش lamp مدار پرش ایده آل شامل یک دیود و یک خازن میباشد. خازن در آلترنانس مثبت ورودي از طریق دیود روشن تا سطح شارژ میشود. در این و میباشد. به این ترتیب خروجی یک پرش c وصل) میباشد. در آلترنانس منفی (دیود قطع) خروجی مجموع (دیود o زمان نسبت به ورودي دارد.
فصل اول: نیمه هادي و دیودها 6 o o 0 - -( ) اشکال مدار پرش مطرح شده این است که زمانی که دیود قطع میشود مسیر دشارژي براي خازن وجود ندارد. مثلا اگر ورودي ولتاژش از کمتر شود خروجی نمیتواند ورودي را دنبال کند. بهمین خاطر از یک مقاومت موازي با دیود استفاده میشود ) مقدار مقاومت باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا موجب دشارژ بیش از حد خازن نگردد). پرش روي سطح غیر صفر نیز با استفاده از باطري سري با دیود بدست میآید. o o - - -( ) مدارهاي چند برابر کننده ولتاژ: الف مدار دو برابر کننده ولتاژ ولتاژ ورودي را به صورت سینوسی در نظر بگیرید. است. دیود روشن و خاموش خواهد بود. لذا مسیر در نیم سیکل اول که () را طی میکنیم. مثبت m با فرض اینکه افت ولتاژ روي دیودها صفر باشد ) ( و نیز با فرض اینکه دامنه ي ولتاژ ورودي m باشد در این سیکل خازن تا m شارژ میشود. m اکنون لحظهاي که ولتاژ ورودي وارد سیکل منفیاش شود بلافاصله دیود قطع میشود و مسیر جریان از طریق دیود و خازن تکمیل خواهد شد. یعنی در این حالت مسیر () را طی میکنیم.
7 الکترونیک در این حالت پلاریتهي عوض شده است. خازن یعنی مدار زیر را داریم: (براي مسیر ()) هم که در سیکل قبلی به اندازه m شارژ شده بود اکنون به صورت یک منبع ولتاژ عمل میکند. ديود قطع دیود که اتصال کوتاه است KL m m با نوشتن KL در مدار معادل آخري داریم: KL : m m m m m ما روي دامنه بحث میکنیم که دامنه ولتاژ ورودي نیز m است. پس ولتاژ دو سر خازن برابر m خواهد شد. همان طور که از نمودارها نیز پیداست پس از شارژ شدن به اندازه m این مقدار باقی خواهد ماند و خازن دوباره دشارژ نمیشود. ب مدارهاي سه برابر کننده و.... با افزودن یک دیود و خازن دیگر (سلول افزاینده ولتاژ) مدار برابر کننده ولتاژ را خواهیم داشت: مدار تا انتهاي نیم سیکل دوم مانند دو برابر کننده ولتاژ عمل میکند و در نیم سیکل سوم همراه با خازن خازن نیز با توجه به ولتاژ ورودي یعنی مجموعه از طریق, به اندازه m شارژ میگردد. حال اگر خروجی مدار را از دو سر و بگیریم o m میشود. به این ترتیب با افزودن هر سلول ولتاژ خروجی یک برابر (m ) افزایش مییابد. 4 مدار یکسو سازي الف یکسو سازي نیم موج همان طور که ملاحظه میگردد مدار یکسو ساز نیم موج نظیر مدار برشگر صفر میباشد. o برق شهر L o rd با افزودن یک فیلتر (خازن) پایین گذر در خروجی میتوان ولتاژ نزدیک به ثابت در خروجی دریافت کرد. برق شهر L o o دیود وصل m دیود قطع
فصل اول: نیمه هادي و دیودها 8 در زمان وصل دیود ولتاژ خروجی بهمراه ولتاژ ورودي تا m زمانی L تخلیه میگردد تا زمانی که دوباره دیود وصل گردد. افزایش مییابد ماکزیمم جریان دیود در سیکل اول اتفاق میافتد و تقریبا برابر است با: ( (در زمان وصل دیود o (با فرض ( و در زمان قطع دیود خازن در مقاومت بار با ثابت sn با فرض m d d L d d L m m cos sn L max m o o ~ L تحلیل یکسو ساز با استفاده از مدار معادل یکسو ساز نیم موج با فرض برق شهر L o = o r : نمودار ولتاژ خروجی m o o شارژ خازن دشارژ خازن r m طرز کار این مدار به این صورت است: پس از اینکه ولتاژ برق شهر که یک سیگنال سینوسی است از ترانسفورماتور عبور کرد و با یک نسبتی به مدار رسید باید از دیود عبور کند اما دیود هر ولتاژي را از خودش عبور نمیدهد. در زمانهایی که ولتاژ ورودياش مثبت باشد دیود اتصال کوتاه شده و سیگنال را عبور میدهد. این کار باعث شارژ شدن خازن میشود. اما همین که ولتاژ سینوسی ورودي منفی شد (وارد سیکل منفی شد) دیود مدار را قطع میکند. در این صورت مدار شامل یک L و موازي میشود. این باعث تخلیه شدن خازن و یا به عبارتی دشارژ شدن خازن میشود. لذا ولتاژ خروجی در این سیکل نزولی خواهد بود. همان طور که در نمودار بالا ملاحظه میشود. دیود وصل وضعیت وصل دیود دیود قطع L L وضعیت قطع دیود با با توجه به نمودار ولتاژ خروجی مشاهده میشود که دوره تناوب سیگنال ولتاژ برابر T است که در آن زمان شارژ خازن و زمان دشارژ خازن میباشد. حال اگر فرض کنیم که زمان شارژ خازن در مقایسه با زمان دشارژ آن ناچیز باشد (یعنی ) آنگاه با کمی تقریب میتوان دوره تناوب را برابر T قرار دارد. Q r ( ) در مدار فوق میزان باري که خازن در زمان دشارژ از دست میدهد را با رابطه زیر (رابطه ) نشان میدهیم. L باشد آنگاه میتوان نوشت: حال با فرض اینکه T L T L دشارژ با تقریب خطی Q از آنجایی که مقدار تقریبا برابر T است با جایگذاري T در رابطه بالا به رابطه میرسیم. برابر قراردادن روابط () و () رابطه () بدست میآید: T Q T ( ) T r T r ( ) f
9 الکترونیک مدار معادل یکسو ساز نیم موج r eq ( ) eq fc fc O تغییر میکند. O و مطابق نمودار ولتاژ خروجی در بالا ولتاژ خروجی بین دو مقدار اگر بخواهیم براي ولتاژ خروجی یک مقدار متوسط و یا یک مقدار در نظر بگیریم میتوانیم دامنهي ولتاژ سینوسی است و r m را به کار ببریم. در این رابطه m عبارت r مقدار ریپل کل را نشان میدهد. با توجه به رابطه () مقاومت معادل یکسو سازي نیم موج به دست میآید: ماکزیمم ولتاژ معکوسی که دیود باید تحمل کند در آلترنانس دوم و زمانی که دیود قطع میباشد اتفاق میافتد و به صورت زیر به دست میآید: در مدار روبهرو اگر فرض کنیم که است با نوشتن KL متوجه میشویم که بیشترین ولتاژ معکوس دو سر دیود برابر m بیشینه max به دست میآید. max m ب یکسو سازي تمام موج براي یکسو سازي تمام موج دو روش وجود دارد: روش پل دیود میباشد. همچنین مقدار جریان m eq r / - m L - m max m max m نمایش ولتاژ دو سر دیود در آلترنانس دوم (منفی) برق شهر برق شهر 4 L o o درآلترنانس اول دیودهاي و اگر خازن صافی به مدار اضافه شود میزان مدار معادل یکسو ساز تمام موج r روشن بوده و در آلترنانس دوم دیودهاي و 4 روشن میشوند با توجه به دو برابر شدن فرکانس موج یکسو شده خروجی (رپیل خروجی) نیز تقریبا نصف میشود. براي یکسوسازي تمام موج نیز میتوان مدار معادلی مانند یکسوساز نیم موج مطابق شکل روبهرو در نظر گرفت. مقاومت معادل به دست میآید. است. eq تنها تفاوتی که وجود دارد در مقدار ولتاژ ریپل r و eq که براي این مدار به صورت و r f 4f همچنین در یکسو سازي تمام موج ماکزیمم ولتاژ معکوس دو سر دیودها با توجه به اینکه در هر آلترنانس دو دیود سري میشوند نسبت به یکسو ساز نیم موج نصف میگردد. m max m eq r/ L
فصل اول: نیمه هادي و دیودها 0 روش ترانس سر وسطدار (روش دو دیودي): o برق شهر L o درآلترنانس اول و درآلترنانس دوم روشن میشود. در حالتی که خازن به دو سربار L اضافه شود مانند مدار یکسوساز قبلی تحلیل میگردد. در حقیقت این یکسوساز از دو یکسوساز نیم موج تشکیل شده است. مدار معادل این یکسوساز دقیقا شبیه پل دیودي میباشد.تفاوت این مدار با مدار پل دیود در ولتاژ معکوس ماکزیمم دیودها میباشد که در این مدار مانند یکسوساز نیم موج m میباشدو دیگر اینکه جریان متوسط در سیمپیچهاي ثانویه نسبت به پل دیود نصف میشود ) قطر سیم ثانویه ترانس در این روش تقریبا نصف روش یکسوسازي پل دیودي میباشد). زیرا هر سیمپیچ ثانویه تنها در یک آلترنانس جریان به دیود مربوط به خودش میدهد. مثال 6 : در مدار یکسوساز شکل زیر ولتاژ خروجی بدون بار برابر 6 و با بار 5 اهمی برابر 5 ولت میباشد. با فرض اینکه ولتاژ مستقیم دیودها / 6 و مقاومت دینامیک آنها ناچیز است (فرکانس برق شهر ( 5 Hz : n : n 0 L m الف را در طرف ثانویه ترانس بدست آورید. n ب نسبت اولیه به ثانویه ترانس چقدر است. ) ( n ج مقدار خازن را محاسبه کنید. پاسخ: eq 4fc الف) در حالت بدون بار مقدار m میشود لذا طبق شکل بالا 6 به دست میآید. m m اکنون با در نظر گرفتن افت دیودها مقدار ولتاژ m به دست میآید: /7 توجه دارید که در هر سیکل تنها دو دیود جریان را عبور میدهند. n rms n ب) 4 / n rms n / 7 ج) در این حالت باید از همهي اجزاي مدار معادل فوق استفاده کنیم. ابتدا مقدار جریان / 5 5 محاسبهي L eq 4f و نوشتن یک KL ساده به دست میآوریم: m r L به دست میآید. سپس با m eq ; 6 / 5 5f 45 کاربرد زنر به عنوان تثبیت کننده ولتاژ: هدف استفاده از دیود زنر جهت کاهش رپیل ولتاژ خروجی مدارات یکسو کننده میباشد. مدار تثبیت کننده بین بار و یکسوکننده قرار داده میشود. S مدار تثبیت کننده ولتاژ L S Z پل دیود برق شهر Z o L
الکترونیک باید مقدار S را طوري تعیین کنیم که با وجود تغییرات ولتاژ ورودي و تغییرات جریان بار حداقل تغییرات در o بوجود آید. مدل مورد استفاده براي دیود زنر z zk rzz میباشد. نکته دیگري که براي تعیین مقدار s باید در نظر گرفته شود قرارگرفتن زنر در ناحیه m eq = 4F S S m (eq Smax ) S (ZK rz zmn ) Smax S Z mn Lmax فعال میباشد بنحوي که تغییرات ولتاژ ورودي و تغییرات جریان بار در این مورد باعث غیر فعال شدن زنر نشود. شرط اول: اگر ورودي مدار و یا ولتاژ برق شهر به حداقل خود برسد آنگاه باید تضمین کنیم با S انتخابی حتی اگر جریان بار ماکزیمم شود زنر به ناحیه (Z به این منظور از مدار معادل روبهرو استفاده میشود. خاموش نرود. ) Zmn در اینصورت خواهیم داشت: شرط دوم: اگر v بیشتر نگردد. محاسبه میگردد به حداکثر خود برسد آنگاه باید تضمین کنیم که با S انتخابی حتی اگر جریان بار مینیمم شود جریان عبوري زنر از Zmax max, L mn,zmax m (eq Smn ) S (zk rz z max ) S Zmax Lmn Z Z از حل معادلات بالا مقدار Smn بدست میآید. مثال 7 : در مدار شکل زیر حداکثر جریان بار قابل تحویل L در حالتی که ولتاژ نقطه تنظیم شده باشد چقدر است افت ولتاژ دیودها در حالت مستقیم / 7 و خازنها به انداره کافی بزرگ فرض میشوند. مدار تثبیت کننده ولتاژ مدار معادل یکسوساز تمام موج o L 0 50 Hz 0 /0 z = 9 v, z mn = 5 m 0 L Z ) صفر 8m ( m ( 76m (4 n ou ) (, و ) (, همانطور که قبلا یعنی خروجی آنها دامنهي ولتاژ m پاسخ : گزینه «4» مجموعهي دیدهاید دو برابر کنندهي ولتاژ میباشد. برابر خواهد داشت. البته در اینجا چون دیودها را ایدهآل نگرفتهایم ولتاژ خروجی m خواهد بود.. در آلترنانس بعدي مسیر از طریق خط n ou n n n n یک بار مسیر عبور جریان مسیر نقطهچین است. ممتد بسته میشود. پس داریم: پس دو سر ولتاژ میافتد یعنی n هم دامنهي ولتاژ ورودي است. با توجه به اینکه مقدار ولتاژهاي ترانس به صورت rms داده میشود. پس مقدار که روي سمت راست ترانس ou n (n ) ( / 7) 6/ 9 میافتد مقدار rms است که باید در اکنون با فرض بزرگ بودن خازنها مقدار ولتاژ ضرب شود تا اینکه به دامنهي ولتاژ تبدیل شود. در نهایت داریم: ثابت میشود و داریم: z 6/ 9 9 z L 8/ 4m L 8/ 4 max mn 76 / 6m / c
فصل اول: نیمه هادي و دیودها مقاومت دینامیک ناچیز و توان قابل zk zk مثال 8 : در مدار شکل زیر دیود زنر داراي ولتاژ زانوي (شکست) 6 جریان زانوي m P Z max W تحمل ماکزیمم بیبار ) ( است. ولتاژ ورودي تثبیت نشده بین تا ولت متغیر است. مقاومت بار L میتواند از 6 اهم (بار کامل) تا حالت S P P P w 5m zmax zmax zk zmax zmax z max zk s zk, o zk mn تغییر کند. محدوده را بدست آورید. Zmn L 8 6 ( 4 8 ( 8 8 ( 4 6 (4 پاسخ : گزینه «4» Lmax به ازاي زنر در وضعیت قرار میگیرد زمانی که میباشد به ازاي این شرایط max محاسبه میگردد. L o mn max (z mn L ) max zk o zk L max L mn Lmn max 6 ( ) به ازاي Lmn زنر در وضعیت Zmax قرار میگیرد زمانی که mn میباشد به ازاي این شرایط max محاسبه میگردد. max mn (z max L ) mn zk o L mn Lmax mn 4 ( ) 4 6 قرار دارد. با توجه به رابطههاي () و () در محدودة