Polovodičová dioda Shockleyho rovnice: I = I0[exp(U/UT)-1]

Prezentace na téma: "Polovodičová dioda Shockleyho rovnice: I = I0[exp(U/UT)-1]"— Transkript prezentace:

1 Polovodičová dioda Shockleyho rovnice: I = I0[exp(U/UT)-1]
teplotní napětí UT = kT/e = 26 mV při T = 300 K elementární náboj e = 1,602x10-19 C Boltzmannova konstanta k = 1,318x10-23 JK-1 saturační proud I0

2 Určete, které křivky v propustném směru odpovídají diodě D1, D2 a D3.
Příklad 1 Z VA charakteristik polovodičových diod D1, D2 a D3 určete jejich saturační proudy I01, I02, I03. Určete, které křivky v propustném směru odpovídají diodě D1, D2 a D3.

3 Příklad 1 D3 D2 D1 IS1 = 1E-12 IS2 = 2E-12 IS3 = 5E-12

4 Určete dynamický odpor pro I = 0 mA
Příklad 2 Z Shockleyho rovnice polovodičové diody odvoďte diferenciální vodivost a odpor diody v propustném směru (I0 = 10 pA). Určete dynamický odpor pro I = 0 mA

5 Diferenciální (dynamická) vodivost diody v pracovním bodě
Příklad 2 Diferenciální (dynamická) vodivost diody v pracovním bodě Z Shockleyho rovnice V počátku

6 Příklad 3 Určete z charakteristiky graficky určete dynamický odpor v pracovním bodě diody I = 3 mA. rd(P) = (U/ I)P = 54 mV / 6 mA  = 9  I = 6 mA U = 0, ,72 V = 0,054 V

7 Aproximace polovodičové diody
rd I U0 rd = UZ U U0 rz UZ rz =

8 Určete proudy a napětí. R = 1 k.
Příklad 4A Určete proudy a napětí. R = 1 k. D1=D2=D3: U0= 0,7 V, rd= 0 , UZ= 15 V, rz= 0 , I0= 0 A UN = 10 V UN I R D1 D2 D3 U1 U2 U3 UN < UZ I = 0 A U3 = UN = 10 V UR = UD1 = UD2 = 0 V

9 Určete proudy a napětí. R = 1 k.
Příklad 4B Určete proudy a napětí. R = 1 k. D1=D2=D3: U0= 0,7 V, rd= 0 , UZ= 15 V, rz= 0 , I0= 0 A UN = 20 V UN I R D1 D2 D3 U1 U2 U3 UN > UZ U3 = UZ = 15 V U1 = U2 = 0,7 V UR = UN – UZ – 2*U0 = *0.7 = 3,6 V I = UR/R = 3,6/1E3 = 3,6 mA

10 Určete proudy a napětí. UN = 4,5 V, R = 1 k.
Příklad 5 Určete proudy a napětí. UN = 4,5 V, R = 1 k. D: I0 = 1E-12 A D Ud I UN R I = (UN-UD)/R UD = UT*ln(I/(I0) I = I0*EXP(UD/UT] UN = I*R - UD

11 charakteristika diody
Příklad 5 I [mA] 7 6 5 4 3 2 1 UN/R UN U [V] charakteristika diody zatěžovací přímka pracovní bod P U(P) I(P) I = (UN-UD)/R UD = UT*ln(I/(I0)

12 Určete přibližně proudy a napětí. UN = 12 V, R = 1 k.
Příklad 6A Určete přibližně proudy a napětí. UN = 12 V, R = 1 k. D1: U01= 0,6 V, rd1= 10  D2: U02= 0,66 V, rd2= 10  D2 D1 U1 I2 I1 UN I U2 R Protože prahové napětí diody D2 je o 0,6 V větší, poteče diodou D1 10x větší proud než diodou D2. Napětí na obou diodách musí být stejné a je přibližně U1 = U2 = 0,6 V. I = (UN-U1)/R = (12-0,6)/1 mA = 11, 4 mA  11 mA I1 = 10 mA, I2 = 1 mA

13 Určete proudy a napětí. UN = 12 V, R = 1 k
Příklad 6B Určete proudy a napětí. UN = 12 V, R = 1 k D1: I01 = 1E-12 A D2: I02 = 1E-13 A D2 D1 U1 I2 I1 UN I U2 R I = I1+ I2 = I01*EXP(UD/UT]+I02*EXP(UD/UT) I = (I01+I02)*EXP(UD/UT) UN = I*R + UD

14 I1 = I01*EXP(U/UT) = 1E-12*EXP(0,6/0,026)= 10,36 mA
Příklad 6B D1: I01 = 1E-12 A D2: I02 = 1E-13 A UN = 12 V, R = 1 k. I = (UN-UD)/R UD = UT*ln(I/(I01+I02) Zvolíme UD = 0,7 V I = (12-0,7)/1 mA = 11,3 mA UD = 0,026*ln(11,3E-3/(1E-12+1E-13)=0,6 V I = (12-0,6)/1 mA = 11,4 mA  11 mA I1 = I01*EXP(U/UT) = 1E-12*EXP(0,6/0,026)= 10,36 mA I2 = I02*EXP(U/UT) = 1E-13*EXP(0,6/0,026)= 1,04 mA

15 Příklad 7 - zadání D1 = D2: U0 = 0,7 V UN = 20 V R1 = 3,3 k, R2 = 5,6 k. U2 D2 I3 I1 UN 3K3 D1 U1 R1 5K6 R2 I2

16 Příklad 7 řešení UR2 = UN - UD1 - UD2 D1 = D2: U0 = 0,7 V UN = 20 V R1 = 3,3 k, R2 = 5,6 k. I2 = UR2 / R2 I1 = UR1 / R1 I3 = I2 - I1 0,7 V U2 0,2 mA D2 I3 I1 3,1 mA UN 20 V 0,7 V 3K3 D1 U1 R1 18,4 V 3,3 mA 5K6 R2 I2

17 D: U0 = 0,7 V UN = 15 V Příklad 8 R1 = 1 k R2 = 2,2 k R3 = 2,2 k
UN = R1 IR1 + R2 (IR1-ID) UN = R1 IR1 + UD+R3ID 15 V 0,7 V 15 = 3,2 IR1- 2,2 ID 14,3 = IR1 + 2,2 ID 2K2 2K2 R2 R3 7,3 V IR1 = 7 mA, ID = 3,3 mA IR2 = 3,7 mA

18 Příklad 9 – rozbor Uvst = I1*R1 + UD + ( I1 + I2 ) * R3
Un I1 1K0 Uvst Uvýst UD i2 Příklad 9 – rozbor Uvst = I1*R1 + UD + ( I1 + I2 ) * R3 Un = I2*R2 + UD + ( I1 + I2 ) * R3

19 Příklad 9 - příklad výpočtu
R2 R3 R1 Un I1 Uvst Uvýst UD i2 Příklad 8

20 Uvst = -(Un*R1/R2 - Ud*(1+R1/R2))
Příklad 9 R2 R3 R1 Un I1 Uvst Uvýst UD i2 Příklad 8 Známe Un, R1, R2, R3. Určete pro jaká Uvst je Uvýst = 0V Řešení Id = I3 = 0 mA I1 = - I2 Uvst <= Ud + I1*R1 Un = -I1*R2+Ud Uvst = -(Un*R1/R2 - Ud*(1+R1/R2))

21 Uvst = - (Un*R1/R2 - Ud*(1+R1/R2))
Příklad 9 – příklad výpočtu Uvst = - (Un*R1/R2 - Ud*(1+R1/R2))

22 Dioda jako řízený odpor
Příklad 10 Dioda jako řízený odpor Určete u2 / u1 Rozbor R2 R3 Un Uvýst UD i2 Uvst

23 = Id = (Un – Ud) / (R2 + R3) Řešení 1. URČÍME SS PRACOVNÍ BOD
Příklad 10 Řešení 1. URČÍME SS PRACOVNÍ BOD Un Id = (Un – Ud) / (R2 + R3) i2 R2 I1 R1 = UD Uvst R3 Uvýst

24 2. Náhradní schéma pro určení zesílení
Příklad 10 Řešení 2. Náhradní schéma pro určení zesílení Un i2 R2 rd UD uvst R3 uvýst

25 2. Náhradní schéma pro určení zesílení
Příklad 10 Řešení 2. Náhradní schéma pro určení zesílení rd = UT/Id uvýst = uvst * R3 / ( rd + R3) uvýst = uvst * U3 / (UT + U3) rd Uvst R3 Uvýst

26 Stabilizační dioda princip stabilizace napětí
Stabilizátor napětí naprázdno (bez zátěže) U2 U1 R UD ID U1 ± ΔU1 vstupní napětí čas U2 ± ΔU2 výstupní napětí čas

27 Stabilizátor napětí naprázdno (bez zátěže)
U2 U1 R UD ID Stabilizátor napětí naprázdno (bez zátěže) Grafické řešení UD ID IDmax IDmin UZ UD = UZ + rd ID U1 – ΔU1 U1 ΔU1 P U2 U2 – ΔU2 ΔU2 P ’ pracovní bod zatěžovací přímka U1 = UD + R ID charakteristika diody

28 Vztah mezi zvlněním výstupního a vstupního napětí:
Stabilizátor napětí se zátěží U1 R UD ID I U2 RZ IZ Vztah mezi výstupním a vstupním napětím , Vztah mezi zvlněním výstupního a vstupního napětí: , Z d R r U + = 1 2 pro rd << R1*Rz

29 Stabilizátor napětí se zátěží
U1 R UD ID I U2 RZ IZ , Napěťový činitel stabilizace: , pro rd << R1*Rz

30 Stabilizátor napětí Příklad 11 U1´= 30 V Rz´= 300 O rd = 4 O
Uz´= 9,5 V Uvýst = 20 V I D U R Z 2 1 20 V 30 V

31 = Stabilizátor napětí Příklad 12 U1´= 30 V Rz´= 300 O rd = 4 O
Uz´= 9,5 V Uvýst = 20 V 132 mA I 54 O 6,6 mA R I D I 10 V Z 1 V 8R0 U D 300R 20 V 30 V 125 mA U U R 1 2 Z U = U D 19 V

32 Stabilizátor napětí Příklad 11 Uvst´= 50 +- 5 V R = 200 O rd = 0 O
Uz = 7 V Idmin = 20 mA Idmax = 200 mA Uvýst = 20 V 1 R U Z I D A) Idmax Rz = nekonečno Uvst = 55 V B) Id min Uvst = 45V ..Ur,Ir,Ivýst,Rz