فایل ورد کامل مقاله تحلیل مدارهای دیودی؛ بررسی علمی ویژگی‌های الکترونیکی و کاربردهای صنعتی در طراحی مدار

توجه : به همراه فایل word این محصول فایل پاورپوینت (PowerPoint) و اسلاید های آن به صورت هدیه ارائه خواهد شد

 فایل ورد کامل مقاله تحلیل مدارهای دیودی؛ بررسی علمی ویژگی‌های الکترونیکی و کاربردهای صنعتی در طراحی مدار دارای ۵۶ صفحه می باشد و دارای تنظیمات در microsoft word می باشد و آماده پرینت یا چاپ است

فایل ورد فایل ورد کامل مقاله تحلیل مدارهای دیودی؛ بررسی علمی ویژگی‌های الکترونیکی و کاربردهای صنعتی در طراحی مدار  کاملا فرمت بندی و تنظیم شده در استاندارد دانشگاه  و مراکز دولتی می باشد.

توجه : در صورت  مشاهده  بهم ریختگی احتمالی در متون زیر ،دلیل ان کپی کردن این مطالب از داخل فایل ورد می باشد و در فایل اصلی فایل ورد کامل مقاله تحلیل مدارهای دیودی؛ بررسی علمی ویژگی‌های الکترونیکی و کاربردهای صنعتی در طراحی مدار،به هیچ وجه بهم ریختگی وجود ندارد

بخشی از متن فایل ورد کامل مقاله تحلیل مدارهای دیودی؛ بررسی علمی ویژگی‌های الکترونیکی و کاربردهای صنعتی در طراحی مدار :

تحلیل مدارهای دیودی

معرفی دیودها: دیود به عنوان ساده ترین اختراع غیرخطی می باشد که این متن در مورد آن شرح داده است. این عنصر دارای تنوع بسیار بوده و اکثر به یک صورت مورد استفاده قرار میگیرد یا به بیانی دیگر د رتمامی شاخه های صنعت الکترونیک کاربرد دارد.
از انواع آن میتوان به دیود خلا دیود گاز، دیودهای یک سو ساز فلزی، دیودهای نیمه هادی و دیودهای تونل و ; اشاره کرد. به دیود نیمه هادی ارجعیت بیشتری می دهیم چرا که تئوری مربوط به ساخت این نوع خاص از انواع دیود مرتبط وصادق برای انواع دیگر است.

۲-مشخصات مداری دیود در این بخش اموزش داده خواهد شد.
در ضمن تکنیکهای تصویری مورد تاکیدی باشند چرا که تصویر قابل رویتی از عملکرد مدار را نمایش می دهند و اطلاعاتی را عرضه می کنند که نمی توان صرفا از رفتار چیزی معمار آنها را بدست آورد.
این تکنیکهای تصویری شامل رفتار خط بار ac,dc می باشند که فراهم آورنده ی سیگنال کوچک و سیگنال بزرگ است. اگر چه این روشها معمولا در تحلیل مدارات دیودی استفاده نمی شوند اما آنها را برای قوی ومحکم ساختن مجموعه آثار ومنابع دانشجویان در این بخش معرفی کرده ایم.
وقتی ترازیستورها پیچیده می باشند مشکلات دیگر مواجه شده بسیار راحتتر خواهند بود وقتی که آنها را با دیود شبیه سازی کنیم.

۱-۲-خاصیت غیرخطی-دیوید ایده آل
داتشجویان معمولا تحصیل خود را با در نظر گرفتن نمونه های خطی مدار آغاز می کنند که ساده ترین آنها مقاومت می باشد. رابطه ی ولت-آمپر یعنی همان مشخصه ی vi یک مقاومت با مافوق ساده هم توضیح داده شده است که ما گاهی اوقات تفسیر نموداری آن را بررسی نمی کنیم. مشخصه ی خطی ترازیستور در شکل ۱-۱-۲ مشخص است و مشخصه ی غیرخطی دیوید هم در اینجا به وضوح وجود دارد. وقتی ولتاژ منبع مثبت باشد جریان id هم مثبت خواهد بود.

ودیود اتصال کوتاه است و زمانی که vi منفی باشد وجریان دیوید id صفر خواهد بود و دیود اتصال باز خواهد بود می توان دیوید را به عنوان یک کلید تصور کرد که با جهت ولتاژ قابل کنترل خواهد بود. این کلید به ازای ولتاژهای مثبت بسته خواهد بود و به ازای ولتاژهای منفی کلید باز است.
۳-راه دیگر برای بررسی این المان توجه به جهت هدایت جریان آن است که فقط از قطب P به قطب n است(شکل ۲-۱-۲-) و این هدایت زمانی وقوع پیدا می کند که ولتاژ منبع مثبت باشد وزمانی که ولتاژ منبع منفی باشد دیوید هدایتی نخواهد داشت.

۴-محدودیت دیودهای واقعی که دارای مشخصه های ذاتی می باشند باعث تفاوت آنها از دیودهای ایده آل شده است. این موضوعات در بخشهای اینده مورد بررسی قرار خواهند گرفت و در مبحث فعلی دیودها ایده آل تصور می شوند.
مثالهای پایین در مورد بوجود آوردن بعضی اعمال بر روی سیگنال که با دیود میسر است خواهد بود.
مثال ۱-۱-۲: یکسو کننده نیم موج یا قطع کننده مدار
یکی از کاربردهای مهم دیود در بوجود آوردن ولتاژ dc از و لتاژ Ac منبع است و این فرایند را یکسو کنندگی می نامیم. یکی از عوامل مهم در یکسوکنندگی سیگنالهای با فرکانسهایی است که از چند گانه سارنی منبع بدست می اید.

یک معاد نمونه برای یکسو سازنیم موج در شکل ۳-۱-۲ آورده شده است.
(الف) ولتاژ منبع سینوسی می باشد شکل موج ولتاژ با را بدست آورید ورسم کنید. میانگین dc آن را بدست آورید.
(ب) قسمت الف را تکرار کنید اگر باشد.
جواب (الف) قانون ولتاژ کیوشهف (kvl) برای مدار۳-۱-۲ عملی خواهد بود

این معادله دارای دو بخش ناشناخته ی id,VD می باشد آنها بستگی به مشخصه ی Vi دیود دارند.
بنابراین راه حل برای iD یا VD نیاز به جانشین سازی منحنی Vi در معادله دارد.
و این به شکل زیر ممکن خواهد بود. منحنی مشخصه ی دیود بیان می کند که فقط جریان مثبت در مدار جاری خواهد شد. به این معنی که می باشد. اگر چه زمانی که دیود در حال هدایت است می باشد بنابراین جریان در مسیر مثبت جاری می شود تنها زمانی که باشد.

۵-زمانی که Vi منفی باشد جهت جریان باید بر خلاف جهت مبنا باشد ولی دیود در این جهت نمی تواند هدایت کند بنابراین iD=o خواهد بود زمانی که باشد.
عمل هدایت وعدم هدایت دیود یکسو ساز
(ب) (الف)
۶-این مبحث را میتوان خلاصه کرد و باترسیم دو مداره یکی برای ورودی های بزرگتر از صفر و دیگری برای ورودی های کوچکتر از صفر همان طور که در شکل ۴-۲۰۱ نشان داده شده است.
با استفاده ا زمداراتی که در شکل نشان داده شده است ناشناخته های بدست خواهند آمد بنابراین جریان دیود برابر خواهد بود با:

و ولتاژ ، VL برابر خواهد بود با
۷-ولتاژ بار VL و ولتاژ سیگنال Vi در شکل ۵-۲۰۱ رسم شده اند.
توجه کنید که شکل موج جریان هم فاز و هم شکل با شکل موج ولتاژ بار VL است.
این یک یکسو ساز نیم موج سینوسی است و ولتاژ میانگین آن از تقسیم کردن سطح کل سیگنال بر ۲۱۶ بدست می آید.

شکل ۵-۲۰۱
فیلترهایی با تغذیه ی مثبت
بسط سری فوریه برای VL(+) بیان می دارد که :

رابطه ی (۲-۲۰۱)
۸-این عبارت به وضوح بیان میدارد که تاثیر دیوید فقط برای بوجود آوردن سطح dc یا فرکانس برابر فرکانس و رودی نبوده اگر چه همچنین اصطلاح فرکانس هارمونیک در ولتاژ منبع وجود ندارد.
۹-اگر مدار یک سطح ولتاژ dc بوجود آورد، مقدار متوسط سیگنال باید از هارمونیکها توسط فیلتر کردن Vl(+) جدات نهی و تفکیک شود.

این عمل معمولا توسط یک فیلتر غیرفعال انجام می شود همانطور که درشکل ۶-۲۰۱ مشاهده می کنید.
مدار شکل (۶-۲۰۱ الف) یک فیلتر پایین گذر RC ساده را نشان می دهد.
برای مثال اگر C,R را طوری تنظیم کنیم که شود واگر
باشد آنگاه دامنه ی ولتاژ خروجی در فرکانس now برابر است با با شرط
زمانی که VLn دامنه ی ولتاژ با دو فرکانس nw0 می باشد
(برای مثال )
اگر ا زجریان حلقه استفاده کنیم ولتاژ خروجی برابر خواهد بود با

بنابراین ولتاژ خروجی به ولتاژ ونوسان کوچک ولتاژ Vr بستگی دارد
زمانی که نسبت ولتاژ rms به ولتاژ ریپل سطح dc در نسبت تاثیر گذاری فیلتر در جداکردن ولتاژ dc ا زهارمونیکهای آن اندازه گیری می شود.

بنابراین ولتاژ ریپل rms تقریبا ۰۱/۰ ولتاژ dc خروجی خواهد بود.
۱۰- فیلتر های پیچیده تر،مثل فیلترهای CLC,Lc که در شکل (۶-۲۰۱ ب) نشان داده شده اند ولتاژ ریپل کوچکتری را بوجود می آورند.

که با استفاده از روش ریاضی بالا میتوان آنها را هم حساب کرد.
محاسبه ی دقیق مدارات فیلترینک ویکسوسازها زمانی مقدور است که دیودها را واقعی در نظر بگیریم نه ایده‌آل که از حیطه ی بحث ما خارج است.
در این حالت یک بایاس معکوس هم به سیگنال اضافه شده است.
شکل موج برای Vl زمانی قابل محاسبه است که در نظر داشته باشیم دیود تنها در حالتی که Vi مثبت باشد اجازه ی جاری شدن جریان را می دهد.
در زمان دقیق که در آنها جریان شروع به جاری شدن می کند و یا قطع می شود با قرار دادن بدست می آید بنابراین

مدار یکسو ساز با اضافه کردن شکل ۷-۲۰۱
ولتاژ به ولتاژ با یاس.
از تناسب تابع کسینوس بنظر می اید که دیود هدایت را شروع می کند زمانی که باشد بنابراین ولتاژ برابر خواهد بود با و ولتاژ میانگین هم از همین طریق بدست می آید.

مثال ۲-۲۰۱ یکسو ساز تمام موج
ولتاژ ریبل در یکس و ساز نیم موج عمدتا بستگی به مقدار متوسط سیگنال در هارمونی اول فرکانس wo داشت.
یکسو ساز تمام موج ولتاژ با با کمترین ریپل در فرکانس ۲wo را بوجود می آورد.
بعلاوه اینکه ولتاژ میانگین dc هم دوبرابر می باشد.
این نوع مدار که نمونه ای از آن در شکل ۸-۲۰۱ نشان داده شده است کارآمدترین مدارات برای بوجود آوردن ولتاژ dc با ریبل کم می باشد که در اکثر دستگاه های خانگی مثل رادیو وتلویزیون یافت می شود و این مدار همچنین به عنوان مدار یکسو ساز پایه برای منابع تغذیه می باشد.
شکل ۸-۲۰۱

یکسو ساز تمام موج
۱۲-عملکرد مدار به صورت با کیفیت تری شرح داده خواهد شد اگر ترانس ایده آل را حذف کنیم مثل شکل ۹-۲۰۱
در این شکل منابع ac جانشین اولیه ترانزسفورمر با استفاده از ترمینال وسطی مدار دوم است. زمانی که ولتاژ Vi مثبت باشد دیود D1 اتصال کوتاه و دیود D2 اتصال باز است و زمانی که ولتاژ Vi منفی باشد دیود D1 قطع ردیود D2 اتصال کوتاه می باشد و در هر حال جریان بار il در مسیر ثابت ومثبتی است که در شکل (۹-۲۰۱ الف) نشان داده شده است و زمانی که هرکدام از دو دیود D1 یا D2 اتصال کوتاه شده باشند د رهر نیم سیکل نوسان،ولتاژ با را می توان نوشت شکل موج جریان و ولتاژ در شکل (۹-۲۰۱ ب) نشان داده شده اند.

سری فوریه برای Vl برابر

شکل (۹-۲۰۱ الف وب)
مدار و شکل موج یک سو ساز تمام موج
مقدار متوسط dc برابر می باشد که دو برابر ولتاژ dc بدست آمده از یکسو ساز نیم موج است.
گر را ا زدرون یک فیلتر Rc عبور دهیم (مثل فیلتر شکل a6-201) با ۱۰۰=woRc (مثل گذشته) ولتاژ ریپل خروجی برابر خواهد شد با

و ولتاژ ریپل rms=
و نسبت ولتاژ ریپل به ولتاژ dc برابر =
که به طور قابل ملاحظه ای کمتر از مقدار بدست آمده از فیلتر نیم موج است.
۱۳-همیشه تمامی مدارات الکترونیکی به ولتاژ dc برای کارکردن خود نیاز دارند واز آنجا که اکثر ولتاژ ac در دسترس می باشد، انواع یکسو سازهای ترکیبی در وسایل الکتریکی یافت می شوند. مثال های ۱-۲ و ۲-۲۰۱ فیلترهای ترکیبی و یکسو سازهایی را که از ولتاژ ac سطح dc را بوجود می آورند نشان می دهد.

این مدارات مبنا دارای مشکلات زیادی هستند که به همین دلیل نمی توان از آنها در برای بعضی کاربردها استفاده کرد. اولین مشکل نوسان سطح ولتاژ dc بار هنگام تغییرات جریان بار است. این اتفاق با کمیتی که ثبات نام دارداندازه گیری می شود که از رابطه ی زیر بدست می آید:

۱۴)یک تغذیه ی ایده آل ولتاژ dc بوجودمی آورد که بدون تغییراست.
به جریان بستگی ندارد. با مقدار ثبات
این بدین معنی است که بگوییم مقاومت خروجی ای که از ترمینال بار دیده می شود برابر با صفر است. ولی در مدارات عملی و درسی مقاوت دیود که در مثالها لحاظ نشده بود دارای نقش است و همچنین مقاومت مدار فیلترینگ باعث بوجود آمدن مقاومت خامی درخروجی که در محدوده ی معینی می باشد می شود.

اگر مقاومت خروجی با مقاومت بار برابر باشد ، ولتاژ تمام بار برابر با نصف ولتاژ بدون بار خواهد بود وثبات ۱۰۰% خواهد بود.
دومین عیب ونقص مدارات یکسو ساز نیم موج زمانی که به عنوان منبع تغذیه ی dc کار می کنند آن است که ولتاژ dc خروجی مستقیما متناسب با ولتاژ ac تغذیه می باشد و از آنجا که اکثر منابع ac کاملا باثبات و بدون تغییر نیستند،ولتاژ dc هم به همین نسبت متغیر خواهد بود. برای بسیاری کاربردها این نوسان قابل تحمل نبوده حتی اگر به نسبت کوچک هم باشد. سومین نقص مدارات فوق این است که حتی اگر ولتاژ ریپل کمی در خروجی باشد برای کار حقیقی بعضی مدارات پیچیده مشکل ساز خواهد بود.

۱۵-تکنیکهای بسیاری برای غلبه بر مشکلات مذکور وجود دارد.
سازندگان یکسو سازها کتب راهنما واطلاعات کامل تخصصی که مربوط به طراحی و ساخت مدارات منابع تغذیه در انواع گوناگون است را فراهم کرده اند.
این کتب معمولا حاوی تازه ترین اطلاعات در حد اعلایی پیشرفته می باشند و منابع اطلاعاتی کاملی برای مهندسان طراح به شمار می آیند. تکنیکهای زیادی برای ثابت کردن عملکرد منابع تغذیه در بخش ۲۰۷و۲۰۸ آمده است.

ضرب فرکانسی
کاربرد اصلی یکسوسازی در ضرب فرکانسی است .معامله ی (۲-۲۰۱) بیان می کند که مدار یکسوسازی فرکانسهای هارمونیک تولید می کند. بنابراین برای ضرب wo با ۲ یک راه ساده طراحی مدار یکسو ساز با فیلتری است که فقط هارمونیک دوم wo2 را عبور می دهد. این عوامل شبیه جداسازی dc یا فرکانس توسط فیلتر پایین گذر است.

معرفی تئوری دیود نیمه هادی
۱۶-یک بحث کیفی مختصر در مورد مفاهیم حاکم در جریان جاری در دیودهای نیمه هادی در این بخش موجود می باشد.
هیچ تلاشی برای بوجود آوردن معادلات یا مباحث سخت ودشوار صورت نگرفته است.
دانشجوی مشتاق باید به مقالات بسیاری که وابسته به فیزیک مدارات می باشد رجوع کند تا بتواند خود را سرشار از جزئیات بیابد.
۱۷-مواد بنیانی که امروزه در ساخت اکثر دیودها وترازیستورها بکار می روند از جنس سیلیسم است.
در گذشته ساختن بیشتر و به وضوح استفاده می شد اما این یک فرایند سریع است.
سیلیکون یک نیمه هادی است که در باند هدایت آن کریستال در دمای اتاق الکترون های آزاد کمی وجود دارند.
زمانی که جریان بستگی به تعداد الکترونهای هادی آن داشته باشد جریان بسیار کم خواهد بود.
چرا که این ماده مقاومت بالایی دارد.باند هدایت و باند ظرفیت سیلیکون خالص در شکل ۱-۲۰۲ نشان داده شده است.

۱-۲۰۲ شکل
باند انرژی در سیلیکون در دمای اتاق
(تعداد بالاتر بستگی به نقل قول منابع ومراجع در پایان متن دارد)
۱۸-در دمای صفر درجه ی لکوین. (صفر مطلق) تمام الکترونها در پایین ترین سطح انرژی خود بسر می برند. در دمای اتاق الکترونی که مناسب باشد انرژی کافی را دارا خواهد بود برای فرار از باند ظرفیت خود و رفتن به باند هدایت.

(همانطور که توسط یک نقطه در شکل ۱-۲۰۲ ن شان داده است)
جای خالی که از الکترون به جای می ماند با یک داریه یا سوراخ نمایش داده می شود.
اگر میدان الکتریکی که برای مواد محیا شود مثال شکل ۲-۲۰۲ الکترونها همانطور که انتظار می رود به سمت قطب راست باتری حرکت خواهند کرد.
یک الکترون در باند ظرفیت اگر انرژی کافی برای رفتن از سطح انرژی خود به سطح انرژی گودال را بگیرد می تواند به سمت قطب مثبت باری حرکت کنند.

وقتی که الکترون از گودالی فرار می کند گودال دیگری پشت سرخود جای می گذارد.
و این بصورت حرکت گودالها به سمت راست دیده میشود که در واقع به سمت قطب منفی باتری می باشد. بنابراین جریان شبکه برابر مجموع جریان مربوط به هدایت الکترونی در باند هدایت وجریان مربوط به حرکت گودالها خواهد بود. گودال یا بارالکتریکی مثبت را ترجیح می دهیم تا حالت الکترونها در باند ظرفیت برای جلوگیری از به هم ریختگی با هدایت الکترونی در باند هدایت. مسیر مرسوم ومتدا ول ناشی از حرکت الکترونها می باشد ومطمنا جریان گودالها هم در مسیر میدان الکترونی می باشد.

۱۹-این نکته باید مورد توجه قرار گیرد که حرکت الکترونها به سمت ترمینال مثبت باتری سریعتر از حرکت گودالها به سمت ترمینال مثبت باتری حرکت گودالها به سمت ترمینال منفی باتری می باشد. چرا که احتمال اینکه الکترون انرژی به سمت ترمینال مثبت باتری داشته باشد که آن را به سمت فضای خالی در باند هدایت (که همیشه خالی است) ببرد بیشتر از احتمال این است که الکترون انرژی داشته باشد که آن را به سمت فضای خالی در باند ظرفیت (که همیشه پراست) سوق دهد.

بنابراین جریان ناشی از حرکت الکترونها در باند ظرفیت قوی تر از جریان حفره ها در سیلیکون است.
اگرچه جریان شبکه بسیار کوچک است و بنابراین این ماده نیمه هادی محسوب است.
۲۰-برای ساختن یک دیود تعدادی از اتمهای ماده ای مثل بور را به سیلیکون اضافه می کنیم که این عمل را اصطلاحا «گوپینگ» می نامیم.

بور را یک ماده ی پذیرا می نامیم چرا که قادر به گرفتن اتم از لایه های ظرفیت اتم سیلیکون است در دمای اتاق الکترونها از لایه ی ظرفیت سیلیکون فضای پذیرای بور را پر می کنند. شکل ۳-۲۰۲ زمانی که احتمال اینکه الکترونهای لایه ی ظرفیت انرژی لازم را برای پل از روی فضای کوچک خلا داشته باشد بسیار بالا است.
نتیجه این خواهد بود که تعداد زیادی گودال بوجود خواهند آمد.
زمانی که میدان الکتریکی مور این سیلیکون ناخالص شده قرارگیرد در جریان گودالها بسیار بالا می رود. واین ماده هم اکنون یک هادی خوب حساب می شود.
این یک نیمه هادی نوع P نامیده می شود. توجه داشته باشید که نیمه هادی نوع عمده ی حرکت و هدایت مربوط به گودالها می باشد.

۲۱-هم اکنون ما تکه ی دیگری از اتم سیلیکون رابر می داریم واتمهای عنصر دیگری مثل فسفر را به آن اضافه می کنیم. فسفر را یک عنصر اهدا کننده می نامیم چرا که قادر به اهدا کردن اتم به باند هدایت سیلیکون است. بنابراین این عنصر تمام الکترونهایش را به باند هدایت سیلیکون اهدا می کند (در دمای اتاق) همانطور که در شکل ۱-۲۰۲ نشان داده شده است:
اکنون جریان جاری زمانی که میدان الکتریکی پدید می اید عمدتا تشکیل شده از جریان الکترونها این ماده با ناخالصی اش را نوع n می نامیم.

باند انرژی سیلیکون با ناخالص بور
۲۲-یک دیود از یک ناخالص نوع n و یک ناخالصی نوع p تشکیل شده است که مطابق شکل ۵-۲۰۲ به هم اتصال پیدا کرده اند. اتصال بین p,n پایه ای است برای اسم دیود که آن را دیود اتصالی می نامیم. شکل (۵-۲۰۲ الف) نماد مداری و با یاس مستقیم دیود را نشان می دهد. گودالها ناحیه ی p سمت ناحیه ی n در حرکت هستند و در ضمن الکترونها از ناحیه ی n به سمت ناحیه ی p حرکت دارند. ولتاژ کوچک شما کافی است تا جریان زیادی را بوجود آورد.

شکل ۵-۲۰۲ با یاس معکوس دیود را نشانمی دهد. الکترونها د رناحیه ی به سمت ناحیه ی n در حرکت هستند و گودالها از ناحیه ی n به سمت ناحیه ی p.
بنابراین جریان جاری بسیار کم است واین بخاطر مقدار کم بارهای در حال حرکت می باشد.
(ب) بایاس معکوس (الف) با یاس مستقیم