การประยุกต์ใช้งานไดโอด 1. 2. 3. 4.
Diode Logic Gate Rectifier Circuit Clipper / Clamper Voltage Multiplier
205231 วงจรและระบบอิเล็กทรอนิกส์ 1
1
วงจรตัดสัญญาณ (Clipper Circuits)
วงจร clipper ใช้ไดโอดตัดสัญญาณบางส่วนออกโดย สัญญาณส่วนที่เหลือมีลักษณะเหมือนเดิม
Clipper Circuit
Clipper Circuit
วงจร clipper มีอย่่ 2 ประเภท Series Parallel 205231 วงจรและระบบอิเล็กทรอนิกส์ 1
2
Clipper Circuits
Series clipper จะต่อไดโอดอนุ กรมกับขั้ววัด vo
Parallel clipper จะต่อไดโอดขนานกับขั้ววัด vo
205231 วงจรและระบบอิเล็กทรอนิกส์ 1
3
Clipper Circuits: Series
Series clipper มี 2 ชนิ ด Simple: ไม่ต่อไฟตรงอนุ กรมกับไดโอด Biased: ต่อไฟตรงอนุ กรมกับไดโอด
Simple Series Clipper
Biased Series Clipper
205231 วงจรและระบบอิเล็กทรอนิกส์ 1
4
Clipper Circuits: Simple Series
พิจารณาเมื่อใช้แบบจำาลองไดโอดชนิ ด Ideal วงจร simple series clipper สามารถตัดแรงดันที่มา กกว่าหรือน้อยกว่าศ่นย์ โดยลักษณะการต่อของไดโอดจะเป็ นตัวบ่งบอกว่า กระแสจะไหลผ่านโหลดในทิศทางไหนและจะตัดแรง ดันด้านที่มากกว่าหรือน้อยกว่าศ่นย์ ตัดแรงดันที่นอ ้ ยกว่าศ่นย์ vi > 0 → Diode ON → vo = vi vi < 0 → Diode OFF → vo = 0
205231 วงจรและระบบอิเล็กทรอนิกส์ 1
5
Clipper Circuits: Simple Series : Transfer Function
สมการ และกราฟ แสดงความสัมพันธ์ของ vi และ
vo: vo = f (vi)
vi ล้; ว vจะได้ ่แ i > 0 ความสัมพันธ์ระหว่าง v จากวงจรร่ ป ที vo = i
และ vo ว่า
0 ; vi < 0
vo
vo = 0
เขียนกราฟ transfer function ได้
205231 วงจรและระบบอิเล็กทรอนิกส์ 1
vo = vi
Slope = 1
vi 6
Clipper Circuits: Biased Series
พิจารณาเมื่อใช้แบบจำาลองไดโอดชนิ ด Ideal ใน Biased series clipper จะมีแหล่งจ่ายไฟตรงคงที่ ซึ่งจะเปลี่ยนค่าระดับแรงดันตัดสัญญาณ การหา v ของ Biased series clipper ให้หา v ก่อน o i1 v (t) แล้วพิจารณาว่าวงจร clipper ตัดแรงดันที่มากกว่ า v = v v (t) i1 i −V V หรือน้อยกว่าศ่นย์ของ vi1 i1
i
+ vi(t)
+ vi1(t)
-
-
+
RL
vo(t) -
vi > V → D ON → vo ไดโอดตัดแรงดัน vi1 = v − V v < Vi → D OFF → v i
=0
-V vo(t)
oที่น้อยกว่าศ่นย์
205231 วงจรและระบบอิเล็กทรอนิกส์ 1
7
Clipper Circuits: Biased Series : Transfer Function
ความสัมพันธ์ระหว่าง
vi -V ; vi > V vo = v ว่า vi และ 0 o ; vi < V
vo vo = 0 V
vo = vi -
Slope = 1
V
vi
205231 วงจรและระบบอิเล็กทรอนิกส์ 1
8
Ex: การวิเคราะห์ Clipper with Silicon Diodes 3V
+10
+ Vi -
-10
3V
Si
คิด Si vD Diodes > 0.7V, Diode จึvงiทำา−งาน 3V > ∴ 0.7viV > 3.7 V ; DiodevoON = vi − 3.7 V ถ้า vi < 3.7 V ; Diode OFF vo = 0 V +
Vo -
0.7 V + Vo
Vi
-
แทน Si Diode ด้วย แหล่งจ่าย 0.7 V
205231 วงจรและระบบอิเล็กทรอนิกส์ 1
9
Ex: การวิเคราะห์ Clipper with Silicon Diodes vo
Transfer Function
vi − 3.7 ; vi > 3.7 vo = ; vi < 3.7 0
3.7 V
Graph
vo Vi
3.7V
+10
vi
Vo Vp = 10 - 3.7 = 6.3 V
-10
205231 วงจรและระบบอิเล็กทรอนิกส์ 1
10
Clipper Circuits: Parallel
Parallel clipper มี 2 ชนิ ดเหมือนกัน Simple: ไม่ต่อไฟตรงอนุ กรมกับไดโอด Biased: ต่อไฟตรงอนุ กรมกับไดโอด
Simple Parallel Clipper
Biased Parallel Clipper
205231 วงจรและระบบอิเล็กทรอนิกส์ 1
11
Clipper Circuits: Simple Parallel พิจารณาเมื่อใช้แบบจำาลองไดโอดชนิ ด Ideal สำาหรับวงจร simple parallel clipper v > 0 → Diode on → v = 0 i o
vi ≤ 0 → Diode off → vo = vi
205231 วงจรและระบบอิเล็กทรอนิกส์ 1
Clip บน
12
Clipper Circuits: Simple Parallel : Transfer Function
ความสัมพันธ์ระหว่าง
vo
0 ; vi > 0 vo = v คือ vi และ vi ; o vi ≤ 0
vo = 0 vo = vi
vi
Slope = 1 205231 วงจรและระบบอิเล็กทรอนิกส์ 1
13
Ex: จงเขียนกราฟ vo และกราฟ Transfer function คิด Ideal
vDDiodes > 0V, Diode
จึ−งทำvางาน i + 4V ∴ > vi 0V< +4V ; DiodevoON = + 4V ถ้า vi > +4V ; Diode vo OFF =
vi
205231 วงจรและระบบอิเล็กทรอนิกส์ 1
14
Ex: จงเขียนกราฟ vo และกราฟ Transfer function
Transfer
4 V ; vo = Function ; vi
vi < 4 V
vi > 4 V
Slope = 1
vo vo = vivo = 4V
4V
4V
205231 วงจรและระบบอิเล็กทรอนิกส์ 1
vi 15
Ex: คำานวณด้วย Silicon Diode Si
คิด VT = 0.7 V vD > 0.7V, Diode างาน − v +จึงทำ4V i
∴ > v0.7V i < +3.3V ; Diode ON vo = + 3.3 V ถ้า vi > +3.3V ; Diode OFF vo =
vi
205231 วงจรและระบบอิเล็กทรอนิกส์ 1
16
Ex: คำานวณด้วย Silicon Diode : Transfer Function
Transfer
vo
3.3 V ; vi < 3.3 V vo = Function ; vi > 3.3 V vi
=
vi vo
Slope = 1
vo
= 3. 3V
3.3V 3.3V
vi
Silicon Diode ทำาให้เงื่อนไขการ ON/OFF เปลี่ยน คำาตอบต้องระบุ ขนาดแรงดันต่างๆให้ ชัดเจน 205231 วงจรและระบบอิเล็กทรอนิกส์ 1
17
Clipper บน-ล่าง 1Κ Ω +
D1 Si
D2 Si
Vi
แยกคิด D1 และ D2 vD1 > 0.7V, D1 จึvงทำ−างาน 5V > i
0.7V ∴ vi > +5.7V ; D1 ON
+
Vo 5V
2V -
vD2 > 0.7V, D2 จึง ทำ−vางาน i − 2V > 0.7V ∴ vi < −2.7V ; D2 ON
สังเกตเงื่อนไข ไดโอด D1, D2 ไม่พร้อเมกั น กส์ 1 205231ON วงจรและระบบอิ ล็กทรอนิ
18
Clipper บน-ล่าง วงจรขณะ D1 1 Κ Ω ON
วงจรขณะ D2 1 Κ Ω ON +
+
+
+
0.7 V
0.7 V
Vi
Vo 5V
-
Vi
2V
vi > +5.7V ; D1 vo =on+
Vo 5V
-
-
2V
vi < −2.7V ; D2 vo =on
-
5.7 V −2.7 V ถ้า 2.7 < vi < 5.7V : All Diodes ∴ vo → = ไม่มีกระแสไหล OFF
vi
205231 วงจรและระบบอิเล็กทรอนิกส์ 1
19
Clipper บน-ล่าง : Transfer Function +5.7 V ; vo = −2.7 V ; v ; i Vi
vi < −2.7 V − 2.7 < vi < +5.7
vo
+10
-10
Vo
vi > +5.7 V
+5.7
−2.7
vo =
−2.7
Slope vo = +5.7 = 1 +5.7
vi
-2.7 205231 วงจรและระบบอิเล็กทรอนิกส์ 1
20
สรุป Clipper Circuits
205231 วงจรและระบบอิเล็กทรอนิกส์ 1
21
สรุป Clipper Circuits
205231 วงจรและระบบอิเล็กทรอนิกส์ 1
22
Clamper Circuits Vi
0V
Vi
5V
วงจรเปลี่ยนระดับแรงดันอ้างอิงสัญญาณ Vo
t
Clamper Circuits
t
Vp-p
Vo
Vp-p
t
t
ลักษณะสำาคัญของ Clamper คือจะเปลี่ยนแรง ดันอ้างอิง ส่งขึ้น หรือ ตำ่าลง แต่ค่า Vp-p Input จะเท่ากับ Vp-p Output เสมอ 205231 วงจรและระบบอิเล็กทรอนิกส์ 1
23
Clamper Circuits
ส่วนประกอบวงจร Clamper Silicon / Ideal Diodes Resistor Ideal Capacitor Ideal Capacitor คือ C ขนาด ใหญ่มากๆ อัด ประจุไม่จำากัด เมื่ออัดประจุ เต็มแล้ว จะรักษา Ideal C จะ C ทัว่ ไปจะ ประจุไว้t ให้แรงดันคงที่ Vc
o
+ 5V
Vc -
รักษา แรงดัน คงที่ to
205231 วงจรและระบบอิเล็กทรอนิกส์ 1
คาย ประจุ และมีแรงดัน ตกลง t 24
Clamper Circuits Ideal
- C ทำาหน้าที่เก็บแรงดันคงที่ - Diode เป็ นสวิทช์ให้กระแสไหล อัดประจุ
1. หาเงื่อนไขไดโอด ON นำา กระแสอั ดประจุ - Assume Vc =C0 - Diode On เมื่อ vi > 0V (Initial) 2. เขียนวงจรหา Vc ว่า ถ่ก Charge ที่แรงดัน ส่งสุดกี ได้่โวลท์ Vc = V 205231 วงจรและระบบอิเล็กทรอนิกส์ 1
25
Clamper Circuits
3. เมื่อ C ถ่กอัดเต็มที่แล้ว ไดโอดจะ OFF เนื่ องจาก Vc ออกแรงต้านกระแสในวงจร ( vD ≤ 0V ) คิด Ideal C ∴ Vc = ค่าคงที่ ไดโอดจะไม่ ON v : v = v KVL หาสมการ Vc o o i อีก = vi V
= 2V
0 Vp-p = 2V -Vref r e 205231 วงจรและระบบอิเล็กทรอนิกส์ 1
26
Ex: จงเขียนกราฟ vo ของวงจร Clamper คิด Silicon
อัดประจุส่งสุด
Diode vD > 0.7V, Diode งาน − v +ทำา5V i
∴ vi> <0.7V +4.3V ; VcmaxDiode = ? ONถ่ก Charge ที่ส่งสุดกี่โวลท์ ที่ vi = −20 V ; Vc = Vcmax Vcmax = 20 + 5 −0.7 = 24.3 V
205231 วงจรและระบบอิเล็กทรอนิกส์ 1
27
Ex: จงเขียนกราฟ vo ของวงจร Clamper คิด Ideal C ∴ V = ค่าคงที่ c
ไดโอดจะไม่ = 24.3 V ON อีก KVL หาสมการ vo :
vo = vi + 24.3 V = 30V
Vp-p = 30V C เริม ่ อัดประจุท่ี
205231 วงจรและระบบอิเล็กทรอนิกส์ 1
28
สรุป Clamper Circuits
205231 วงจรและระบบอิเล็กทรอนิกส์ 1
29
Voltage Multiplier(วงจร ทวีแรงดัน)
Voltage multiplier สามารถเพิ่มค่าแรงดัน กระแสตรง(DC) เป็ นสองเท่า สามเท่า ถึง หลายๆเท่า วงจรอาศัยหลักการของIdeal Capacitance และ Ideal Diode
Voltage Multiplier
แรงดัน DC 2 เท่า - 4 เท่า 205231 วงจรและระบบอิเล็กทรอนิกส์ 1
30
วงจร Voltage Doubler( × 2 ) +
vi -
vi > 0 → D1 On,+ D2 Off Vc1 -
ที่แรงดัน ส่งสุด
vi
Ideal Diode, Ideal C Diode On = Short C เมื่อเต็มมี ค่าแรงดัน < 0 → D2 คงที-่
On, D1 Off
Vo
Vc1 = Vm
Vc2 อัดประจุ คง + ส่งสุด = 2Vm ท 205231 วงจรและระบบอิเล็กทรอนิกส์ 1
= Vc2 = 2 Vm 31
วงจร Voltage Doubler( × 2 ) : สรุป
กราฟของ vo
ไฟตรงสองเท่าเป็ นจริงเฉพาะกรณี Ideal Diode และ Ideal C กราฟไม่ ค่า C จริงจะมีแรง C คายประจุ อุ ดตกลง มคติ ดัน ขณะ C คายประจุ และ เมื่อ เริม ่ รอบใหม่จะอัด ประจุเพิ่ม 205231 วงจรและระบบอิเล็กทรอนิกส์ 1
32
วงจร Voltage Tripler ( × 3 )
โดยหลักการเดียวกัน ไดโอดสามารถสร้างวงจร + ไฟตรง แรงดั + นสามเท่า Vm
+ Vm D1 On
-
1
2 + 2Vm
D3 On 3
1 2 D2 On
2Vm -
3 -
205231 วงจรและระบบอิเล็กทรอนิกส์ 1
หลังจากอัด ประจุ เต็มแรงดัน C คงที่
33
Voltage Multiplier ( × 3 ) และ (× 4)
Voltage Tripler ( × 3 ) คร่อม C2 วัดได้ แรงดัน Voltageสอง Quadrupler เท่า Vm + 205231 วงจรและระบบอิเล็กทรอนิกส์ 1
คร่อม C1 + C3 วัด ได้แรงดัน สามเท่า
C4 มีแรงดัน สองเท่า คร่อม C2 + C4 วัด 34
เทคนิ คการสร้างไฟบวก – ลบ
แรงดันบวก ลบ ขึ้นกับการอ้างอิงกราวด์ และแรงดันต่างๆ + 3Vm
− 2Vm
− 4Vm
205231 วงจรและระบบอิเล็กทรอนิกส์ 1
35