electronics fundamentals circuits, devices, and applications THOMAS L. FLOYD DAVID M. BUCHLA chapter 16

สารกึ่งตัวนำ จะมีลักษณะการจัดอิเล็กตรอนเป็น energy bands ระหว่าง band จะเป็น gap ซึ่งเป็นพลังงานที่ต้านอิเล็กตรอน Energy Conduction band energy band สุดท้ายคือ conduction band เป็นที่ที่อิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนย้ายได้ Energy gap Valence band Energy gap ถัดจากแบนด์สุดท้ายคือ valence band เป็นที่ที่มีอิเล็กตรอนอยู่ Second band Energy gap First band Nucleus

กระแสอิเล็กตรอน และกระแสโฮล ที่อุณหภูมิห้อง อิเล็กตรอนบางตัวมีพลังงานมากพอที่จะกระโดดออกไปยัง conduction band หลังจากกระโดดไปแล้ว อิเล็กตรอนพวกนี้จะเคลื่อนที่อย่างอิสระ และสร้างกระแสอิเล็กตรอนขึ้นเมื่อป้อนแหล่งจ่ายให้กับมัน Electron-hole pair Energy เมื่ออิเล็กตรอนกระโดดไป ก็จะเกิดเป็น โฮลขึ้นที่ valence band Conduction band Heat energy Energy gap Valence band

กระแสโฮล และ กระแสอิเล็กตรอน เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่ออกไป ก็จะมีอิเล็กตรอนเข้ามาอยู่แทน Free electron Si Si Si

Impurities สามารถเพิ่มโฮลหรืออิเล็กตรอนอิสระให้มากขึ้นได้ด้วยการเติมสารเข้าไปในซิลิกอน การเพิ่มจำนวนอิเล็กตรอนใน conduction band จะได้สารกึ่งตัวนำ n-type โดยจะเติมสารที่อยู่ทางด้านขวาของตาราง การเพิ่มจำนวนโฮล จะทำให้ได้สารกึ่งตัวนำ p-type โดยเติมสารที่อยู่ทางซ้ายมือ

pn junction diode pn junction หรือไดโอด เป็นอุปกรณ์ที่ยอมให้กระแสไหลผ่านได้ทิศทางเดียว

Forward bias เมื่อได้ไบอัสตรง จะเกิดกระแสไหลขึ้น โดยแรงดันที่ป้อนให้จะผลักทั้งอิเล็กตรอนในด้าน n และโฮลในด้าน p เข้าหากัน p-region n-region ศักย์ขวางกั้นใน depletion region จะถูกทำลายทำให้เกิดกระแสไหล ในซิลิกอนไดโอด ศักย์ขวางกั้นมีค่าประมาณ 0.7 V. p n R + - VBIAS forward-bias จะทำให้ depletion region แคบลง

Reverse bias ถ้า pn junction ได้รับไบอัสกลับ อิเล็กตรอนและโฮลจะวิ่งออกจากกัน กระแสจึงไม่ไหล p-region n-region p n R - + VBIAS reverse-bias จะทำให้ depletion region กว้างขึ้น

Diode characteristics ลักษณะการนำกระแสด้าน forward และ reverse แสดงใน V-I characteristic curve IF Forward bias VBR (breakdown) VR VF 0.7 V Barrier potential Reverse bias IR

Diode models สามารถประมาณค่าของไดโอดได้หลายวิธีด้วยกัน ขึ้นอยู่กับลักษณะการนำไปใช้งาน IF ideal model มองเป็นสวิตช์เปิดหรือปิดวงจร Forward bias practical model เพิ่มศักย์ขวางกั้นเข้าไปด้วย VR VF 0.7 V Reverse bias complete model เพิ่มค่าความต้านทานด้าน forward เข้าไปด้วย IR

Rectifiers เป็นวงจรที่ทำหน้าที่เปลี่ยน ac ให้เป็น dc Half-wave Rectifier Rectifiers เป็นวงจรที่ทำหน้าที่เปลี่ยน ac ให้เป็น dc D ไดโอดนำกระแส (สวิตช์ปิดวงจร) ในช่วงซีกบวก + - RL D - + ไดโอดไม่นำกระแส (เปิดวงจร) ในช่วงซีกลบ RL

ใช้หม้อแปลงแบบ center-tapped และใช้ไดโอดสองตัว Full-wave Rectifier ใช้หม้อแปลงแบบ center-tapped และใช้ไดโอดสองตัว F D1 Vsec 2 Vsec 2 RL D2

Bridge Rectifier เป็นวงจร full-wave ที่ใช้ไดโอด สี่ ตัว และไม่ใช้หม้อแปลงแบบ center-tapped ในแต่ละซีกคลื่น ไดโอดสองตัวจะนำกระแส อีกสองตัวไม่นำกระแส F D3 D1 RL D2 D4

Summary Peak inverse voltage Diodes must be able to withstand a reverse voltage when they are reverse biased. This is called the peak inverse voltage (PIV). The PIV depends on the type of rectifier circuit and the maximum secondary voltage. For example, in a full-wave circuit, if one diode is conducting (assuming 0 V drop), the other diode has the secondary voltage across it as you can see from applying KVL around the green path. Notice that Vp(sec) = 2Vp(out) for the full-wave circuit because the output is referenced to the center tap. 0 V Vsec

Summary Peak inverse voltage For the bridge rectifier, KVL can be applied to a loop that includes two of the diodes. Assume the top diode is conducting (ideally, 0 V) and the lower diode is off. The secondary voltage will appear across the non-conducting diode in the loop. Notice that Vp(sec) = Vp(out) for the bridge because the output is across the entire secondary. 0 V Vsec

Summary Power supplies By adding a filter and regulator to the basic rectifier, a basic power supply is formed. Typically, a large electrolytic capacitor is used as a filter before the regulator, with a smaller one following the regulator to complete filtering action. IC regulator F D3 D1 7805 D2 D4 C1 C2 1000 mF 1 mF

Summary Special-purpose diodes Special purpose diodes include Zener diodes – used for establishing a reference voltage Varactor diodes – used as variable capacitors Light-emitting diodes – used in displays Photodiodes – used as light sensors

Summary Example: Troubleshooting power supplies Begin troubleshooting by analyzing the symptoms and how it failed. Try to focus on the most likely causes of failure. Example: A power supply has no output, but was working until a newly manufactured PC board was connected to it. (a) Analyze possible failures. (b) Form a plan for troubleshooting. IC regulator F D3 D1 7805 D2 D4 C1 C2 1000 mF 1 mF

Summary Troubleshooting power supplies Analysis: The supply had been working, so the problem is not likely to be an incorrect part or wiring problem. The failure was linked to the fact that a new PC board was connected to it, which points to a possible overloading problem. If the load was too much for the supply, it is likely a fuse would have blown, or a part would likely have overheated, accounting for the lack of output. IC regulator F D3 D1 7805 D2 D4 C1 C2 1000 mF 1 mF

Summary Troubleshooting power supplies Based on the analysis, a sample plan is as follows. (It can be modified as circumstances warrant.) Planning: 1. Disconnect power and check the fuse. If it is bad, replace it. Before reapplying power, remove the load, open the power supply case, and look for evidence of overheating (such as discolored parts or boards). If no evidence of overheating proceed. 2. Check the new pc board (the load) for a short or overloading of the power supply that would cause the fuse to blow. Look for evidence of overheating. 3. Verify operation of the supply with measurements (see next slide).

Summary Troubleshooting power supplies Measurements: The analysis showed that a likely cause of failure was due to an overload. For the measurement step, it may be as simple as replacing the fuse and confirming that the supply works. After replacing the fuse: Reapply power to the supply but with no load. If the output is okay, put a resistive test load on the power supply and measure the output to verify it is operational. If the output is correct, the problem is probably with the new pc board. If not, you will need to further refine the analysis and plan, looking for an internal problem.

Selected Key Terms Majority carrier Minority carrier PN junction Diode The most numerous charge carrier in a doped semiconductor material (either free electrons or holes. The least numerous charge carrier in a doped semiconductor material (either free electrons or holes. The boundary between n-type and p-type semiconductive materials. An electronic device that permits current in only one direction.

Selected Key Terms Barrier potential Forward bias Reverse bias Full-wave rectifier The inherent voltage across the depletion region of a pn junction diode. The condition in which a diode conducts current. The condition in which a diode prevents current. A circuit that converts an alternating sine-wave into a pulsating dc consisting of both halves of a sine wave for each input cycle.

Selected Key Terms Bridge rectifier Zener diode Varactor Photodiode A type of full-wave rectifier consisting of diodes arranged in a four corner configuration. A type of diode that operates in reverse breakdown (called zener breakdown) to provide a voltage reference. A diode used as a voltage-variable capacitor. A diode whose reverse resistance changes with incident light.

Quiz 1. An energy level in a semiconductor crystal in which electrons are mobile is called the a. barrier potential. b. energy band. c. conduction band. d. valence band.

Quiz 2. A intrinsic silicon crystal is a poor conductor of electricity. an n-type of material. a p-type of material. an excellent conductor of electricity.

Quiz 3. A small portion of the Periodic Table is shown. The elements highlighted in yellow are a. majority carriers. b. minority carriers. c. trivalent elements. d. pentavalent elements.

Quiz 4. At room temperature, free electrons in a p-material a. are the majority carrier. b. are the minority carrier. c. are in the valence band. d. do not exist.

Quiz 5. The breakdown voltage for a silicon diode is reached when a. the forward bias is 0.7 V. b. the forward current is greater than 1 A. c. the reverse bias is 0.7 V. d. none of the above.

Quiz 6. The circuit shown is a a. half-wave rectifier. b. full-wave rectifier. c. bridge rectifier. d. zener regulator.

Quiz 7. PIV stands for a. Positive Ion Value. b. Programmable Input Varactor. c. Peak Inverse Voltage. d. Primary Input Voltage.

Quiz 8. A type of diode used a a voltage-variable capacitor is a a. varactor. b. zener. c. rectifier. d. LED.

Quiz 9. If one of the four diodes in a bridge rectifier is open, the output will a. be zero. b. have ½ as many pulses as normal. c. have ¼ as many pulses as normal. d. be unaffected.

Quiz 10. When troubleshooting a power supply that has a bridge rectifier, begin by a. replacing the bridge rectifier. b. replacing the transformer. c. making measurements. d. analyzing the symptoms and how it failed.

Quiz Answers: 1. c 2. a 3. c 4. b 5. d 6. b 7. c 8. a 9. b 10. d