ไดโอดที่ไบอัสไปข้างหน้า (forward bias region) : v D > 0

ไดโอดที่ไบอัสไปข้างหน้า (forward bias region) : vD > 0

การแบ่งสภาวะการทำงานของไดโอดการแบ่งสภาวะการทำงานของไดโอด

EEET0210 Electronics I แบบจำลองอย่างง่ายของไดโอด

EEET0210 Electronics I 3.3 การวิเคราะห์ไฟตรงวงจรไดโอด (1) (2)

1. วิธีวิเคราะห์โดยใช้กราฟ VDD = 1 V 1และR= 100 W (1) VD = 0.717 V และID= 2.832mA

2. การวิเคราะห์โดยใช้การคำนวณซ้ำ (iterative analysis) ข้าม !! ☺

3. การวิเคราะห์โดยใช้แบบจำลองอย่างง่าย • โดยทั่วไปในการวิเคราะห์วงจรด้วยมือ (hand analysis) เพื่อศึกษาการทำงานอย่างคร่าว ๆ ของวงจร เราไม่นิยมใช้การวิเคราะห์สองแบบข้างต้นเพราะจะทำได้ยากมากโดยเฉพาะกรณีวงจรขนาดใหญ่ • ในกรณีดังกล่าวเรานิยมแทนที่ไดโอดด้วยแบบจำลองอย่างง่าย ทั้งนี้การวิเคราะห์แบบนี้จะใช้เวลาสั้นกว่าการวิเคราะห์สองแบบแรกมากแต่ก็ไม่สามารถให้คำตอบที่แม่นยำมากได้ ตัวอย่างเช่น จากตัวอย่างที่แล้วถ้าเราใช้แบบจำลองอย่างง่ายเราจะประมาณว่าแรงดันที่ตกคร่อมไดโอดเท่ากับ 0.7 V ทำให้ได้

สัญลักษณ์สัญญาณ สัญญาณ ac และสัญญาณคงที่ สัญญาณ ac + สัญญาณคงที่

3.4 แบบจำลองสัญญาณขนาดเล็ก (small-signal model)

กรณี vdมีขนาดเล็กมาก

ถ้าแรงดันไฟสลับ vd = 0 เราสามารถคำนวณกระแสที่ไหลผ่านไดโอดได้ว่า ต่อมาเมื่อมีการป้อน vdเพิ่มเข้าไปในวงจร ทำให้แรงดันที่ตกคร่อมไดโอดเท่ากับ vD(t) = VD + vd(t) โดยใช้อนุกรม Taylor โดย x = vd/nVT

จาก โดย x = vd/nVT • ถ้าสมมุติให้ x << 1 หรือ vd << nVTเราสามารถประมาณสมการข้างบนได้ว่า สมการข้างบนเป็นการประมาณแบบสัญญาณขนาดเล็ก (small-signal approximation) ซึ่งในทางปฏิบัติจะใช้ได้เมื่อขนาดของ vdมีขนาดเล็กกว่า 10mV จาก iD = ID + id โดย rd = nVT/ID

Small-Signal Equivalent Circuit ของไดโอด rd = nVT/ID

ตัวอย่าง ถ้า V = 10 V + 10 mV sin(100t) จงหา vD

3.5 วงจรเรียงสัญญาณ (rectifier) • วงจรเรียงสัญญาณเป็นวงจรไดโอดที่สำคัญที่สุดวงจรหนึ่ง • วงจรเรียงสัญญาณเป็นส่วนประกอบที่สำคัญมากของแหล่งจ่ายไฟกระแสตรง(dc power supply) ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่จะต้องมีในเครื่องมืออิเล็กทรอนิกส์แทบทุกประเภท • แหล่งจ่ายไฟกระแสตรงที่ดีจะต้องรักษาระดับแรงดันให้คงที่เสมอแม้ว่าจะเกิดการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟบ้าน (เช่นเกิดไฟตกจาก 220 V เป็น 210 V) หรือกระแสที่จ่ายให้โหลด (เครื่องใช้ไฟฟ้าในบ้าน)

หม้อแปลงกำลัง (power transformer) ทำหน้าที่แปลงแรงดันกระแสสลับ 220 V(rms) ให้เป็นแรงดันกระแสสลับที่มีขนาดต่ำลง(เช่นแปลงจากแรงดัน 220 V เป็น 8 V เป็นต้น) • อัตราส่วนของแรงดันอินพุตและเอาต์พุตของหม้อแปลงถูกกำหนดโดยอัตราส่วนจำนวนรอบของขดลวดฝั่งปฐมภูมิ (primary winding) และขดลวดฝั่งทุติยภูมิ (secondary winding) • วงจรเรียงสัญญาณทำหน้าที่แปลงแรงดันไฟสลับรูปซายน์ให้กลายเป็นแรงดันที่ที่มีแต่สัญญาณซีกบวก เมื่อนำแรงดันดังกล่าวผ่านวงจรกรองจะได้แรงดันที่มีการกระเพื่อม(ripple) เล็กน้อย • วงจรคงค่าแรงดันจะทำการลดทนการกระเพื่อมให้หมดไป ทำให้ได้แรงดันคงที่

วงจรเรียงสัญญาณแบบครึ่งคลื่น (half-wave rectifier) ประมาณ 0.7 V

ในการเลือกไดโอดเพื่อใช้ในวงจร rectifier มีพารามิเตอร์ที่จะต้องคำนึงถึงคือ • 1. ความสามารถในการทนกระแส (current-handling capacity) • 2. ค่าแรงดันย้อนกลับสูงสุด (peak inverse voltage: PIV) ซึ่งคือค่าแรงดันย้อนกลับสูงสุดที่ไดโอดจะต้องทนได้ก่อนที่จะเกิดการพังทลาย • สำหรับวงจรเรียงกระแสแบบครึ่งคลื่น ไดโอดที่ใช้จะต้องมี PIV > |vS|p • ในทางปฏิบัติเรามักเลือกไดโอดที่มี PIV มากกว่า|vS|pอย่างน้อยสองเท่า

วงจรเรียงกระแสแบบเต็มคลื่น (full-wave rectifier) วงจรเรียงกระแสแบบเต็มคลื่นที่ใช้ไดโอดสองตัว และหม้อแปลงแบบมี center tap

ในขณะที่vS > VD0 D1จะ onD2จะoff ในขณะที่vS < VD0 D1จะ offD2จะon ในขณะที่ -VD0< vS < VD0ทั้ง D1และ D2จะ off ทั้งคู่ ทำให้ vO = 0

vs-vDO 2vs-vDO • เมื่อ vS > VD0 D1จะ on และ D2จะ off โดยแรงดันที่ตกคร่อม D1 มีค่าประมาณVD0 ดังนั้นแรงดันย้อนกลับที่ตกคร่อมไดโอด D2 จะเท่ากับ 2vS - VD0 • ด้วยเหตุนี้เราต้องเลือกไดโอด D2ที่มี PIV > 2|vS|p - VD0 • ในทำนองเดียวกันเราต้องเลือกไดโอดD1เท่ากับ PIV = 2|vS|p - VDO เช่นกัน • จะเห็นได้ว่า PIVของไดโอดในวงจร full-wave rectifier > PIVของไดโอดในวงจร half-wave rectifier ประมาณสองเท่า

วงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ (bridge rectifier) ไม่ต้องการหม้อแปลงแบบมี center tap แต่ใช้ไดโอด 4 ตัว

วงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ (bridge rectifier) vs-vDO on off vs-2vDO on off -vDO

D1และ D2 จะ onส่วน D3และ D4จะ off ทำให้มีกระแสไหลจากขั้ว (+) ผ่าน D1 - R - D2 เข้าไปยังขั้ว (-) เกิดแรงดันเอาต์พุต D3และ D4จะ onส่วนD1และ D2จะ off ทำให้มีกระแสไหลจากขั้ว (-) ผ่าน D3 - R - D4เข้าไปยังขั้ว (+) เกิดแรงดันเอาต์พุต ในขณะที่ -2VDO< vS < 2VDOไดโอดทั้งสี่ตัวจะ off ทำให้ vO = 0

เมื่อ vS> 2VD0D1และ D2on ส่วน D3ละ D4off โดยแรงดันตกคร่อม D1และ D2 ~VDO ทำให้แรงดันย้อนกลับที่ตกคร่อม D3และ D4มีค่า~ vS- VDO • นั่นค่าสำหรับเราต้องเลือก D1และ D2 ที่มีPIV > |vS|p- VDO ซึ่งเท่ากับของ D3และ D4 • PIV ของไดโอดใน Bridge Rectifier จะ < Full-wave Rectifier แบบไดโอดสองตัวอยู่ ~ 2 เท่า วงจร Bridge Rectifier ได้รับความนิยมมากที่สุดเนื่องจาก (1) ไม่ต้องอาศัยหม้อแปลงที่มีแท็บกึ่งกลาง (2) สามารถใช้กับไดโอดที่มีค่า PIVต่ำ (3) จำนวนรอบขดลวดในแกนทุติยภูมิที่ใช้ในวงจรนี้เป็นครึ่งเดียวของวงจร FW-Rectifier แบบไดโอดสองตัว

วงจรเรียงกระแสแบบใช้ตัวเก็บประจุกรองสัญญาณวงจรเรียงกระแสแบบใช้ตัวเก็บประจุกรองสัญญาณ (The recifier with a filter capacitor – the peak rectifier) • ช่วง (a) vIและ vOเท่ากับศูนย์ • ช่วง (b) ไดโอด on ทำให้ vI = vO • ช่วง (c) แรงดันอินพุตต่ำกว่าแรงดันเอาต์พุต ทำให้ไดโอด off และทำตัวเสมือนเปิดวงจร ประจุที่อยู่ใน Cจะถูกดีสชาร์จออกมาเกิดเป็นกระแสวิ่งผ่านตัวต้านทานR ทำให้ vOมีค่าต่ำลงมาเรื่อย ๆ • ช่วง (d)ไดโอดเริ่ม on อีกครั้ง ทำให้ vI = vD

ระหว่างช่วงเวลา ไดโอดจะ off และ จาก ดังนั้นถ้า TAB << RC

RC =1.2T Vr = 0.5VP RC = 9T Vr = 0.1 VP จะเห็นได้ว่าในกรณีที่ RC << T, T ~ TABดังนั้น

สิ่งที่เราจำเป็นต้องให้ความสนใจอีกประการหนึ่งก็คือกระแสที่ไหลผ่านไดโอด เนื่องจากเราจะได้เลือกไดโอดได้ถูกต้องเหมาะสม จากการวิเคราะห์เพิ่มเติมเราสามารถแสดงได้ว่าค่ากระแสเฉลี่ยและค่ากระแสสูงสุดที่ไหลผ่านไดโอดได้เท่ากับ

การบ้าน • แบบฝึกหัดบทที่ 3 ข้อ 17 และ 21

ไดโอดที่ไบอัสไปข้างหน้า (forward bias region) : v D > 0