Ch2 ไดโอด

LOGO รหัสวิชา 353152 วงจรอิเล็กทรอนิกส์ 1

DIODES AND APPLICATIONS

1

บทท่ี 2

ไดโอด(Diode)คืออะไร ท ำหนำ้ท่ีอะไร

คือ อุปกรณ์สำรก่ึงตวัน ำท่ีสำมำรถน ำกระแสได ้ทิศทำงเดียวมีโครงสร้ำงมำจำรสำรก่ึงตวัน ำชนิดพแีละเอน็ มี 1รอยต่อ ท ำหนำ้ท่ีแปลงแรงดนัไฟฟ้ำกระแสสลบัใหเ้ป็นไฟฟ้ำกระแสตรง วงจรไฟฟ้ำกระแสตรงจ ำเป็นตอ้งมีเพือ่จ่ำยไฟใหก้บัวงจรอิเลก็ทรอนิกส์

2

โครงสร้ำงและสัญลกัษณ์ของไดโอด(Diode)

3

ลกัษณะโครงสร้ำงจริงของไดโอด(Diode)

แบ่งออกเป็น 2 ลกัษณะ คือ

-Typical Diode Packages -Surface-Mount Diode Packages

4

การไบอสัตรง(Forward Bias)

5

คือ กำรต่อขั้วบวกของแหล่งจ่ำยใหก้บัขำอำโนดและต่อขั้วลบเขำ้กบัขำคำโทด

การไบอสักลบั(Reveres Bias)

6

คือ กำรต่อขั้วลบของแหล่งจ่ำยใหข้ำอำโนดและต่อขั้วบวกใหก้บัขำคำโทด

กำรท ำงำนของไดโอดในอุดมคติ

• กรณีน ำกระแส• กระแสจะมีค่ำเป็นอนนัตเ์ม่ือแรงดนัตกคร่อมเป็น 0 V• ค่ำควำมตำ้นทำนถกูก ำหนดเป็น

• ไดโอดท ำหนำ้ท่ีเป็นสวิทช ์ปิด วงจร

7

0D

DF

I

VR

กำรท ำงำนของไดโอดในอุดมคติ

• กรณีไม่น ำกระแส• กระแสจะมีค่ำเป็น 0 A• ค่ำควำมตำ้นทำนถกูก ำหนดเป็น

• ไดโอดท ำหนำ้ท่ีเป็นสวิทช ์เปิด วงจร

8

D

DR

I

VR

ไดโอดในทางอุดมคต ิ(The Ideal Diode Model)

9

0F

FF

I

VR

AIVV FF , 0

D

DR

I

VR

AIVV FBiasD 0,

คุณลกัษณะสมบตัทิางกระแสและแรงดนัของไดโอดทางปฏิบตัิ

10

𝑉𝑏𝑖𝑎𝑠 < 0.7𝑉 𝑉𝑏𝑖𝑎𝑠 > 0.7𝑉

ไดโอดในทางปฏิบตั ิ(The Practical Diode Model)

11

𝑉𝐹 = 0.7 𝑉𝑉𝐹 = 𝑉𝐵𝑖𝑎𝑠

คุณลกัษณะสมบตัทิางกระแสและแรงดนัของไดโอด

12

แรงดันคัตอิน (Cutin Voltage; 𝑽𝒄𝒖𝒕𝒊𝒏 ) คือ แรงดนัไฟฟ้ำท่ีจ่ำยให้ไดโอดน ำกระแส

กระแสร่ัวไหล (Leakage Current; 𝑰𝒍𝒆𝒂𝒌𝒂𝒈𝒆 ) คือ กระแสเม่ือไดโอดไบอสักลบัจะมีค่ำนอ้ยมำก

แรงดันพงัทลาย (Breakdown Voltage; 𝑽𝑩𝑹 ) คือ แรงดนัท่ีจุดอ่ิมตวัขณะไบอสักลบั

𝑽𝒄𝒖𝒕𝒊𝒏

𝑽𝑩𝑹

𝑽𝑫(𝑽)

EXAMPLE

• ก ำหนดให้แรงดนัและกระแส ไบแอสตรงของไดโอดในภำพ a ส ำหรับไดโอด หำแรงดนัที่ตกคร่อมตวัต้ำนทำนที่จ ำกดั 𝑟𝑑

′ = 10Ω ที่เกิดจำกกำรค ำนวณหำคำ่กระแสไบแอสตรง• ก ำหนดให้แรงดนัและกระแส ไบแอสกลบัของไดโอดในภำพ b ส ำหรับไดโอด หำแรงดนัที่ตกคร่อมตวัต้ำนทำนที่จ ำกดั ในกรณีที่ 𝐼𝑅 = 1𝜇𝐴

13

EXAMPLE

• ก ำหนดให้แรงดนัและกระแส ไบแอสตรงของไดโอดในภำพ a ส ำหรับไดโอด หำแรงดนัที่ตกคร่อมตวัต้ำนทำนที่จ ำกดั 𝑟𝑑

′ = 10Ω ที่เกิดจำกกำรค ำนวณหำคำ่กระแสไบแอสตรง

14

EXAMPLE

• ก ำหนดให้แรงดนัและกระแส ไบแอสกลบัของไดโอดในภำพ b ส ำหรับไดโอด หำแรงดนัที่ตกคร่อมตวัต้ำนทำนที่จ ำกดั ในกรณีที่ 𝐼𝑅 = 1𝜇𝐴

15

Summary

Forward bias

กำรไบแอสตรงเป็นสภำวะท่ีกระแสไหลผำ่นไดโอด และแรงดนัไบแอสจะตอ้งมำกกวำ่เขตปลอดพำหะหรือ 0.7V ในซิลิคอน , 0.3V ในเจอมนัเนียม

R

I F

BIAS

V–+

–+

+

–

F

V

B

0.7 V

C

A

00

Knee

VF

IF (mA)

Summary

Reverse bias

กำรไบแอสกลบั เป็นสภำวะท่ีกระแสถูกปิดกนั

R

BIAS

BIAS

I = 0 A

– +

– +

V

V

00

Knee

VR

IR

VBR

Summary

Approximations

Three diode approximations are:

VR

IR

VF

IF

0.7 VVR

IR

VF

IF

0.7 VVR

IR

VF

IF

Ideal Practical Complete

Summary

Example

Use the practical model to determine the current in the circuit:

12 V–

+

R

3.3 k

VBIAS

BIAS 0.7 V 12 V 0.7 V 11.3 VRV V

R 11.3 V

3.3 k

VI

R

3.4 mA

RESISTANCE LEVELS (in conduction region)

20

อุปกรณ์สารกึง่ตวัน ามกีารตอบสนองของกระแส DC และ AC ที่แตกต่างกนั

ค่าความต้านทานทีเ่กดิขึน้ม ี3 ชนิด

DC (static) resistance ค่าความต้านทานในกระแสตรง

AC (dynamic) resistance ค่าความต้านทานในกระแสสลบั

Average AC resistance ค่าความต้านทานเฉลีย่ในกระแสสลบั


ค่าความต้านทานในกระแสตรง (DC (static) resistance )

ส าหรับน าไปใช้ท่ีค่าคงท่ีกับแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง VD มีค่าคงท่ีกระแส ID และค่าความต้านทาน RD ดังสมการ

โดยท่ัวไปแล้ว ท่ีกระแสสูงสุด ค่าความต้านทานในกระแสตรงจะต ่าสุด

21

Q-point

D

DD

I

VR

Example

Determine the DC resistance level for

(a) ID =2 mA

(b) ID =20 mA

(c) VD=-10 V

22


AC (dynamic) resistance

The time-varying input will move the instantaneous Q-point up and down.

It thus defines the specific change in current and the specific change in voltage .

In general, the lower

Q-point, the higher is the

AC resistance level.

23

Q-point

d

dac

ΔI

ΔV r

dI

Example Determine the AC and DC resistance level at

(a) ID =2 mA

AC resistance

DC resistance

24

Example

25

(b) ID =25 mA

AC resistance

DC resistance


Average AC resistance

กำรค ำนวณโดยใชค้่ำกระแสและแรงดนัของจุดสองจุดบนเส้นโคง้ลกัษณะสมบติัของไดโอด ตำมท่ีก ำหนด โดย

Example Find rav

26

pt. to pt. d

dav

ΔI

ΔV r

DIODE EQUIVALENT CIRCUITS

An equivalent circuit is a combination of elements properly chosen to best represent the actual terminal characteristics of a device in a particular operating region.

Piecewise-linear equivalent circuit of diode

It is modeled as an ideal diode series connect with an average AC resistance and voltage at knee point of the characteristic curve (see Fig. 4).

27

Example

Find rav

28

DIODE TESTING

การทดสอบการท างานของไดโอดในวงจรนั้นส าหรับสภาวะไดโอดปกตใินทางไปแอสตรงแรงดนัที่เกดิขึน้ตกคร่อมไดโอด ในซิลคิอนเป็น 0.7 V ในเจอร์มนัเนียมเป็น 0.3 V

การทดสอบสามารถท าได้โดยตั้งปรับมลัตมิเิตอร์ไปที่ย่าน โอห์ม แล้วท าการวดัความต้านทานระหว่างขาแอโนดและแคโทดที่เกดิขึน้ จะต้องมคุีณลกัษณะดงัภาพ

29

Quiz

1. A semiconductor is a crystalline material with

a. many free electrons held by the attraction of

positive ions

b. strong covalent bonds between neighboring atoms

c. only one electron in its outer shell

d. a filled valence shell

Quiz

2. A metallic conductor has

a. many free electrons held by the attraction of

positive ions

b. covalent bonds between neighboring atoms

c. four electrons in its outer shell

d. a filled valence shell

Quiz

3. In a semiconductor, the concept of an energy gap is

used to show the difference between the energies of the

a. nucleus and outer shell electrons

b. nucleus and the free electrons

c. conduction band electrons and valence electrons

d. core electrons and valence electrons

Quiz

4. An impurity such as Antimony (Sb) has five electrons

in its outer shell. When silicon has Sb impurities,

a. an n material is formed

b. the crystal will be negatively charged

c. both of the above

d. none of the above

Quiz

5. Compared to a p-material, the energy levels in an n-

material are

a. the same

b. greater

c. lower

Quiz

6. When a pn junction is formed, electrons move across

the junction and fill holes in the p-region. The filled hole

is a

a. neutral atom

b. minority carrier

c. positive ion

d. negative ion

Quiz

7. The forward biased knee voltage in a semiconductor

diode is approximately equal to the

a. bias supply voltage

b. breakdown voltage

c. output voltage

d. barrier potential

Quiz

8. Using the ideal diode model, the current in the circuit

shown is

a. 0.73 mA

b. 0.80 mA

c. 0.87 mA

d. 1.2 mA

8.0 V –

+

R

10 k

VBIAS

Quiz

9. Using the practical diode model, the current in the

circuit shown is

a. 0.73 mA

b. 0.80 mA

c. 0.87 mA

d. 1.2 mA

8.0 V –

+

R

10 k

VBIAS

Quiz

10. The diode model which includes the large reverse

resistance is the

a. ideal model

b. practical model

c. complete model

d. all of the above

8.0 V –

+

R

10 k

VBIAS

Quiz

Answers:

1. b

2. a

3. c

4. a

5. c

6. d

7. d

8. b

9. a

10. c

Education

Ch2 ไดโอด