205231 02 Diode Application V01

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