i.2 Johteet, puolijohteet ja eristeet

Transkriptio

1 2 LJKU 1 Puolijohteet Kaikki diodit, tra.sistorit ja integoidut piirit on tehty puorijohdcniateriaaleista. Jotta niilden komponenttien toiniintaa eri kytke*oissa voisi ynmiirtiiii" tulisi tuntea tfeman atomin rakennetlaja puolijohdefysiikkaa. l.l Atorni Kaikki aine muodosfuu atomeista. Atomi on arkuai'een pienin osanery rnikii voi ottaa osaa kemialliseen reaklioon. lieryn arkuaineen atomir ovat gpilisia juuri,iit" attcnin"elle, joten hiiliatomit eroavat hap piatorneista jne... Atomi voidaanede'een jakaapienemnriksi osiksi. Tiirkeimmatatominalkeishiukkasetovat elekhonit, protonit ja neutronit. goi'i'utomimalli kuvaa atomi'koostuvan ytimesta jota eleknonit kiertiiviit ( sanroin kuin monet planeetat aurinkoa, mutta pienemmiissii koossa ) Ydin ko::lllt:.1t1:*"t "arauksen onraavista proto'eista ja varauksettornista neutroneista; erektronien varaus on'egatiivinen. Elektronien varaus ( l.602 x l0 _19 c)on pienin tunneffu negatiivinen sdhkovaraus ( proto.in taas pienin ttuinettu positii'inen varaus ;.Kuitenki,, ulospiiin atonii varaus on nona" koska atomi sisziltiiii yhtii paljon elek- Loneja ja protoneja ja niin varaukset kumoavat toistensa vaikutuksen. protottit i.2 Johteet, puolijohteet ja eristeet Kaikki aineet voidaan siihkonjohtokyvyn perusteella luokitellajohteeksi, puolijohteeksi tai eristeeksi. Eristeess2i elekhonit ovatiukasti "kiinni" ltimen ymparilla ja niiden liikkelle saaninen on lydltistii- Johteessa taas elekhonit ovat niin liiyhtiss:i, ettii uloirnman kuoren elektronit liikkuvat vapaasti a- tomisa toiseen. Puolijohteiden ominaisuudet ovat t?illii v2ililltl Esim. Piiatomissa elektronin irroittamiseentarvitaanvain l,l ev:nenergia(nflitrjopaldtnpci-javaloenergiavoivataiheuttaaelektronien irtauhmisen). Jos asiaa ajatellaan resistanssin kannalta" niin 1 cm3 kokoisen johteen resistanssi voi olla alle l0-5 C:. Samankokoisen eristeen resistanssi voi olla muutamia miljoonia ohmeja- Puhtaan germaniumin resistanssi on n. 60 C)/cm3 japuhtaanpiinn C)/cm3, eli molemmat arvotovat selviisti hyvienjohteiden ja eristeiden arvojen v2iliss2l ( Huorn! resistanssit riippuvat huornattavastitarkasteluliimpotilasta ). Jos asiaa ajateliaan elektronien energiatilojen karuralt4 niin aineet eroavat toisistaan alla olevan kuvan mukaisesti. valenssir4lii Energia Energia r Energia - Eriste Puolijohde Johde neutronit Kul'a l-2. Elektronien energiatasot erilaisissaineissa Kuva l-. Atoltrin raketure Bohrin atornimallin rnukaan' Elektronit kierliiviit l.dintii eri keli[ii eli kuorilta. Kullakin kr,rore lla voi olla errintiiiin tietty nrii-iirti elektroncja, mutta s?ihkotekniikan ka'.aru tiirkeitii ovat'ai. uloinu'a'krrorer clektronit, koska ne ovat sitoutr-urc:et ltiyhinulrilt ytittteett' Atomin uloirrunan eli valemsikuoren elek:tronit sijaitsevat valenssilyollil Jotta elektrorri voitaisiin inoittaa ytimen vaikutuspiiristii, niin elektronin energiatason olisi noustava jolrtatruusvyolle. ( Tiinrii energia ei synny itsestdin, vazul se on jollain lailla tuotava ). Eristeessii uloinunur kuoren elektroneille on tuotava paljon energia4 jofta irtautuninen voisi tapahtln. Puolijolrteissa jolrtawlrsr,l,ri ja valenssivyo ovat liihernpiinii toisiaan kuin eristeessii, joten pienempi ulkopuolinen energia riittiiii iroitlanaan elektronin 1'timen vaikutuspiiristii. Jolrteessa taas niirnd energiatasot sijaitsevat osittain p5iillekkiiin eli osa uloimmar kuoren eleklroneista on jo "irti" ja ndin ollen helposti liikutellevissa. l

2 .3 S iihkonkulku puolij ol-rteissa Ktm piipalaa tarkastellaan mikroskoopilla, niin lnvaitaan ettii atomit rnuodostavat sziiinndllisen rakenteel. 'fiillaista rakemetta kutsutaan kiderakenteeksi. Piiatomit, joillajokaisella on neljii uloimmankuore1 elcktroni4 jakavat yhden elektronin naapuriatomin karssa. Niimii yhteiset elektronit, jotka sijaitsevat fyy'-'sisesti pziaosan ajast atomien viilisellii alueell4 sitovat atomit yhteen. Tiillaista sidosta nimitetii2in kovalenttiseksi sidokseksi tai elektroniparisidokseksi.,,, /a yainl,6 \ -o-- \ /"'- -o- 1si) o \/ \ // a -\a / n&p \- \ -/ a \ -o\ a o' / t \ 3, iaetut elektrorril ) a 6i a \'/ \ -Oo Kuva l-3. Kovalenttinen sidos piiatontissa. Kur,:rssa otl asiaul tarkasteltu vain 1'hden piiatomin kamralta. Niinkuilr kut'asta nzilqy, niin yhden piiatornin kaikki uloinutrzur kuoren eleklronit ovat ntuodostantassa kovalenttista sidosta, niiin ollen kuvzut lruut uloiquuiur kuoren elektrolit ovat sitoutrureetietetiliin nty'os muodostamaan sidostaotnan naapuiatonriusa kattssa, ututta kutr nriljoonia atonreja ei oikein jaksa piirtiiii. F.rurcril;pin clektroneja snadaan piissii nriteril<iiiin liik]<.eelle, tzi),tly ttfund kol'alenttiset sidokset'hru1aa" r-rlkoisella energialla. Eclellii jo nrainittiin, ettii tiinrii onnistuu tuornalla puolijohdepalaan esim. lzimpoenergiaa. vapae t elekroni a\ -O.- \ \,/ \\ i aukko X 1Gi).t..- \ --o\ O /\ ll o l- energlaa + TiimiinenergiantuonninjZilkeen kovalenttinen sidos on murfunut jajziljelle onjiiiinyt vapaa elektroni, mikii ei ole kiiruri atomien viilisessii sidoksessa ( eli se on vapaa liikkumaan piipalassa), ja aukko eli tyhjapaikka sidoksessa. Atorni, josta elektroni on niiin poistunut, ottpositiivisesti varautunut, koska itoton"lu otryksi enenur?in kuin elektroneja. Myds aukko piizisee "liikkrunaan", koska siihen voi siirfya viereisen atomin valenssikuoren elektroni, joka taas jiitt2iii aukonjzilkeensii. /, elzktroni aukko rlcktroni loincn riirtgg aukko -o._ t ^--\ -o- { -- -z l->- --.\ -'o1 lo'. -.-o...- \ -'o1 le'.,/ -: \,/. /.. loil oi) of1cl) ci) o'f \ -.t' ol -- ).. / -:- - '/ \ -"'.1 )t- -,o- / Kuva l-5. Au[ko nlgttei liikkru"n pitlin piipalaa. puhtaassa puolijohteessa on yhtii paljon aukkojajavapaita elektroneja, koska aina kutt elektroni vapauruu kovalenttisesta sidoksesta, se jattiajzilkeensd aukou. Huoueen liimpotilassa (297 K ) vain ddrinurdisen harva sidos mtutuu ( Atomeja on noin sata milj ardia keftaa enetr-unzin kuitt vapaita elektroneja ). Ulkoisen energian aqrlia vapautettu eiektroni sattaa kohdala materiaalissa vaeliellessaarl aukotr ja liiyltiiii sen. Ndin sekd aukko ettd vapaa eleklroni hiviiiviit piipalassa. T:ita ilmiota kutsutaan rekotnbinaatioksi. puoiijohteessa voi siis kulkea vapaiden elektronien liikkeistii aiheutuviut virtaa, jotrka aiireuttaa enct'giaa saaneet (ohtaruusrryolle) siirtyneet eleklronit. Niiita voipositiivinen varaus vetiiii puoleensa. jolloin vapaat elekn-onit alkavat liikl'-ua kiilrtyviillii vauhdilia sarnaall sutxllaarl. lbisaalta puolijohteessa voi kulkea aukkojen liitdieistii ailreutuva virta, jonka aiheuttaa valenssivyollii o- leva aukko. positiivinel varaus vetiiii puoleensa rn1'os valenssivyot-r elektroneja. jotka norn-reralisti eiviit p,iase liikktunaan, koska valenssivyollii ei ole tyhjia paikkoja. Mutta kur-r yksi aukko on saallut synnyiettyii, niin se1r,oi tiiy'ttiiii toinen valenssivyoliii oieva elektroni, joka taas jiitttiii jiilkeensli aukotr jne.' t vapaa elektrcni kohti + napea -O.-o aukko kohti - napaa \ Kuva l-4. F.nergian ar.ulla vapautettu elektronijiittiiii jiilkeellsa aukon (b'hjdn paikan) Kuu" l-/,. Puolilohteiss" fiavaitaan rel; elektronien eitii aulkojen liikkurnista

3 1.4 N- ja P-tyypin puolijohteet 5 Pulrtaat puolijolrteet eiviit johda kovin ltyvin virtaaja niillii on hyvin viihiin kaynda siihkotekniikassa" koska varaukser*ulj ettaj ia (aukkoj a j a vapaita elektronej a) on nonnaalil2impdtiloissa hyvin viihiin tarjolla. Puolijolrteen siilrkonjohtar,uutta voidaan parantaa huomattavasti, jos jollain konstilla omistutaan valauksenliulj etlaj ien nrzizirii5 isijiirnziiin. 6 Jos taas halutaan lisiitii aukkojen lukumiiiir?iii puolijohdepalassa, niin kiderakenteeseen pit2iii lisiitii kolmannenpiiiiryluniin ainett4 joiden uloinuralla kuorella on kolme elektronia. T?illciin sidoksiin tarvittaisiin taas neljlelektronia kuten aiemminkiu, mutt.akun vain kolme on tarjolla, niin yksijiiiipuuttumaanja kiderakenteeseen tulee aukko jokaista epiipuhtatsatomia kohti. Tavallisissa liimpotiloiss aukko voitiyttyii viereisen sidoksen elektronil14 jolloin materiaaliin tulee liikkuva aukko. Kiiytiinnossti puolijohteen jolrtavuutta parametaan rajusti isii,iimiillzi kiderakenteeseen epzipuhtausatomeja. Tiitii prosessia kutsutaan seostamisesksi. Diodeissa" trarxistoreissa ja mikopiireissti kiiltetiiiinjuuri rriiitii seostettuja plrolijohteita. Epapulrtausatomeja lisadmiilla heikennetiiiin puhtaan puolijolrteen lqiia kovalenttisia sidoksiaja niiin saadaan aikaan lisiiri varauksenkuljettajia puolijohdepalarur. kolmannen p'd'd- / ryhmhn aine ( o \i -o--* \*,/O-.t.-- \ -.Qr \ yksi paikka sidoksessa jiiii tiiyttiim?ittii ja syntyry helposti liikkuva aukko,r/ - o'\ \ Jos halutaan lisiiui i,apaiden elektronien madrdd. niin trilloin kiderakenteeseen lisiil*in viidennen pziiiryhntiin ainett4 joilla tulretr-sti on uioinunalla kuorella i,iisi eleklronia. Krur epiipuhbusatomeja lisiitiiiin viihiin ( noin 1,ksi atomi nriljoonaa puolijohdeatomia kohti ), niin ne eiviit vaikuta itse kiderakenteeseen ja sijoittuvat kiteeseen kuten plrolijohdeatornit. Kur viidennen pddrl,hmd.n aine sijoittuu puolijohdeatornin paikalle kiteeseen. niir sen viidestii uloiuunan kuoren elektronista vain neljiitan,itaan muodostamaau kovalenttisia sidoksia. Jiiljelle jziiinyt ylirniiiiriiilren elektroril on heikosti sidoksissa ytirneensiija jo huoneen :lnpoti lassa ternrinen viiliilrtel y inoittaa sen vapaaksi. o \ a /\ \r l. ( o a /\ t/ o o o viidenrren pb'd-, rylrnrbn aine o \',, \' --o.._- \ / \/,a iei) / ---o- \.a-,- -a\ ^ E v yhdelle ei liiydy paikkaa kova enttisis sa si doksissa " 1u *. j'tiii vapaaksi eleklro- - o --niksi. \ 1) si -o- Kuva l-8. Kolnrannen paarylinran aineesta tulec prroli.lolrteeseen ylinrliiiriiinen aukko. Niiin seostettua puolijohdepalaa kutsutazur P{yypin puolijohleeksi, koska materiaaliin on saatu ylin2iii riiinen "positiivilen'varauksenkuljetlaja (aukko). P-t11pin puoliiohteessa on rnycis muutanria vapaita e- lektroneja, koska m1,6s t:issa s)'ntry tennisen vdrdlitelyn takia ntuulurria elektroni-aukko-par-eja. lsro \./ n Kuua l-7. Uiidennen piirghmin aineesta tulee puoliiuhreet""n glim;ariinen clektroni Niiin seosteltua puolijolrcletta kutsutaan N-tlypin puolijohteeksi. koska materiaaliin on saatu ylimiiiiriiiucu uegatiivinen valauksenkulje ttaja ( luottr! Puolijohclcpala e i tule kuitenka;ur negatiivisesti varautrrnecksi. koska viideruren piid4'hnuli aineen protonit krunoavat elektronin varar:ksen.) N-$1pin ptrolijolrteessa on nr1'ris nrr-rut.lnizr aukkoja (vaikka vapaita ele ktloneja on huourattavasti enettuniin), sillii lavallisissa liirrrpotiloissa nlrodostr.ur liinrpoenergial vaiklrtuksesla nruutanria elektroni-atkko-pareja ( sanioin krrirr pulrtla-ssa puolijohteessa ). o 1.5 PN-Liitos Jos piipal:ur toinen puoli seostetaan viidennen priarl,luliin aureella ja toitreu kolnratrrren pdfu1'llrdn aineella" syrtyy seostusten viiliin PN-Liitos, minkd toirninta ou aivau keskeiren diodierr ja transistorieu toimiruassa. Kurtoisella puolenpalaa on"ylimddrd" elektronejaja toisella aukkojq niin vijiittdmiisti alkavat elektronitylittiinriiiinrajapintaaja tiiyttiirn2iiin toisett puoieu auklioja. -l-ituniielektronien liike pysiihtyy kuitenkin nopeastija vain rajapim.rzur lziheiset elektronit yiitt?iviit rajapinnan. Nliksei kaikki N- puolella olevat vapaat elektronit vaella '-puolelle ja etsiydy siella oleviin vapaisiilr auktrroihin? Vastaus on yksinkertainen. Kaikki elektronit eiviit p6rise vaeltana:ur rajapirurart olil, koska kun cnsiurn-rziiset elekronit ovat l,litttineet rajapirman ja etsiytl'nect liihelki oleviin au-kkoihin, niin P-puole lla oln at atomit varautuvat negatiivisesti, koska niiden aulion tai)'ttzia negatiivisesti va-rauturut elekhonil Niirnii negatiivisesti varautureet atonrit estziviit muiden elektronien pliii-s1rr P-puole llc, sillii negatiivurell valaus (P-puolen atonri) hy'lkii negatiivista varausta (rajapintaa l;ihesti'rti elektroni).

4 " 04. r3. cse e o, e 2. o ) c o N-puoli piipalasta Kura -9. Eiektronie n liikkeet PN-liitoksessa. nooo ee oooc eeee e' P-puoli piipalasta l. N-puolen vapaat elektronit, joita on aikaansaatu viidennen piinryluniin aineilla" pyrkiviit P-puolelleja etsi)ryvat siellii oleviin vapaisiin aukkoihin. 2. N,ii$a kahdesta atomista ovat sidoksiin kuulumattomat elektronit jo menneet P-puolelle ja ne ovat lo''tiineet rajapinnan liiheisyydestd vapaan aukon itselleen. T,imiin seuauksena N-puolen atomit, joista elekronit ldlrtivat, jiilvlit positiivisestivarautuneeksijap-puolen atomit, joiden aukot elelcronit tiiyttiviit, ( elijoililn ftni y'imiiliriiinen negatiivinen varaus)tulivat negatiiyisestivarafuiksi. 3. Tailai elektrorrilla ei ole enaa piilisy:i P-puolelle, koska rajapinnassa P-puolella se kohtaa negatiivisesti varautuneet atonilt, nitkzi hylkiviit rnuita negatiivisia varauksia (elektronej4 jotka yrittiivat P-puolelle). NZirn?i varautuneet atonilt pitiuvat huolen siit4 enei enenrpad elektroneja tule P-puolelle tiiy'ttlimiiiin nruita vield vapaana olevia aukkoja. 4.N-puolella on havaittavissa joitakin harvoja vapaita aukkoja, koska liimpdenergia on tavallisissa liimpotiloissa syruryttlinyt joitakin elektroni-aukko-pareja. Sarnoin myos P-puolellaon havaittavissajoitakin han'oja vapaita elektroneja Naita harvoja yksiloita kutsutaan vdhemmistovarauksenkuljettajiksi. Luku 2 Diodit 2. i Diodin epdlineaarisuus Joitakin elektroniikan kornponentteja kutsutaan lineaarisiksi, mikii tarkoittaa sitti, ettii niiden yli oleva jiirnite on suoraan verrannollinen niiden kautta larlkevaan virtaan ( eli ominaiskayrzi on suoraviivaineu ). Yksinkertaisin esirnerkki t?istii on tavallinen vastus, jossa jinrnitteen ja viran vzilisen riippur.uuden kcrtoo olunin lalii lu:r jos tiirnii riippur.uus esitetf,iirr graafisesti, niin tulokena on suora viiva alla olevar kuvar nrukaisesti. lt {yvin nopeasti elektronien liikkunrinen rajapinnan yli lakkaa ja loppujen lopuksi tuloksena on tilanne, ettii rajapintaan nruodostuu ns tyhjennysalue, krrn rajapinnan l:ihella olleet elektronit ovat siirtyneet P- puolelle. Huonr! tyhjennysalu ei tarkoita sitli, ettii rajapiruran l2ihialueet olisivat tyhjia, vaan siihen jaa jaljelle joko positiivisesti [N-puoli) tai negatiivisestivarautuneitatomeja. Sen sijaan tyhjennysalue on kylla tylla vapaista varauksenkuljettajiste koska siinli vapaat elektronit rekombinoituvat vapaiden aukkoien kalssa ia ntolemmat "haviavat". Kuva 2- L Vastuksella jdnnitleen ja vinan viilinen riippuvuus on lineaarinen. Diodin on-rinaiskiilrdon voimak-kazrstiepiilineaarinenja se voidaar jakaa kolmeen erilaiseen alueesccul p;izistoalueeseen. estoalueeseen ja liipi l1'ontialueeseen. o c c ^ooo - - o "ede oc.o -ee Pddst6alue tyhjennysalue Kuva l-10, Elektronienliikkeetprslhgliitl'lldoln'aantilanteeseenjarajapintaanmuodostuutl'hjennl'salue Kuva 2-2. Diodin epiilineaarinen onrinaisktiyrti Diodipiirien anal11'sissa tiirnfur ominaiskzilrzin osaan-rinen ja yunitirlzirnincn on aivau keskeisellii si jalla. Puolijohdelysiikka koettaa selittziii sen, miten oheinen ominaiskiiyrii syntry, tnutla aika pitkrillc kiiytiinnossii selviiid, jos vain t:inrdn ominaiskiiyrzin tietii?i ja hallitsee. Epiilineaar isuus tuo nru-kanaan uudeu ougelnran (vastuspiir-eihi niiliden). koska diodipiire.iii anall,soitaessa taytvv tietiiri (tai arvata) onko diodi piiiistd-, esto- r'ai liipill,ontialueella anall,5eitar assa kltkenniissi. ]-Snrrin selvittrlninen on rnouta kcrua kaikkea nruuta kuin 1'ksirrkertaista.

5 2.2Diodinrakenne 9 Diodionkomponentti.jossaP- jan-ffiin puolijohdepalat on liitettytoisiinsa. TiihZinliitosalueeseen nruodostuu nopeastityhjemysalue kuten edellii on kenottu ja sitten varauksenkuljettajien liike rajapinnzur liipi loppuu (eli virtaa ei k-ulje). Virta saadaan kuitenkin diodin lapi kulkemaan, krur puolijohdepalan priihin $'tketiiiinjiimriteliihde, jonka vetovoima vapaisiin varauksenkdjettajiin on suurempi kuin rajapintuassa olevien varautuneiden atourietr h1'llg.voima. Kiiytiinnossiitiimlitarkoittaa noin 0;7 V:nulkoista.j li:uritetui diodin yli. N-'f YYPN P UO-JOTiDE P-'fYYPN PTJOLJOHDE,.l 0 o & o o1lo c" 'o.(-fo {s o (& 0 0 le {$ a^lo o-a {$ i C 'l o a ooo olo ooc 0to cto eo Dtodin ominaiskiiyrrin alueiden tarkastelu Tarkastellaan l2ihernmin diodin ominaisktiyriieja siki, mitii ongelnria sen epdlineaarisuus tuo diodipiirien anallysii,n. Diodin ominaisktiyriissii voidazur havaita kohne selvzisti erilaisla osa-aluema. iotka ovat: -} ;# l0 PS6st6alue. Negatiivisesti varautuneet atomit hi'lkiviit r,apaita elektloneja eivritkzi ne niifur ollen piizise rajapililan liqi 2. Lllkoisella positiivisella varaulsella on nrahdollista "voittaa" negatiivisesti varauhmeiden atonden hy'lkitrisvointa ja saada elektronit ra.iapiln:ur liipi. Piidiodiila tiihiin tzu.ritaanoin 0,7V:n ultrloinen jiimrite. (.liirurite 6t't)'\,tieg.'sti uruistaa kltkeii oikeinpiiur, nruuten hylkirnisvoima ei ruie voitetuksi, vaan k:usl'aa entistii suurenunaksi. ) =-+,- P N Kuva 2-3. Diodin rakenne ia sita vastaava piirrosnterkki luonr! Diodille on kziy'tcisszi useanpia piinosmerkkejzi. Muita y'leisiii diodin piirrosinerkkejii on alia oleviissa ktrvassa. Kuva N'luita nralrdollisia diodin piirrosnrerkkeji. (riippuu ka),tossa olevasta standardista). \iaikka tii.ssii onkjn esitetly kohne erilaista piinosnrerkkiri diodille, niin sekazuluusk tuskin piiilsee kei1. trilurdssii s1'trgnriliil. sillii nrerkit or,at h1.r,in samankaltaisia. Hy'vii niuistisiuint(i on se, ettzi nr-roli neiytta;i 'N-li itoksen sur.rurill. l. PAASTOALUE. iissii diodin vli kytketvn uikoisen jiimritel:ilrteen ailieuttana vetovoima r,oittaa 1e - gatiivisesti varaunneiden atomien hylkirnisvoimeur ja elektrouit allkavat i,irrata rajapirurar ldpi, Ls. Diodil liipi kulkee virtaa. Kuten onrinaiskriydstd. huornatazur. niin kr-rlkevan vinall suuruus allia.r ka-sr,zunazut voirnakkaasti. kun jzirnite saavuttaa sopivzur awon (piidiodilla n.0,6v gennariunrilla n.0,2v). Koko tiilli alueella diodin vli oleva jzinrrite on ontinaiskiil'rdn mukaisesti nriltei vakio. nrufta virla voi i,aihdclia hr-romattavasti. 2. ESTOALUE. N1t diodin yli olevajiinnite ott "vdd.rilpdin" (tai pienenrpi kuin diodin kymrysjiinnite) eikii hylkimisvoimien kunroutumista tapahdu eivritkii vapaat eleklronit kulje rajapiruran lilpi, va;ur tyhjcnnysalue vain laajenee entisestddn. jiinnite konrponentin yli voi vailrdella huontattavasti, nrufta vir. -flilioin ta on likir-nail vakio ( eli miltei nolla ). 3. LAPLYONTALUE. Tiilloin kornponentti ei kestiienii^ii sen yli "viizlrinpiiiri'olevaa.jiimriretii, r,aan virta alkaatietvssiipisteessiirajusti kasvar-naan. TaAldj:fulnite on likirnain valiio (lapilyontijiinritteen sur.rruinen) ja virla voi vaihdella huornattavasti. {uoml tiilli alueella konrponentti on erittziin suuressa vaarassa tuhoutua. Tiirnri on helppo lurniirtiiii, koskajos lzipilvontijiimite on esim. 800V:aja virtaa alkaa kulkemaiuresim.lorna:nverrarl,niinkomponenttialdmmittaisitrill6in8w:nszilftdteho,nrik2ionehdottomasti liikaa monille elektroniikassa kiiytetyille diodeille. Valtaosa diodeista kestiiii noin 0,5\\/:n ia lw:ntehoja! Tavalliselle tasasuturlausdiodille ei juu1 loydy teknisiii sovcllutuksia liipilyontialucelta. vaiur l,lcensri kiytly pitaa huoli siita. ettei diodi missdd.n k1'tkemiissii.ioudu ominaiskriyr:in uille alueelle. Sen vuoksijatkossa tarkastellaankin liihirurii vain estosuurtaisen ja piiiistosuurtaisen dioclin tointiuuar analyysia.

6 2.4 Diodi virtapirissii ll Tutkitaan pariayksinkertaistadiodipiiriii esimerkkien ar,ullaja koetetaan selvittiiiise, rnitendiodi virtapiilissii kaltegy. [:sinierkki 2-1. Anall'soidaan alla oleva piiri. +SV r1',ll'- -T t\ T/ Uo 12 Erninniikin huomataan, ettii yhliilo [2- ] on suoran yht?ilo. Piinetiiiin tiimd suora diodin ominaisk?it rzistoon. Suorahan voidaan piirtiiii, jos kaksi (mitka tahansa) pistettii suorasta ttulretaan. Helpointa on useil laskea suoran ja koordinaattiakselien leikkauspisteet: l.suora leikkaa Up-akselin, kun virta : 0, ja kun tiimzi :n arvo sijoitetam yhtiilcicin [2- ] saadaan Up: *5V 2.Suora leikkaa -akselin, kun jiinnite Up = 0, ja k-un tzinrii sijoitetaan yhtzilcion [2-1] saadaan = +5V/1kO:5mA Ny't meill2i on kaksi pistettzi, joiden kautta suora voidaaujrin jo piirkiri { (0,5niA) ja (5V,0) } -lar-koitus Ohessa on esitetty'diodipiiri sekii diodin onrinaisk:i1'rei. olisi selvitt:iii piirissli kulkeva virta seka kununarkin kourpoueutin,vli oler,at jiintritteet. Tarkastelun liilitokohdiksiotetazur seulaavatotur.rdet:. Kirchhoflrn virlalain tzi1.try pziteii. 2. Ohurin laki on,t'oimassa vastukse lle 3. Kirchhoflln jainnitelain tiiy'tg' priteri 4. D io d in v irla j a j zimite kiiy1tiiy111' onr ilai skrir''?in mukai sesti. Katsotatur rnitii nziistii totulrksista seura.,r esinterktriipiirissiinrme. ) Jos Kir.chhothn virtalaki lpisteeu pullishunattorlruus laki) pritee, niin siitii seuaa, ettzi diodin ja vastlrksen kautta tii)'tn,urennii szuna virta k-',ltkennzissiimlte (saiaa_rftytkentti). 2) Jos olirnin lali piitee vastukselle, niin tzilloin vastulisen yli muodostuvajiulrite on vastuksen resistanssi lcaaa-upr-rl:crrer' a rr(qlu-btl 3) Jos Kirchho{iin jtinnitelaki piitee, niin siitzi seulaa, ettii vq$qksen },li oleva irtui iihnite:-l'5v. Ktur 1{l:i olevat totuucle t ki{oitetaan 1'htzilon nruotoon. niil saadaan: l kq * + tjn : +5V (l on piirin virta ja Up on diodin yli oleva jiinnite) 'f iissii t'hclcssii vhtiilijssii on kaksi tuntenratonta (l ja Llo) eikii niitii nain ollen voi ratkaista vain trintfur vlrtzi.lon penmtce lla. (r'arlta niatetrtatiikart siizilrto. ettii l4rtzikritti tiivtyl,olla 'htii nronta kuin tuntemattornia p li te e- c-' l ckt ro ni i kas sali i n. ) N'l i s ti saad tran p Lru tl u va 'liki l ci? Puuttuva ou diodin on-rinaiskiiyrii. koska "vhtiiki sejuuri kertoo niiiden kahden tlulternattoman (1. Up) viiliscn keskiniiisen riippuvuuden. Ottgeluraua on endd loytiiii diodin omiraiskiirrdstii se piste, u-rissd nu 6s eiskcn-iohdettu -r'lrtiild[2- ] patee. N,liten tiinrli priste ld1'detiiin? L2-ll Kuten kuvasta voidaart havaita" niin yhgildlla [2-1]ja dioditr orninaisktiytiillii on vain l'ksi ltteinen pisrc (eli vain yhdessd pisteessd nrolermrat ovat voinrassa yhtiiaikaa) j a tzirnii piste oll nriiden kiil'ricn leikkauspiste. 'l'iissii pisteessti ovat','oimassa Kirclrlioflin lait, olulin laki ja diodin onrinaiskliyra yhtiiaikaa, joten leikkauspisteestii voimme lukea piirissii kulkevan virran (n.4.j rrr-a )j a diodin vli olci'2r jzimrifteen (0,7V). Vastuksen y'lijziava jiinnite t5yt11'olla -5V- 0.7V eli 4,3V. 'iillainen graafinen analy-vsidiodipiirille voidaan tehdti, kurhzur van diodin ominaiskril'raion nreilld saatavilla. Analy-vsi on sitai tarkemrpi, mitii parempi kuva diodin onrinaiskiiyriistil on kiiy'tossii. Ylliiolevnsta esirnerkistd voisi todella pziritellii, ettii diodipiirien analrl'si on aina darettor.ntu tyoliistri. mutla onneksi asia ei ole aivan niin. Tulemne hetken pnisu tarkastelenraiur hieman hclpornpia tapoja analysoida diodipiiri. rutla on sy1'tzi turtea piirin tarkka analyysitapa ja ne sy,v*t, miksi anallysia on rnahdollista helpottaa! Tottakai Kirchhoflin laistq olunin laista ja cliodin onunaiskii)t.zistii s)llt),v'ii yhtzilorylunzi voiclaarr ratkaista nomraalein ylrtiiioryhniin ratkaisulieinoin (ia ndin ollen graafrsesta ratkaisusla voidaan luopua), n)utta se voidaan tehdii vasta sen jiiikeen, kur diodin vinan ja jzimritteen vdlinen yhtel's voidaan pukea vlrtiilon muotoon. Kziytiinncissti cliodin virtal'huilo antin vzihhffiiinkrn riittiiviin tar kkoja tuloksia diodipiirie-n arnlyysiin.

7 l3 l+ 2.5 Diodin virtavhtalo Diodin vinan ja jzinnitleen viilille voidaan kirjoittaa likimii?iriiiskaava, joka ei huomioi kuitenkaan lapi- r,ontia.luetta oll enkaar-r : ip= rle'o'uvt ip = diodin l2ipi kulkeva virta up = diodin y'li oleva jiirmite, : estosuuntainen kylliistysvilr n : vakio, joka saa arvoja viilillii L..2, riippuen diodin materiaalista ja rakenteesta. Piidiodeille n on noin 2. e : ne pcrin luklr (2,71 B) V1 : kt/q (eli huoneenkirnmcjsszi noin 25 mv) l/-- J q:alkeisvalaus (1.6 * g; k: Boltznrannin '','akio(1,38'k J/K) 'T : absoluuttinen liilnocitila. Esinr 2-2. l-asketaar rniten diodin liipi kulkeva virta riippuu sen yli olevastaiiiruritteestii, kun tiedetzi2in, cltri diotlirr [. -- 5rrA. rr: 2 jt T = 298 K eli noin huorreenliinrpotila. -l'issii lilnpdtilassa \/r : 2,5,68nr\l siioitetaiur aunetut ar-v ot 1'llli olevaan virtai lrtriltjcj r12-21, niin saadaan alla olevat tulokset. Lt.-/n\i' LD e " -lv 3._s * 0-g -0.5v 5,9* l0-5 -0, lv 0, v ,.+V v , \' id -5irA -5nA -4,23nA 0 240nA 12prA 592prA 29ntA 1,43A Niiitlcn tulostcn perr"rsteella r, oidaan tehdd seu'aavat kaksi pditeluriii:. lrstoaluee lla diodin kalrtta kulkeva virta on likirnain, (ei riipu yli olevasta jifulritteestii) 2. Pliiistcialueella vhtziliistii voidarut unohtaa tenni - 1. F,li virta voidaar laskea kaavasta in: l, * gtte/tt\/; Kolnraskin piiiitelniil nrikii tuloksista voiclaau tchdi on ilttrcineu. triutta sddstiirtrrne sita r ielii hctken aikaa. Otamme edell?i olleen diodipiirin uudelleen aralysoitavaksi, mutla emme tee siti nyt graafisesti va:ur diodin virtayhtiilon al'lrlla. Esim 2-3. l"asketaan esimerkkipiirissdmme kalkeva virta ja sekii diodin ettii vastuksen yli jiiiivzit jzinnitteet. Nw analvsointimme liihtokohdat ovat:. Kirclihoffin virta- j a j zirlnitelaki 2. Ohnin laki 3. Diodin virtayhtzilc) 4. Diodi on p2iiistiialueella Kirchltoflurlaeista sekd ohrnin laista seu?a aivan sanroin kuin viimeksi yhtiilo: lkq*+ud:+5v Diodin virtay,htiilo stii ta a-q seuraa vhtiilcj : :.*gu/ttv1 1p66r,Oalueella tenli -1 'oidaan unohtaa) [2-6] Nyt meillii on edessdnme kaksi yhtiiloaja kaksituntenratonta. joista l.iadiodir yli olevaj:innite 1r-r,r; voidaan ratliaista yhtzilciruatkaisukeinoir-r. Rathaistaar yirtiildpar-i tiissil iteratiivisesti. Se tapalrtuu seuraavasti: ) Oletetaan, ettii diodin 1,li oleva jrimrite on n. 0,7V toinen iteraatiokierros : 2) Ratkaistaan yhtiilostii [2-5] virta : (5V-0.7V)/ l ko = 4,3 rua 3) Ratkaistaan yhtiilostii [2-6] u, : nv' lnll/1.) : 0,702V 1) Lasketaan uusi :n an,o = (5V-0.702V)/ 1kO = 4,298rnA 2) Lasketaan uusi up:n an,o ud: n\/t- ln(l/lr): 0.702\/ Koska an,ot eiveit enii-ii juurikaan muuttrureet, niin piiiitiinune iteroinnin ja toteuuuie, et(ri: -piirissii kulkeva virta on.{,298nra -diodin i'li oievajdrurite on 0,702V -vastuksen yli olevajiimite on 5V V : {,298V. Jos esirnerkkipiirimme vasfulisen arvo olisi ollut 200Q, niin us olisi ollut 0,78V 12-sl Jos taas vastuksen an'o olisi ollut 3kf), niin ut, olisi ollut 0,6,5V Tiistd voinure vetda sen kiiyt2imossli hy'r'in tiirkeiil jolitopziiitoksen, nrikii oli ilnreistii jo edell2l nrutta pii?itoksentekoa hieman siinettiin. PAASTOaLUT'ELLA PDODN YL OLE\A JANNT.E on n. O.7V R P' UillATTA DOD'USTA! Jatkossa tiitzi totuutta tr.rllaan usein kziyttiirniiiin alal11'sinlnnre liihtokohtana, r,aikka zuraly'ysinlrre talkkuus siitii irieurm kiilsii. mutta saanrtetfu tarktriuu riituii Lrse in kiiyttin-ntin uritoituhsissaja tan'ittai a nretenratiik-lia supistuu "peruskoulln matematiikaksi". (l]ike insilrcjdrin huoutio niiin ollen kohdenrrr.r ihnrccllisifur ylitlildihin, va.ar siilicn, mit?i piirissii tapalituu l)

8 t5 Emrenkuin lzihdemme tarkastelemaan diodipiirien analysointia yksinkertaistetuillarnalleillatutkimme vielzi eriistzi oleellista diodipiireihin liittyvtu totuutta. Alussa otimme esille sen, ettii diodi komponerittina ei oie lineaarinen. vaan senominaisktiyrii voidaanjakaa erilaisiin alueisiirl joistatiirkeinmzit olivat p?iiist6- ja estoalue. Totesinune, ettzi diodi kriltt2iytly aivan erilailla estoalueella kuin piiristcialueellaj4 etl?i meidiin olisi hp'ii tiet?iri (tai arvata) kunrmalla ominaiskziyrlin alueella diodi toimii analysoitavassa piirissii. KriiirrnetZiiin esirnerkkipiirissiirnme jiirurite toisinpiiin lcylkemzin ylija ihmetellliiin tilarurettayhdessii. llsirri 2-4. Analysoidaan alla oleva piir-i esinrerkin 2-1 malli-n mukaisesti. -5V.l fr,,. J,- TL) ()tetam analr'\ sirrrne liihtcjkohdaltsi szurat totuudet kuin esimerkisszi 2-1 eli Kirchoffur lait. ohtnin laki ia cliodin onrinaiskduii (joka nreillri ott graa{isena esiti ksenii kiiylossiinune). Nr t Kirchollin ja olulin lakien perusteella saatrute ylitilcin: lko*l+uo=-5y 'lirnri on slroran 1'htnltr air an kr:ten viimeksikin ja ktur laskemrrre koordinaattiakseleiden leikliauspisteet saanrlrepisteet: l){uo:0jal:-5nra} 2) {Un=-5Vjal=0} ja ktrn n:ticlen saatujeu piste iclen kar-rtta piirriilrune su(l an. niitt sazututre oheisen kuvan rnukaisen tilanteen 6 Esim 2-5.Pysymme samassa piirissii, mutla analysoimme sen nyt esimerkin 2-3 tapam diodin virtayhtiil<in awlla. Otamme taas samat liilrtdkohdat (Crcho{fin ja olmin lait sekzi diodin virtayhtiilo). Saamrnevhtiil<it: lkq*+ud:-5v :.(eu/ttvr-1) ja knn iteroimme, oletamme tietysti, ett?i up = 0,7V vai oletamm eko?7'/ On tiirkezia ).rnmiirtii?i mihin tiimii esirnerkin 2-3 alussa tekemdrnme oletus perustuu! Ei ole jiirkeviiii iteroitaessa aina oletta4 ettzi diodin yli on noin 0,7V koska mitzi kauemnras oikeasta tuloksesta ensirnrndinen oletusaruo tehdiiiin, sen kauemmin pit?ili iteroida (ja tiirnii taas tietiiii paljon turhaa tydtzi), jotta vastaukset saataisiin hyviillzi tarkkuudella oikeiksi. Esimerkin 2-3 alussa tekerniimme oletus pohjauhri siihen tosiasiaan, ett2i piiiistiisuntaisen piidiodin yli oleva jiinnite on noin 0,7V. Mutta nyt me ernme tiedii or*o diodi enii?i piiiistcjsuuntainen. ltseasiassa on olerlassa paljon diodipiirejti, joissa diodin toiminta-alue ei ole ollerrkaan selviiii ja todemiikoisesti diodi on viilillii p,i:isto-javiilillziestosuuntainen. Onko siis tzirnzi piirintaltdoton analysoida iteroimalla?.los ajattelernme viilillii loogisesti, niin esinrerkissii 2-3 diodi oli piiiistosururtainen, ja koska n1t olerune sen kiiiinttineet toisinpiiin. niin todenniikcjisesti dioditiissii on cstosuuntainen ja otzulnretd;niin oletr"rksen analyysimrne liihtokohdaksi. Eli kun analysoimnre, niin virt4yhtiildssii temri suo/nvrsn 1uh3. 1) Oletanrme, ettli diodi on estosururtainen ja aikaisenurin tehdvn havairuron mukaisesti oletanrme, ettd : -1. eli = -5nA (os edelleen n:2,.:5n-a ja V1:25,68rnV) 2) Laskemrne ud = -5V- ( l ko * (-51-A)) : -4,999995\/ 3) Laskenme ett:i vastuksen yli on l kf) * (-5nA) : -5p\/ Kuten huomasit tiima looginen ajattelulq,kl.mme johti rneidiit h1ruin lyhl'ee n ja selkeiiiin piirianalll siin eikii mei le j iiiilryt pali oakaart iteroi tavaa. Mitii ongelmia diodin epiilineaarisuts toi tdhrin analllsiin(ni1'os esinrerkkiin 2-3)'? Nleidiin piti piiiitelln anal11'sintnre alussa onlio diodi onrinaisliiil'riin pii:istti- r'ai cstoalueella! Miten r-ne voimme pziiitellzi onko diodi piiiisto- r'ai estosi-turtainen'/ Se ei ole ainahelppoa. ruuttil scuraavien totr:uksien tuntenilretr saattaa auttaa od;itoksentekoa: l-cilikauspiste lo1,t1l kolrdasta Un = -*5V ja :0 e li diodi or1 estosulurnassa ja sen liipi kulkeva virta on likinrain (). Niiin olleu vastuksen ylijiiii olunin lain nrukaan lkq * 0 eli nolla volftia ja diodin r li -5\/:a. Nitd ongelrnia tassii graafisessanall'1'sissa diodin cpiilineaarisuus tuotti '/ Vastaus orr h1'r in 1'ksinkertaine rt; ei nritriiin! 1. Diodi piiiistii^ii virtaa aina piirrosmerkilr nuolen suturta;ur eli diodi on kuin nonnaali suppilo, josta tavara menee siszidn laajemmasta p2izista ja tulee ulos suppilon kapeamniasta piiiistii. 2. Jos diodin ynpfillti oleva nruu piiri lrittiili t1'outiri virlaa diodil ldpi nuolen sur.ntaan, niin yleensd se siilii omistrru. koska diodin kymy's.jiinnite on hyvin pieni. Eli tavallisesti tiilldin diodi on pdiistosururtafi ten. 3. Jos nruu piiri yrin:ii sl cittii5 r'irta.r diodin lzipi vastoin rrrrolcn suuntau. uiin yleensii se siinti epiionnistuu, koska cliodilr lzipilydntijiimrite on hp'il suuri. Eli tzill6in diodi orr tar allisesti cstosururteineu. Jos niinriikiijli ohjeet eivdt auta, niin ainaliaii voi koettaa otuica ja anata ldiodipiireissii se yleensd tode lla kannattaa telidii. kuten iatkossa on tarkoitus osoittaa!).

9 2.6 Diodin laskentamallit t7 Edellii olernme suorittaneet hieman monirnutkaisen tuntuisia anallyseja yksinkertaisille diodipiireilleja voiolla" ettii koko homma on alkanut niil'ttiizi viihiin turhantyol?iiiltii. Jos tiillaisia ajatuksia liikkuupli?issiisi, niin olet aivan oikeassa. Graafisella analyysilla sekfi iteroinnilla saadaan monasti tarpeettonran kovalla tyitllii tarpeettoman tarkkoja vastauksia. Mutta vaikka niiit?i anallysimenetelmiii ei tl cieliirniissii usein Len'itsisikaan, niin niiden h:ntemilren auttaa mielest2ini ynmlirtiimii?in yksinkertaisernpia ja ktiltiimrollisenrpizi diodipiirien anallysitapoj4 joitatarkastelemme seuraavaksi. Unohdanune nderurd.isesti ny't sekii diodin graafisen ominaiskiiyriin ettii Diodin monimutkaisen virtayhtiil6n. ja otanme analtl,sipnle liihtrjkohdaksi seu'aavat to[.rudet: l. Jos piidiodi on pfiiisttisuuntainen, niin sen yli olcva jiinnite on 0,7V 2..los piidiodi on esto.suuntaincn, niin sen kautta ei kulje virtaa. (Niilttii totulrdethan onjuuri johdettu diodin orninaisktiyriistzija sitiikuvaavastavirtayhtiilostii, joten emnre nle sentd:h niitzi kokonaan ole urohta)eeq vaik-ka vamrasti nronella nrieli tekisi.) Flsinr 2-6. C)tatune taas esirtrerkin 2- diodipiirin ja analysoirune sen Kirchoffin ja ollnin lakien sekzi r lii olevien kahden likinriiiiliilstotuuden pohjalta. ) Olctaiiillre, ettii diodion pziiistrislruntainen ja n:iinolleu tto = 0,7V 2) Laskenrnie = (5V-0,7V)/l ko = 4,3nrA 3) Laskenune. ettii vastuksen yli on 5V-0.7V:4,3\' Siinii kcrko honuna! Sairnrne h1r,2in k-uvar piirinj2innitteistiijavinasta h1ruin ykshkertaisella analiysilla! ( lrnurrekii tuhlzuureet omia voinrianlne ja tytinantajanrne varoja nrateuratiikan kienruroihin.) ' iillainen "likhrii?iriitren ourinaiskiiyii", jota iiskeisessei zuralp,sissiirune kiiytirrurre on hyvin tavaliinen tapa anall'soicia kiil,tiiruron diodipiirejii. 'l ulokset ovat nriltei aina riittzivllllii tarkkuudella oikein..ios etnme osaa piiatliiii kunrmalla ominaiskdl'r:in alueella diodi esimerkissiimme on, ja arvaamrne, ettd se on estosr,runtainen, niin ei se haittaa. vaan: )Oletanrrie. ettii diodi on estosuuntainen ja nziinolien piirisszt ei kulje virlaa. 2)Vastr,rksen yli on siis 0V:a (koska U : R * ) ja diodin yli +5V:a jzinnitettii. r\1t joudurnure ihneellisen ongelmzur eteen. Milloir diodin yli voi olla +5V:ajiinnitett?i? (.los laskenune virlayhtiilostii, niin silloin kun sen iiipi kulkee 9,5 * 1033 A:n virta" rnutta juuriiran me oletinrnre etteipiilissii kulje virtaa. Mikii nreni pie leen'?) Rl =RZ=l k +t 5V R1 l8 otetaan viela yksi diodipiirin analyysiesimerkki, jossa liihtcikohdaksi otetaan larkan ominaiskiiyriin ja monirnutkaisen virtayhtiilcin sijasta edetlii esitetty yksinkertainen laskentamalli. Esim 2-7. Laske oheisessa piirissii kulkevat vinat ja kornponenttien yli olevat jiinnitteet. -5V Nyt piirissti onj?i'niteitii nollan molemrnin puolirl eikii ainakaa. kaikille ole heti selvdd se, ettzijohtaako diodi kytherudss?i vai ei. Oletetaan, ettri diodi ei johda oheisessa k),tkemrissri. Tiistii seura4 ettii diodin lapi ei kulje virtaa. Tiistzi taas seuraa, ettii vastuksien liipi rnenevien virtojen tiil,tyyolla yhtri suuret. ((rcirhoffin virtalaki). J4 koska mycis resistanssit ovat yh&i suuret, niir vastuksien yri jzidvienjzinnitteiden tiiytly olla samat (Ohmin laki). vastuksien yli jeiavienjiinniteiden sununa ttiygy olla +15v- (-5v) eli20v, joren kurnmarilcin vastuksen ylijtia niiin piirissli lov:njzinnite. Tiist2i seura4 et&i diodin ykipziiissri olevan solmupisteen pote'riaali on + 5V- 10V eli +5V. Ja piirin vinat olisivat nyt: Diodin ldpi eikulje virtaa eli D = 0 (koska oletimnre sen estosuuntaiseksi) vastuksen Rl lapi 0v/ lkc) eli 1 OrnA ja sama mycis vastukse' R2 liipi Nyt on edessii enii2i pahin!meidiin tiil'$y p)'sryn piiiittelcnriif,n ovatko saatlut tulokset jiirkevir! Oletimme alussa eftei diodijohda piirissd eii etg se ei piiqgi virr;ra l5y16"en ja sainune tulokseksi. ettil tiillii oletuksella diodin yli olisi 5V:njiinnite "rnycitdsuturtaan". Jos diodin yli on +sv:a, niin vannasti criodi Uillciin johtaa koska klnnysjiinnite on alle + V-a. Eli ylld olevar ruloksenrme ovat viiiiriii. vaihdamme alkuoletustaja oletanure n$ ett2i diocli sittenkinjolrtaa piiriss;irnme. T iistii scuaa laskenramallimme mukaan' ettii diodin yli on 0,7v:n jiirurite. Tiilloin vastuksen R2 yli olevajiimite o.5,,/v:a ja vash.rksen Rl ylion l5v-0,7v eli 14,3V:a. Vastaavasti virrat vastuksien ltipi ovat il: l4,3ma ja 12:5'7mA- Kirchhoflin virtalain mukaan diodin liipi tiiytly n1,t mennd l4,3rna - 5,7mA eli g,6rna. Ny emme pii2idy edellisen oletuksen mukaiseen urnpikujaan, koska oletimrne ettd diodi jghtaa ja sailnme analyysissa sen yli olevaksi jiirrnitteeksi 0,7v:aja liipi rneneviiksi virraksi 8,6mA mika on ihan diodin ominaisktilr2in mukaan mahdollisll joteu pd2iginrnre anl,lysinune onnistuneesti t?ihiin..tos joudunnre td.llaiseen tilanteeseen aral11'sissannre, niin se johtuu siitii, etki alkuoletuksemrne (diodi estosuuntainen) oli veiiirii Korjaarnrne alkuoletuksermne ja oletarrune, ett6 diodi on sitterrkin p5zistosur.lrtainen tiissii esimerkissii ja zuralysoimtne piirin siteu kuin esirnerkil alussa teinule. (Ja tietysti myos smxrin trrloksin.) -l'iistii r oiurrne priitellii sen, etta jos ei tiedii diodirt toimirrta-aluctlii. niin kanrratt:ra an'ata ja tarkistaa ar\ arlsta saatlrjen trrlosten perusteclla firelkkii piirin tlrijottamilren ei y4eensiijohda mihinkiiiin) : ti. Kuva 2- l. Yllii olevien analyrysien tulosten tarkasre diodin kartralta 2.Analyysin nrukaan diodin yli on 0,7V:a ja virta on 8,6mA. Piste on ominaiskliyriil lti. U l.analyysin mukaan diodin ylion 5V:a ja virta on nolla. Piste ei osu llihellekdtin diodil orninaiskiilriiii. Eli tulos on lnahdotolt.

10 l9.loskts halutaan yksinkertaistaa diodipiirien matematiikkaa viel2i enemrniin ja silloin voidaan ajatell4 ettii diodi kayuyqy virtapiirissii krin b,{kin. Kun potentiaaliero diodin ylion nuolen suuntaan, niin diodi toinrii piirissti kuin kiinni oleva kltkirq ja kun potentiaaliero on nuolen suuntaa vastaaq niin diodi toimii kuin auki oleva kytkin. Tiillaista diodia kutsutaan ideaaliseksi diodiksi, mutla tiiltyy muistaa, ettei niitii lo1'dy markkinoilta" vaan kysessd on yksinkertaistethr malli diodin toimirurasta. T2im2i tietysti yksinkertaistaa "l+ anallysiil entisestiiiin, - koska tiillcjin t ei edes diodin lq'nn1'sjiinnitettii tarvitse ottaa huomioon. ut J tl t+ \ ll Kuva 2-2. deaalisen diodin s ij aislq'tkennat Niiiden edellilolleiden rnallien lisziksi niikeejoskus kiiltettiiviin vieliiylitri laskentamallia diodintointimran -fitniin araly soirniseksi. nrallil liilrtokohtia ovat: l. Estosuurtaisen diodin lzipi ei kulie virtaa 2. Nlycjtiisuuutaisen diodin y'li oleva jiirlrite on nruotoa Ll,,: uoo * l'r, * io L2-71 rli diodin ouritraiskiiyrii 'ksinkertaistetaari allaolevan ktrvan mukaiseksi: kuhna-kerroil Kuva r- 13. Diod in virlan riippuvuus j2innitteestii likinriziriiistetliiin lineaariseksi. -l iinriin nralli ottaa luonrioor.r seu, ettei diodin 'li oleva jzirurite piiiistoalueella ole &i1,sin riippuriatou virrasta (e li e i ole kaikilla vinoilla 0,7V:a), 1,aa11(25v36 hiertian. kun diodin l2ipimenevii virta kasvaa. Kuiterrkjn tiinrii rnalli tekee diodipiirin anal11'sisla maternaattisesti 1,ksir*erlaisemnan (a tietysti myos epiitalkenrnrm) kuin virtal,lrtiilon avulla telrt) anallysi (koska exponenttifunktiosta p;iijstii? n eroon). Katscrturrr rnalin kiiitttiii esfunerkin avulla. L\] Jatketaanesimerkkiiijatukitaanmiten diodinyli olevanjiinnitteen ktiy, jos piirinsydttdj:irnite U ka ratkaistaanuo:0,7014v, niiu huoniataan, ettzi kur U kasvaa 25Vo,riinUo kasvaa2%.eli diodi taa pitiiii isersiija niiin myos vastuksen R2 1'li noir 0,7V, vaikka syottojzinnite vailrtelisi. loisaatta, jos vastuksen R2 arvoa muutetaan 560Q:sta lko:iin ja ratkaistaan yhtiiloryllniistii Uo : 0,69171 niin huomataan, ettii kun R2 kasvaa 78,6yo, niin Uo kasvaa 0,6yo.Elidiodi koettz pitiiii ilsensii sekii R2:n yli noin 0,7V, vaikka vasfuksen R2 arvo muuttuisi. Tiirniiylliloleva esimerkki osoittaa seu, ettzi diodia voidaan kaytt izihyvdksijiturnitteen stabiloinniss Kytkemiillii diodi (tai diodeja) riman kuorman karrsa, saadaan kuornlan yli olevajlirurite aika hyv vakavoitua. (Tarkoittaa sitti ettii kuorman yli oleva jzimite pysyy tietyllii tarkkuudella samzura, vail piirin syottojiinnite tai kuomravaihtelisi.) Jos kuonnan yli tan,itaan suurernpi kuin 0,7V:4 niin diod, voidaal kltkeii useampia sarjaan kuonnan rinnaile. 2.1.Useamnlan diodin piirit Edellii olemme tarkastelleet diodipiirejzl joissa on vastusten lisiiksi ollut vain 1'ksi diodi. Tiillaisissa reissd l,leens[ zuralyysi ei ole vaikeaa, koska monesti piiristti on suoraan ttzihtiivissii onko kl,seinen di piiiistd- r,ai estosuurtainen. l-luonratlavasti hanlialampaa diodien tilojen selvittiimilren on useiu-n diodin piireissii" j oita tzukastelemrne ntuulatnart esirtrerkin avulla. Esirn Lasketaan alla olevissa piileisszi en haaroissa kulkevat virrat. kr-ur a)r1:2ko.r2=1kf) b)r1:lkq, iu:2ko +5V R1 D1 +5V F D Esirn 2-8. Lasketaiur oheisessa piirissii kulkei'at vinat ja komponenttien yli olevat jzimitteet, kun tiedetiiiin, ettri diodin Uoo = 0.65V ja ro: 8f). U : +4V Rl = U : 560f1. U Kirchhoflln virtalain tttukaan *, : l*, + lo. N4erkitadtr soltuupisteert (diodil ylzip:i6ssa) jiinnite Un:ksi, niin saadaan 'htalo: (LJ-UL,)/Rl : D + UD/lt2, jossa on kaksi tuntenratonta (lo ja Uo) lbirreu 1'htiilo oll trissa ke)'tefla\,5 diodin la-skentanralli Un: NAista y'htdloistii ratkaistaan U,, = 0,6875\' Sitten saadaan r, = l,228rrra jt lo, = 5,9l6nrA ja.jiinnitreet U*, -- 3,313\' Llu, = \/ ja,_, = 4,688mA Uoo * fu* u Kuva Kaksi useainntan diodin diodipiiri:i Alal1'soidaan kohta a) ensin. Enune tiedii etuliziteen diodien tiloista jzr oletetaan etlenrnre osaa f somalla piiiitellajohtaako diodit vai ei. An,aamne, ettd molenunat diodit johtavat a)-kohdassa. Jos diodijohtaa, niin sen yli on n.0,7v:n jdrurite eli va-stuksetr l2;n 'kiprilissa on -0,7V:n jii.nnitc- nz:4,3v/1kfl:4,3rna ja nr :5V/2k0 :2,5utA Kirchoffin virtalain tnutrraan loz = lru - nt : l,8tta.

11 a)-koltdan anall'ysi on ihan OK!, koska nrolerlpien diodien tila anallysin jiilkeen on onrinaiskiiyriin niukainen. +5V 2l Kokeillaan sanlaa ltirikettzi b)-kohtaan. Anraamme, ettd molermrat diodit taas iolitavat. Elitaas R2:n iipziiissii on -0,7V:n jtinnite. or:43yl2kq = 2,15rnA ja *, = 5V/lkf):5mA Niiin diodin D2 vinaksi tulee 2,15mA-5mA - -2,85mA mikii on mahdotonta,,t**j R1 *[ovl D b)-kohdan anall,ysi saa diodin D2 aivan illneelliseen tilaan (virta kulkee nuolen suuntaa vastaan), miki ei voi pitiiii paikkaansa! D2 [-+7v-]-_ Kuva 'l-ehtl,jen analyy'sien tulosten tarkastelu 5nd +5V R1 _,.-l 0v D1 2, S:nA Fo,ivl- Nliin ollen otr selviiii. ettii b)-kohdal alirh'r,siunre on vijiilin. \/iiiilin se on siksi. ett2i aruaul1seurlte clioclien tiloista oi viilirii. \'ritetil2in uudestazur; An'aatntne nyt etta D2 eijohda. ntutta D 1 jolrtaa. Tiilloin saadaiur yhtalci +-5\/ - R1 * -0.7V - t2 * : -5V.ia kun ratkaistaan :3,lrnA. niin tilarure nii_r41iili ala clleviur kr-rvan mukaiselta. +5V.-Flvl D1 orl -5V 2.9 Tasasuuntaus 22 Diodin yleisirnpiti kiil'ndsovellutuksia ovat erilaiset vaihtoj:innitteen tasasuuntaukset. Tiillii tarkoitetaan sitzi, ettii vaihtojtinnitteestzi pziiisee kuomraan vaikuftanraan ainostaan joko positiivinen tai negatiivinen jiinnite. Tarpeelliseksi tasasuuntauksen tekee se, ettd nonnaalisti C-piirit ja muut elektroniikan komponentit vaativat toimiakseen DC-jZinnitteen ja kuitenkin helposti saatavilla oleva suihk<i on vaihtojiinnite. (220V -230Y 50Hz). (Tietysti DC voitaisiin ottaa paristosta tai akusta, mutta kaikista elektroniikkalaitteista ei ole mielekiistii tehdii paristokiiyttdisiii; esin-r. kotistercot tai konserttisalien ddnentoistolaitteet) 'lryin usein DC-jiinnitteen tekeminen noudattakin seuraavaa ohkokaaviota: FAKELJ-- Mum-rAr4 nnsa:-_] tsuotatus-l flegum-ntil t_t _t Lt tver{kkot lsuunrausr-l AA- A/\ v- ltfv - Kuva DC:n tekemiseen tarvittavat toinrirurot lohkokaaviorna dea on se, ettrl laitetta suumiteltaessa kamattaa lrihtezi liikkeclle jakeluverkosta. (Miksei kannata esinr. Suonressa suumitella 72\/:lla toimivaa hiustenliuivaajaa?). Jakeluverkon jiinlitetaso on tvvpillisesti liizur korkea elektroniikan koniponenteille, joten sitii joudutaan nruuutajan avulla nruuttanaan ( yleens2i laskemaan) komponeuteille sopivaksi. Tiinrei alemettu jzirmitc sitten tasasuunnataan. jonka tuloksena saadaan ns, sykkiviiri tasajiir-rnitettii, niikii ei 1'leensd viela ke lpaa piirien DCjiimitteeksi, vaan sitii on vielii suodatettava, jotta pahin sykkiminen saataisiin taltturnaan. Suodatettua jiinnitettiikin on vielzi rnonasti tasoitettava ja tata lopullista tasoittamista kutsutaan-iriunittcen reguloinniksi. TiissA tavallisessa DC:n muodostamisketjussa clioclien ioveltamisen keskeisin kolrta lo1't-l'y iuuri 'sasuuntauksessa. Katsotaan seuraavaksi miten moinen honrma diodcilla omistuu. P U O L AAU'O TAS AS U T NTA U S Jv Kuva 2- l 5. Oikein tehdl,n analy,l,sin tulokset N\ t lllolellllltat diodit ovat ontirtaiskiiy riin nrukaisessa tilassa. D2:n tijiinuite on nuolen suuntaa vastaan, joten se orr estostrr.rrltainen cikii virtaa kul.1e. Dl ort pii:istdsuuntainen, joten sen 1,li on 0,7V ja nuolen suuntaan kulkee virtaa! Ktttert csittte rkistii ruienune. useallrlral diodin priirissd voi arvata diodien tilan ja piirirr voi analysoida tehcit tt an'altksctr trtukaiscsti. Ar-r'aus osoittautuu viiririiksi. jos.jonkun diodin tila analyysin jiilkeen on tliodin onritraiskti\r'iitt va^staincn. Alall'l sia jatketaiur. kr"uines kaikkien diodien tila piirissi on 'Jiirkevii"..losku-s voi.ioulut tekertriitirt ilseita an'auksia ennerrkuirr saa oikean lopputulokseu, nlutta uruutakaar kcinoa ci olc. e llei piirin diodien tila ole niihtiivissii. Siniliihteen ilinnite Diodin vli oleva iiinnite Kuornraan saatava iiinnite Kuva 2-2 l. JAnnitteiden aaltonruodot ouoliaaltotasasuuntauksessa

12 23 Voidaanko puoliaaltotasasuuntaajan analysoinnissa kiiyttiiri diodin piensignaalimallia? Se ei ole jlirkevdd, koska piensignaalirnallilla voidaan kuvata diodin toimintaa silloin, kun diocli on biasoitu sopivalla DC:llii jatkuvasti myotiisuuntaiseksi. Tyypillisesti tasasuuntauspiireissii diodi vaihtaa tilaansa; ollen viilillii piizistd- ja velillii estoalueella, joten piensignaalirnalli ei sovel -r. Jos kiiiiruriimme diodin edellzi olleessa tasasuuntauspiirissti, niin jiirutittect muuttuvat alla olevan kuvanmukaiseksir _,., AA L+ Esirrr Analysoidaan alla olevan kuvan mukainen tasasuuntauspiiri. 6Vsinwt Koska sycittojzirurite on sininruotoinen ja niiin ollen sen yli olevan jdnnitteen arvo muuttuu koko ajan, niin suoritetaan anal11'si kolmel la eri laisella j iinnitteen het- k kellisan'olla. Analysoidaan oheinen piiri, kun jtimiteliihteen hetkellisarvo on a)0 b)+6v c)-6v sydttdjannite diodin yli oleva jar.rnito kuorrnaan saatava j Annite a)svdttcij iinni(teen suuruus on 0. -fiilloin diodin kamrysjdnnitetta ei yliteta eikzi piirissiinziin ollen kulje virtaa, joten vastuksenyli on nr1'os 0 r,olttia niinkuin rnyiis diodin yli. b)sf iittoj iirlritteen sullruus on +6V T:illcjin cliodin k1'nn1'sjuinnite i'iitetiirin ja virtaa alkaa piirissri kulkea. Koska diodi tassri jolrtaa. nii' scn t'lijziii ttoitr 0,7\/:a ja vastuksen i'li tayt11' jiiiidii loput eli 5,3\/:a. (Kirc6hoffi' jiiruritelaki on 'ointassa l ). P i i rissii kulkcr,an virrnn suuruus on,5,3 V/ l ko : 5,3rnA (Ollnin laki) c )st,ot1dj rirui itteen su LlJllus on -6V '[rilldin diodin 1'li oleva j:innite ott nuolen sulurtaa vastaan ja diocli o1estoalueella. piirissri ei siis ktrl.ie 'irtaa, joten vastukscn yli jaava jrimite on 0. (Ohnin laki). Loput tiiytyy jiiadii diodille, jote' se rr r li on 6\':n jainuite nuolen suuntaa vastaan. Oleeliista tiillaisissa piireisszi otr t'rtrmdftziri se. nrilloin diocli vaihtaa tilaa -fiissii trrii[stcialueelta cstoalueelle ( tai priinvastoirt ). piirissii diodijohtaa, kun sycitto.liirurite suurenrpi kuiu 0,7V, eli raiat loytr,- \'ait ),htrilost:i 6\'sinatt : 0,7\/, josta saadaan sincot - 0,1167 KO KO AAL f O1A S A S UUNTA U S Kwa Negatiivisten puolijaksojen piiiistzinrinen kuormaan Vaikka puoliaaltotasasuuntaajiakin k2iytetrizin elektroniikkalaitteissa. niin kuitenkin niitri seh,:isri yleisempi erilaisissa teholzihteissii on kokoaaltotasasururtaajat. Ntiidel ta-sasuuntaajie. ero orr sii'd. ettii puoliaaltotasasuuntaaja p?izistzizi kuormaan vain jornntankuurman puolijaksop sinilruotoisesta AC-izimitteestd. kuu taas kokoaaltotasasuuntaajat piiiist;ivdt kuonlaan molernmat plrolijtrksot (tosin ktiantiiviit tietysti toisen puolijakson siten, ettei kaikki kuornraan saatavat puoliiaksot ovat joko positiivisia tai negatiivisia.) Kiiytzimossii niikee kahdenlaisia ratkaisuja kokoaaltotasasuuntaajiksi. joista tdssri esib,ksessti j2ilkinr-maiinen o11 tavailisempi. Katsotaan ensin toteutusta. nrikd vaatii uruuntaian. iossa op 1s. viiliulosotto. s1'otlcrj iiruiite 6V vastuksen li oleva jiinnite estosuunlanen jiirurite diodin 1,li syottojlinlite syottojzinnite te ja j a kuornraan saatava jelnitej iirurite Kuvr r-?2. Syotto.iiitutitteett seki vastuksen 1'li olevan jaunitteen vaihtelu ajan lunktiona esirrrerkkipiirissii Kuva2-24. Kuten kuvasta nilqvy, niin kokoaaltotasasuuntaaja piiiistiiii kuornraan rnolenrnrat puolijaksol Kuonnaan saatavan jiinnitteen huippuarvo on diodin klrurysjiinnitteen verran alenrpi syottojannitetta.

13 25 lsirn Tarkastellaan tiimiin piirin toirnintaajiinnitteen kahdella hetkellisarvolla; AC-iiimitteen positiivisellajanegatiivisellahuippuarvolla. Oletetaan, ettiimuuntajan toisioissa on 17V, kunvl on 311V eli tilanne on alla olevan kuvan mukainen: ensitissii positiivinen huippuarvo 26 Edellii esitetty lrytkentii on toimiv4 mutta ei kovin yleinen, koska se vaatii toimiakseen muuntajan, jossa onviiliulosotto. Ttillainen muuntaja onkalliimpi rakentaajaniiin ollen kiiytiimossii suositaankinns. siltatasasuuntaaja4 missii muuntaja on yksinkertaisempi, mutta diodeja on neljti kappaletl4. $ari diodia ei kuitenkaan aiheuta niin palj on kustannuksia kuin erikoinen muuntaj a). S iltatasasuuntaaj a toinrii vallm mainiosti kokonaan ilman muuntajaa" jos vain sopiva AC muuten on saatavill4 jajos ilman muurtajaa selvit?iiin, niin t?ill6in voitetaan yleensii laitteen kooss4 pailossa sekii hi-nnassa. K1'tkentii on esitetty alla: rl 17v D 1 ''iilliiin D 1 :n 1'li on potentiaaliero nuolen suuntaan, joten se johtaa ja sen ylijiia noin 0,7V:n jiinnite. Kuon'naan saadaan nziin vain 16,3V:a. D2:n 1'li on potentiaaliero juuri piiinvastaiseen suuntaan, joten se eijohdaja virta kulkee muuntajan yliipiiiistii diodin Dl lapi kuomraan ja sieltii muuntajaan keskeilii olevaiut nastaau. luom! f iissii k1'tkerurlissii nrolempien diodien pitiiii kest?iil estosuurtaan eneurmdl kuin 17V (33,3V). kuornraan saa cnsiossi rregatiir ittetr huippuatro l,,r' 11 /-\ ll \r-l(.^._. ) :lrv \./ lc C 1 rl tzv P ', Kuva Siltatasasuuntaajaan sydtetty sinimuotoinen jannite sekii kuorntaan saatava jlinnite. Aina jiinnitteen liihestyessii r.rollaa niikyy kuvassa pieni hetki, joltoin nrikaan diodi eijohda kytkennjssd. Esinr Tarkastellaan tiirniin k)'tkemiil toimintaa kahdella s1'ottcijliruritteen hetkellisar-volla- ktur syottcij Zinnite on 2Vsilcot. Otetaan ensin positiir.'inen ltuippuawo 2V: Negatiiviseu huippuiul'on aikzuratilaure muuttuu. N1't D1:n yli on jiinnite ruoletr suuttaa vastaam,joten se eijohda. ntutta sen sijazur D2 jolrtaaja senylijii.iin.0,tv:a. Edelleen kuormaan saadaankuitenkin siuna 16.3V:a, mlrtta n),1 D2:n kautta.'l'dllaisessa kytkenniissii jokatoilen puoiijakso pziiisee D :n kautta ja joka tolten D2:n kar-rtta ktrormaan. Koska ensiojtirmite vailrtelee sinimuotoisesti, niin kuomran yli oler,ajzlrnite rnunttuu ml os koko ajan (niirnii analy-vsit on tehtl'r,ain huippuarvoilla). Se nrilloin diodit alkavat j ohtaa saadaan yhtzilosta: l7\'sincot = Z\ 0,7V Kur a lsirrrerkkinzi olleen k1'tkemriin liilrtojilrtnite ^--1 r---' " 1t71.6{ Kun V1:12Y niin diodit D2 ja D3 johtavat ja niiden ylijaa 0,7V:a. Koska nollapotentiaali on kuormavastuksel alapii.dssd, niin diodin D3 toisessa piizissii tiiytyl'olla 0-0,7V : -0,7V. Niiin ollen S1'ottojinrnitteen yliipiin potentiaali on -0,7V + 12V : 11,3V. Kuormaanr saadaan kuitenkin 1,3V-0.7V:10,6\'. Diodin D 1 yli on 11,3V:n jiinmite nuolen suuntaa vastaan, joten se ei voijohtaa. D4:n yli sarna ji'irtrilte ntyos nuolen suultaa vastaan, joten sekiizin ei johda. Virta kulkee siis jiiruriteliihteen *ttavasta diodin D2 lzipi kuonnaan tl ja sieltii edelleen diodin D3 liipijauiteltihteen -napaiur. Diodien D ja D4 kautta ci kulj e tzille j Zimitteen awolla virtaa.

14 21 28 Jos svottoiiirurite taas on - l2v: 2.10 Suodatus Suodatuksen tarkoituksena on yksinkertaisesti viihentiiii tasasururtaajasta saadun jiinnitteen ja vinan heilumista. deaalinen suodatin tekisi tasasuuntaajasta saaduta sykkiviistii siihkostii tiiysin tasaista" mutta usein ontlrytyminen pieneenjiinnitteenja virran vaihteluun. Tavallinen tapa tasoittaajiinnitett?i on kfkea tasasuurtaai aan kuomran rinnalle kondensaattori. niintoisessatriytlf'olla0-0,7v:-0,7\/. Sanroinjiinnitel2ihteentoisessapt2issaon-0,7V+12V:ll,3V Koska D4:n ylijziii 0,7V:a, rriin kuormaan saadaan 1,3V-0,7V : 10,6V. Diodien D2 ja D3 yli jiia nyt,3\/:u estosuturtainen jzilnite, joten ne eivdt voijohtaa trillei syottojiiruritteen arvolla. Virla kulkee nyt jiirulitelilteestii diodin D4 lapi kuomraanja sieltiiedelleen D1:n lepijiinniteliihteeseen. Lyhyt aika nollan [ilreisr1'dessd voidaan laskea tassii l,htzildst:i l2vsinart: 1,4V (Koska kahden diodin triltly johtaa). kuormaan saatava jannire saadaan s) ottojiinnite-..1\/ Kuva S i ltatasasuuntaaj an l5ht0j ilnn ite l)iodien kar"rtta krrlkeva virta riippuu suoraar.r kuonnavasflksen:uvosla, joten diodit virtakestoisuuden osalta nritoittaa tapauskohtaisesti. Estosuuntaan diodien tulee kestiiii sy6ft6jfunitteen huippuan'on r,'erran j:!rrritetta ( rniellunnrin vielzi r':ilriin enerntlzir). Naiilld edellzi esitetvilliitasasuuntauskttkemoillii saadaan aikaan sy'kkiviizi tasavirtaataijiinnitetta.'flillaisen jtinnitteenmitlaanrilen 1'leisrnittarilla on hiernanhankalaa, koskaniiytto tuskinehtiiheiluajalkuvasti vailrte leval,izimitteen talrtiin^ Nlitti yleismittari sitten nayfliiii ttillaistajiinnitefia mitattaessa? On oikeasta.ur kaksi vaihtoehtoa; se voi niilltiuijiiruritteen keskian,oa tai jzinnitteen teholliseuvoa riippuen mittarista. (iinnitteen tehollisan'o oll us. nns ala,o. nns : root nrearr squal c) Jdrrnitteen kc-skian,on likirlaiu Jav = 2ln*U;0,637.liirrrritteen tchollisan,o orr likinrain Unus : U rfr/ z: 0,707 Lln rrr i ssii Uu on uri tattavzur j iinni tlecn hui ppuan'o tiissii viilrssii ei mikaiin diodi.johda ja kuormajiinnite on nolla. t'liksi vain likinrain'? Koska uiurii lulokset saataisilr laskemalla k]'seiset jiiruritteiden an,ot ideaalisilla diocleilla (ioita tunnetusti on huonosti saatavilla!). lbdellisilla diodeilla on pieni klrurysjdnnite, nrikzi hieninrr rrruuttaa niiitii tulokia- nrutta talkat ara'ot on saatavissa intesraalilaskeruralla. Up Kuva Kondensaattorisuodatuksen toinrinta Tiillaisessa kytkemtissii kondensaattoria vuoroitr varatazur ja uroroitr pr.uetaan. Kondensaat(orista ei tietenkti2in voi pu'kaasellaista varausta. jota simre ei ensin ole varallu. Vaiklla kondensaattorin varaus- ja pu'kausaika voivat olla tiiysilr eri rnittaisia, niin kuitenkin varausaikara kondensaattoriin ladattu varaus t?i1'tly olla sarna kuin siitii purkausaikana purettu varaus. Muutohhan kondercaattorin jiimrite piftallai aikav?illillii joko kasvaisi tai viihenisi koko ajan. Valatur ja puretur varaulisen mddrd on tapauskohtainen, rnutta riit*iviillii tarkkuudella varsin helposti analysoitavissa. 'fehdiiiin analysointia varlen seuraavat yksirft ertaistulset :. Kondensaattoria puretaan puoliaaltotasasuuntaajassa koko jakson aika. (kzi1'tiinndssd hieman vdhemmdn kuten kuvasta latqy) 2. P wkausvirla vo idaa:r laskea kuonniur hui ppuj iinnittee stii. (kziy'tiirurcisstihiin virta hieman pienenee, kur kondensaattori t1'hjenee) Kondensaattorista pulettu varaus: purkausvirta (l) * purkausaika (-fp) Kondensaattorii:r varattu var-aus: kapisitanssi (C)* 1'li oieva j2irulite (Uh) Niimii kun merkataan ylrtiisuuriksi, saadaan kiiytiirurossii usein riiftdvzin tarkasti piitcvii ),htilo:

15 29 Esim2-l5.Lasketaanhurinajiiruriteoheisessapiirissii,kunvl:l2Vsinrot,f:50H-z, Rl:lkOja C : 100pF Kuormaan saatavanjiimitteen huippuarvo on l2v - 0,7V: 11,3V Nyt kondensaattoria kuonnavastuksen kautta purkavzur virral suuruus on n. 11,3V/lkC = 113mA purkausaika on likimain 20rns eli saadaan ylrtiilo: l,3ma*20ms: l00pf * Uh ratkaistaan Uh=2,26Y, ' iirnii hrkoittaa sitti, ettii vastuksen yli olevajiiruite olisi likimain vdlilli9,05v...11,3v, joten ei t2imiik2idn n ri tiiiin erino nr ai s ta D C -j iinni tettii o l e. 2.ll Zenerdiodi 30 Zenerdiodin rakerureja siilftoiset ominaisuudet ovatkutakuinkin samat kuin tavallisella PN-liitos diodilla. Ero on siin5, ettii zetrerdiodilla on tarkoin mziliritelty liipilyontij?innite, mikii on huomattavasti tavallisel diodin lapilycintijtinnitett?ipienempi. Tlitii zenerdiodin liipilycindjaxiteftii kutsutaan zenerjzimritteeksija se voi suuruudelhan olla luokkaa 2V...30V, kun tavallisella diodilla se voi olla satoja voltteja. TZitii zenerdiodin ominaisuutta voidaan helposti kaltfia hyviiksijiinnitteen rajoittarniseen ja vakavointi in..los vail-rdetaan kondensaattorin tilalle suurempiesinr. 500pF, niin hurinajtimritteeksisaadaan edellei olevari yhtzildn perusteella Uh : 0,45V eli hurinaiiimrite pienenee selviisti. lhan sarnalla lailla voidaan suodattaa rn1 cis kokoaaltotasasuunhajan anlanraa jiirurjtette. Esinr Kuinka suuri kondeusaattori olisi valittava oheiseen kvtkentiiiin,.iotta hurinajiimrite olisi pienenipi kuin lv? r,'l : l2vsinrot, f: 50tlz. Rl = 820Q. K uomraan saatavan j rinnitteen huippuarvon 12V- 1.4V :10,6V Kondensaattori a prukaava vifla on noin 10.6V/820O : 12,9mA Purkausaika on tzissri noin 1Oms (kokoaaltota^sasuurtaus). j oten szndam 1ttiilo: 12.9rnA* loms : C* 1V ratkaistaan C : 129pF. tietl'sti kotidetrsaattorin kapasitanssivoiolla mycis tdtd. an'oa isornpieli C > 129pF! Esirn Joskus trillaisess anal11'sissa voi tulla 1'lliitt?iviA ongelnria. Lasketaan hurinajiiruritteen suunrus 1'llii olcvassa kl,tkemiissii. jos C : 4.7grF. Saadaal yhtiilcj: l2.9ma * l0tns : 4,7irF * Lh; ratkaistazur Ult saadaan Uh: 27,4V? Tzinrdhzin ei voi olla rnairdollista, koska edes sl,cittcij2innite ei saar.'uta titllaisia an oja. lvlarinri hurinajzirurite s1'nt11', kun kondensaattori t1'hienee kytkenniissii kokonazurja tiill6in Uh: 10,6V! Mikiirneni analyysissiin-une metsridn? Vika orr siinil ettii aralyl,simnie toinen liihtokohta oli se, ettii kondensaattoria purkaava vifla siiilyl,aika hy'vin vakiona. Tiinriitapahtuu vain silloin. ku:rhurinajiirurite lg'tkemlissii on pieni (orureksi asia on useilt niiin ). rnutta tisszi esinrerkissii kondernaattori puretaan kutakuinldn tyhjziksi eikii ndnollen purkausvirlaa voi olettaa laiheska:in vakioksi, vaan sehd.n nreuee likipitzien nollaan. Oikearatkaisu yo. tapauksessa saaclaiur 'eoreettisesta s.ilftotelailikasta tr"rtun RC-niirin vhtiilon kaurn: koudeusaattorhjiinnite 10rus:npiilistii Uc : 10,6V( : 0,79\/ "-l0ntv3'85r's1 lrurinajzinrtite olisi Uh: 10.6V - 0,79V:9,8V! (Rc-piirin aikavakio on R*C : 3,85ms) Ei tiistii suurenrpia ongclnria aralr'\'sissa aihc:udu, kurilran r,'aan muistaa p1'siihtf il ntiettinr:ililr kuinka i lir ke vili artah'r'sin tulokseksena saadr.rt an'ot ovat. Muita zenerdiodin piirrosmerkkej zi "lavallisen diodin lapilyontialuetta ei ole helppo kaltaii hl.riiksi. koska diodissa lilnmciksi ntuuttlr'v'a rcho kasvaajo pienilla virta-an oilla tilin suureksi, ettii diocii on vaarana rikkoutua. Zenerdiodissa taas yleensii kiiytetzizin hptiksi juuri sen alhaisla kipill,dntijiiruiitettii (Uz), r'aikka se pziiistcialueella toinrii sunoin kuin tavallinen diodi (eli irynnysjrirnite on n.0,7v) Ts tavallisen diodin 1'li piti jiirjestii?i potentiaaliero nimenomaan nuolen surntraan, mutta zenerdiodissa jurui pdinvastoin. Kuteu ominaiskiirriiski on havaittaviss4 niin llipilyontialueella zer-rerdiodinyli onmilteivzrlciojiinnite. liipinrenevzistii vinzsta riippurrarta. MikAli vinan riippur,uus jiinnitteest?i voidaan jiittiiii huonriotta" rriin likim:iiiriiisesti voidazur tode ta: Zenerdiodin yli olevajiinnite liipilyontialueella on Uz Katsotaau yksinkertaisen esimerkin avulla mita tdstii seuraa: Esinr.2-lS.Lasketaanoheisessapiirissiikulkevatvirrat. U=12V Rl:100Q,R2:l50Q,Uz:5.1V,- '- Zenerdiodin yli on 5,1 V eli o, : 5.1V/l 50Q :34mA o, : (l2v-5,1v)/100o: 69nrA Krchhollln virtalain nruliaan z: 69rnA-3-lnr,A :35nrA Zenerissd liirnmcjksi rnuuttur,'a teho Pz: 5,lV*35rn-A = 178,5nrW Ttillaine n leho ei viel2i riko diodia. ioten kaikki on OK!

16 U tl 'l l'-, f----,,-l -'l ',], l,-,,l T J 3t Jos t?issii esimerkkikytkerurtissii k2iiimretii?in zenerdiodi toisinpiiin, niin tilatlie muuttuu oleellisesti. Esirn2-19. Lasketaan oheisessa k1'tkenniissii kulkevat vinat.u :12V i{1= 100Q, R2=150f),Uz:5,1V Jiimrite zenerdiodin yli on n1t nuolensuurtaan, joten zenerdiodi eiole kipilyontialueell4 vaan pziiistoalueella eli sen yli on n. 0,7V ^,:0,7Vl150f)=4,7mA *, = (l2v-0,7v)ll00o: 1l3rnA Kirchhoffin virtalain (piste ei pullistele viaapiirissii) mukaan z = 3mA-4,7 ma= l08,3nra Zenerissii kuluva teho Pz : 0,7Vx 108,3rnA = 75,8mW KiiydAiin kipi vielii yksi esirnerkki. joka on toisinaar aiheuttanut yilattiivuia piizinvaivaa opiskelijoille. isirn.2-20, Lasketaan oheisessa piirissii kulkevat virat. U = 12V Rl :100f1, R2 =15Q, Uz = 5,1V Potentiaaliero zenerdiodin 1'li on nuolen sulullra vaslaan, joten oletetaan, ettd zener on liipilydntialueclla. Tzilloin Uz:5.1V *, = 5. 1V/ 5() = 340nrA *, = ( l 2V--5, 1 V)/100O : 69mA z: 69mA-340nrA : -27lrrrA?? miten virta voi nyt kulkea nuolen suuntaan. kun oletettiin, etta zener on liipilyontialueella? Ei mitenk[iin! Poter-rtiaalieron zenerin nuolen suuntaa vastaan. nrutta se ei oie tiissii riittavii.n suuri saatlallann 7s11e;i6i liipilyontialueelle, vaan oikea analyysi n)eltee seuraaviuti: Oletetaan, etti zencr on cstoalueella, joten sen kautta ei kulje virtaa! iilloirr 1o, : o, : l2v l(,1 00O+ 15() ) : 10.1,3 rna (zenerin virla z on tiety'sti nolla) Potentiaali vastuksen R2 yliipiiassii on nyt Olunin lain mukaan R2*lR2 : l5o* l04.3nla: 1,56\', joten z.enerj:iruitette ei niitenkiiiin piiiise syntyrniiih vastukscn R2 1,1i. ( vlikiilriin olisi tiissii Pz?) Z E N ] TD O] N O N,NA S KA Y RriNTA Ri(]] V'l P 1 A RKA S 1' E LU rr.ina ci voi jattiie huomiofta sitii tosiasizra, ettd zenerdiodin yli oleva jzinrite muuttuu hieman, krur sen liipi kull<eva virta nruuttuu. Jos t:inrii asia pitzid ottaa huonrioon. niin enrme selviii piirianalll'sistzfutuue aivar niilr liebosti. kur ede llii olemmc esittrineet..l iissii kuvassa ou niiklvissii se, etth zcnerin vaihdellessa "'irran huonrattavasti (r\lz). zcnerin.jdnnite r ailrtelee vain hieruan (AUz). llicnirn otrrirtaisksl r'iiri \ ksillkertaistaen j l---l roidaan olcttaa. ettri virla riippuu jinnittestd 1 tipil)0ntialueella ineaarisesti. Lineaalista riippui'uutta t'irran.ia jlirtnitteen viilillii voi- daan taas kuvata vastuksella Kuva 2-10 Uzo kulrrrake rroitr t - LlJz.tAz z zrrrin Lz lanrin orr rniniurivirta, lrrikii zenerin liipi tiiytyy nrennii, jotta sen yli nruodosturr Uz zna-r on nraxfunivirla, niikii zenerin liipivoi nren-, na, ettei zenerissii liirnlzllla\ rnrjksi kuluva telro riko koluponellttla. Kun niiintarkemamme zenerin laskentamallia, niin pzi?idymme seuraavenn johtopiiiitdkseen: Liipilyontialueella zenerinyli oleva jiinnite Uz:Uzo * r,z Kagotaan muutarnan esimerkin avulla miten t?imti tarkennus muuttaa anaiyysiarnrne. Esim. 2-2l.Lasketaan alla olevassa piirissii kulkevat virrat, kun U :12V Rl : 100O, R2 =150Q Uzo:5,05V jat,:7e). JL Koska potentiaaiiero on zeuerin yli nuolen suuntaa vastaan, niin oletanrme, etlazener on liipill'ontialueella. Ttllioin Uz = Uzo*t,lz. Tiissii on kaksi tunternatonta Uzjalz, joten lis2iii yhtdloi&i kaivataal. Toinen yhtiild voidaan kirjoittaa Kirchhoffur virtalain pemsteella:, l*,:r+*reli(u-uz)att =lz*uz/r2jany'tnreill2ionkaksiyliui- *, loii ja kaksi tuntematonh, joten loppu on "vain" matematiikl<aa. 't Yhtiiloryhmii voidaan ratkaista esirn. sijoittarnalla ensimmiiinen yhtiilo toiseerl jolloin saadaan yhtiilo: [U-(Uzo-+-r.lz)]/Rl =z+ (Uzo+r.z)l?2 ;tziss2i on enziii yksi tuntenraton z ja kun se ratkaistaan yhtlilcistii saadaal z : 32,09nrA Nyt voidaan laskea Uz = 5,05V+7{>*32,09n14 = 5,27V ^r: 5,27Y ll50fi : 35,16mAja lo, : ( 12V-5.27V)l l00f) = 67,25mA Saadut tulokset ovat srihkoteknisestijiirkevia ja saatu diodin toinintapiste ostiu ominaiskiiyriille. joten olemnre t11t1viilsizi itseermne j a pii?itiirm-re analyysimnte tdhdl. Jos yllii ollut esinrerkki toistetaan U:n an'olla 13Y niin trilldin z:41,04nr A jauz:534tt Tiissii niikly zenerdiodin jrinnitetui stabiloiva vaikutlrs, sill2i vaikla sycittcijzirurite trissd nruuttui 8,3l9t. niin kuomran t-{2) yii oleva jiirurite muuttui vain 1,33%o Jos taas l50o:n vastus vaihdetaan aikuperiiisessd esimerkissa (U: l2v) i 20Q:n vastuliseeu, nj in lz-- 24,3nA jauz:5,22v Tiissii taas kuonnaan otettu vilta uiuuttt-ri (35.16mA - 43,5rru\) eh23,joii. rnufla kuorman yli oleva jzimrite muuttui vain -0,95%o. Tiirkeimrn2it sy14 reguloirutin kzil'ttdrinjiinnitelzihteissii ovatjuuri. Ennen regulointia oleva piirin syottdjfuxite saattaa vaihdella (esinr. r'erktrtojlinnilteen vailitelur 2. Kuomraan otettava virta saattaa vaihdella. Kuten edellii olleesta e simerkisgi voitiin havaita niin kytkerniillii zenerdiodi rilnzur kuonrtan kinssa voidaan kuorman yli olevaajzinnitetu vakavoida sekii syottojiimitteen ettd kuomravinan vaihtelun suhteen. Zenerdiodia voiclaan kiivtl.lizi ns. rimakkaisregulaattorina. Esin Mikti on edellisess2i esirnerkissii olleetr zcnerdiodin znax, jos scn teironkest on 0.4W'/ Saadaan yhtald Pz: ljz*lzeli Pz: (Uzo + rrlz\iz ;uiikd on toiseu asteetr 1'lrtiilci, tttutta kun sijoitetaarr Pz: 0,4W ja ratkaistaan z saadaan kaksi ratkaisua r, = -793nrA ja lr.,:72,02na. '? N1.t pitiiisi osata piiiittiizi kumpi saaduista ratkaisuista hyldtadni a kutrpi h1'viiksl4ziiin Koska ra&aisu on iinreinen. jiitiin asian tiiysin ltrldjan mtkaistavatrisi! (ja luotan siihen ettei iluneenrpi2i ongelmiaesiirny)

17 Esinr asketaan kuinka paljon oheisessa kytkenniissii kuorman yli oleva jzirurite vaihtelee, jos JJ s1'drtiijiinnite u: 1lv...l4v ja Rl : 56f), R2 = 82Q, r.= 5f),uzo:6,1v, zmin: 3rnA, Pzmax:0,5W? Kirchhoffin vilralain perusteella saadaan yhttilci : U 0-Uz),lRl:lz+UzJPc toisaalta Uz:Uzo + r z,lz tiissii meillii on yhtiilopari ja kaksi ftuttematonta- i otka voidaan ratkaista. Ktm ylrtiilopari ratkaistaarl saadaan: z = 11,4mA jauz:6,16v kun U: i lv ja z: 58,0mA jauz= 6,39V kun U : l4v nlt on vielii qrytii tarkistaa onko zenerissii kuluvat tehot pienemniii kuin 0.5W! JosU: llvniinpz=6,16v*11,4nra:70,2mwjajosu= l4vniinpz:58rna*6,39v=37huw joten zener kt'il2i kestiiri piirissii tiillii U:n vaihteluviilill[. Kun L vailrtelec vtilillii 1V...14V niiu kuorman yli olevajiimrite vaihtelee vzilillii 6,16V...6,39V. Eli kun s1'otlcrjiiluiite kasr.'aa 27,3o, niin kuorman yli oleva jiimiite kasvaa 3.7% \ 2.12 Rajoitinpiirit Joskus on tarpeen rajoittaajtimite jonkun raja-arvon ala- tai ylzipuolelle tai kahden raja-arvon viiliin. Tailaiset jiinnitteenjohonkin alueeseen rajaavat piirit voidaan toteuttaa diodien ar.lrlla. 14 Kuva 2-3 l. Rajoitin piirien Uo(Ui)-kdyriA. Kohdassa a) jiinnite rajoitetaan tietvn raja-arvon alapuolelle, kohdassa b) taas raja-arvon yl5puolelleja kolrdassa c) kahden raja-arvon vliliin. Yksinkertainen rajoitinpiiri voidaan tehdii vaihltnalla puoliaaltotasasuunlaajassa diodin ja vastukserr paikkaa. Kyseinen piiri rajoittaa piidst^ti lfitevzln jiimitteen 0,7!':n alapuole lle. li,likii olisisiiurin sl,ottciiiimritteen an,o. jokapiiriin voitaisiin kytkeii, ettei zener tuhoutuisi? 'z: Uz! z: (Uzo + t',z)*z sijoitetaan tiihrin Pz : 0,5 \\1ja ralkaistaan r,= 77.lnA,.r: -1,3 A. joista jiilkinunziinen hvkitiirtr ja valitaan lzmax = 77,1ntA, tiilltiin Uz = 6.1 \/ + 5()* 77.1 nra : 6.49V Kuonnavirta olisi tiilld rur,olla R2 = 6,49Vl82f): 79,1mA, jotenvasttrksenltl kipisaisikulkeavirtaalrl:lztnax+lr2:77,lnra+79,lrna=156,2ma Nriiu nraxinri LJ:n an'o olisi Urnax = ll7+ R1*lRl : 6.49V + 560* 156,2mA: 15,2V. Jaava Jannrre diodin ylijaava j Lasketam vielti mikii olisi pienin ja suurin kuonnar''astukscn (R2) arvo, nrikii piiriin voitaisiin }gtkca, jos zrriin : 3 ma tiill6in t.jz: 6,1V + 5Q*3nrA : 6.1 5V zrriax :77,luiA t?illoin Uz = 6,486V KuntJz: 6,115Y niin ^, : (12V-6,115Vy56O: 105,1nrA Kun Uz : 6,486V niin *, = ( l2v-6,486v)/56f) : 98,5nrA Kun Uz:6.1 5V niin lo, : i05.1ma-3ma : 102.1rnA ja R2 = 6, 15V/i 02,1nA : 60f) ((2:r.r nrinimiarvo, koska jos R2 orr tdtzi pienempi. rilin zener ei eniid saa nrinimivirraa). Kuu Uz = 6,486V, niin *, :98,5nrA-77,1mA:21,4mA ja R2 : 6A86V l?l.4ura: 303Q (lu:n rnaximian'o, koskajos R2 on tzifti suu'ernpi, nih zenerli nrarinivirta ylitgy) Kuonlavaslus tulisi yo. kl.tkenniissti valita viililtd 60f)...303O. Kl.tkentii on nvt zurirl1'soitu ristiin rastiin. mutta mikii ilmeinen heikkous esimerkkilq4kenniisslimnte on? K1'lkeruriil ougelura on siinli. ettdjos kuornravastus poistetaat kokonaan, niin z:96.7ma,liz =6,58V eli Pz: (r37rn\\/(klur U =- l2v), nrikzi orr eneurutin kuin valuristaja lupaa esinrerkkinii olleelle zenerillcnlne. Niin ollen kvseiseen k1'tkentiiiin ei ole sy'y1li k1'tkezi srilikiijri ellei sopivaa kuomravastusta ole k)'tkett_r'! lr'1 iten ongenra voitaisiin korj atal) lituvastrrs Rl olisi s\f1a nritoitura r.u"rclclleen (l<okeilepa hiujoituksen vuoksi) Kwa2-32. rajoitinpiiri, joka rajoinaa lahtoliinnitteen 0,7V:n alapuolelle. Jos diodin rinnalle kfiketiiln tilssli piirissd jonirinlainen kuornravastus, niin suurin nrahdollinen kuonnaan saatava jiinnite olisi noin 0,7V riippumatta V 1:n amplitudista. (edelll,ttzien, etta diodi piirissii sailyy ehjana). Jos diodi kti2imretiiiin piiriss2i toisinpliin, saadaan rajoitilpiiri, yliipuolelle. Kaksipuolinen nrikii rajoittaa liilrtevzin jliruritteen -0,7V:n rajoitus voidaan tehdii -vksinhertaisesti esirn. kon'aamalla diodi zenerdiodilla. 0,7v Uz, Kuva Zenerdiodin avulla saadaan lilhtdliinnite rajaffua sekil 1'la- eftii alapuolelta. Raja-arvot vaatt eivill suuruudeltaan ole liihelllikiiiin toisiaan. Kahdella zenerill2i voidaatr toteuttaa s),nrntetrisettrpi rajoitinpiiri.

18 35 Esinr Kahdella zenerdiodilla toteutettu raj oitinpiiri Zl 72 uzr+o'7v lj z2+0,'7v \,alise.ralla tiirrzi' piiriin zenerjiinnitteeitiiiin erilaisia diodeja" saadaan rajoitettua jiinnite eri viilille' tisirn l-aj oitinpiiri, tnissd on siiiidettiivtit raj at' 2.13 Tasolukko r)i'clien a'u'a voidaa. toteu*aa piirejzl joita kutsutaar tasoluiroiksi taidc:n palauttajiksi' Niiiden piirie, tar.koitukse'ao'vai' risiitiirraruttunc-*":"i.'kin signaaliin. itse signaaliamuuttamatta' Tzim.ivoiill"t iu,.*,"a esittt alla olevau kuvan mukaisella piirili[' kondensaattortn diodin 1'li olevaliir 36 Esim Analysoidaan kuvan 2-34 piirin toimino J1 Kur siniliihteenj Zi:liite ylitt?iii diodin kymysjziru'ritteeq niyt TT ;kaa ;ilr ra kulkea j akondensaattori alkaa varautua. Ko nden-,*n"ti "" *sa mitoitettu niin' ett-d se ehtii tiiysin lalautuajo en-,i--,rir.n positiivisen puolijakson aikana' Jiinnite milrin koudeusaattori varautuu on sl"itzlttt""n ttuippuarvo - diodin kpnysjlinnite' Kondensaattori ei pii?ise purkautr'unaan piirissii' koska diodi on purkautumisvirlaan niillden estosuutnassa' Diodin yli j iieviij inuiite voidaan Kirchhoffur jiinniteiain rnukaan.laskea Ud : -Uc + U(v 1)' -Ensimrnziinen positiivinen puolij akso on hieman erilainen kuin muut. koska alulisi kondeusaattori on tyhjii, mutta jatkossa koko ajan.tivsin varauturlut. Koska U(v 1 ) on sinimuotonell J a Uc orr DC-jZinnite, niilr diodin yli oleva jiimrite sisiiitiiii sekii D C - ettii AC-kornponeuti u' AC-komponentin huippun'o on sinilzi1rteeu. huippuarvo ja DC-komponeutti otl salila Kulll koriciensaattoriiu varautunut j ilurite' Jos sin*iilrteere an.etaan arvot,.iin Ud voidaa' laskea tri*oin luiiuarr,'oilla' oletetaa'esi'rerkiksi' ettii v1 : gvsinot ja piirin diodi on piidiocli. ratoin saaoaa'cliodi'.yri alla ore'a'r kuvan muriai'e' jzi'rurite' 0.7v Ud kuncot=5" l.diodiei aluksijohcla'muttaalkaajohtunaankun8vsintot=0'7veli 2. Diodi lakkaa johtamasta"'kun 8Vsin<ot = 8V eli kun ot = 90" Q1)r pelkkii Uc si'oin' kun svsintot = 0 eli kun tot = l80o 1 ;fi'*;i;;:;;';"" Uc:8\/-0,7V = 7,3V -7,3V - 15,3V Kuva2.].1'Esinrerkkipiiristii.nlikiilisiitisiniliilrteenjiinriifteeseennegatiivisenDC.tasonjaniiinollerrlukitsee diodin y'li olevan jiinuitteen ntiltei kokonaatl nollan alapuolelle' Kuva2-35.E'sirnerkkiniiolleentasolukonliilrtcljlinrrite'kunoletettiin,ett:ivl:8Vsitlolt.

19 37 DC-konrponentin suuruutta voidaan muutell4 ktm lisiitiiiin piid in jiinniteliihde. Esinr Piiri, misszi DC-komponentin suuruutle voidaan vaihdella. f,l Jo"''" lahtdjannite 2.14 Muita diodipiirej a HUPPUARVOLMASN r\{ 38 Pi iri on samankalta i nen kuin nomraal i puol iaal totasasuurtauspiiri, mutta kaftotarkoitus on hieman toinen. Jos ajatellaaq ett?i tulosignaali u on arnplitudirnoduloitu sipaali, rriin viereisen kuvan rnukaisella piirillii saadazur sopivasti nritoit_ tamal a verhokrilrri sel vi le. Jos esirrrerkiksivl =6Vsinotjav2= 3V,niint-illoinpiiritoirniiallaolevankuvzurmukaisesti. vastuksen yli oleva jiinnite Kuva AM-moduloidun signaalin paljastarn inen Kuva 2-i6. 1o. piirin s)'dttdjannite, lahtdjannite kondensaattorin jannite ajan fur*tiona. Ktut v 1 on aluksi 0, niin j iiruriteliihde r,2 lataa kondensaatlorin C diodin D kautta jzimifteeseen, mik;i voidaat laskea; 3V - 0,7V :2,3Y. Kun kondensaaltorion ladaffu. niin diodidi lakkaajohtamasta. v :tr iulo alkaa ny't nousta kohti huippuarvoa 6V (positiivinen puolijaliso) ja pitiiii niiinollen diodin estostttuttaiseua koko positiivisen puolijalison ajan. N'lutta kun tulee negatiivinen puolijakso ja vl alkaa laskea alle ttollat. niin viilittonrdsti r-nence dioditaas my,dt?isuurtaal ja kondensaattori alkaa varautua kohti an'oa 3V - 0,7V - (-6V) : 8,3\/. Tatuntur jalkeen diodi ei eniiii koskaan johda piirissti, koska tuissii koudensaattoria ei pu'eta rniilil)kziiin. Kirchhoflin jiinnitelain nrukaan lailrtojrinnite or Ukou,r.n,uo,ro,i-F U,r :8,3V * 6Vsinolt. )C-kontponeutiu surruutta voidaan tiisszi suoraan uruuttaa muuttarnalla j?iruriteldhteen v2 antamaa llitriltettri. JANNTTEEN KA}DENTAJ A,7V Jfu uritteeu kahdentaj a koostuu kiihdesta osasta: 1. Truol ukiio, nrikii si inaa j :iru"ritteen V nollar ala- tai yliiplrolelle 2.Puoliaaltotasasuuntaaja suodatuskondensaattori lla" nr ikzi latlataan nyt kaksinkertaiscen huippuarvooll. Kottdensaattorin yli oleva potentiaaliero utuodostuu siten, ettd korkeampi potentiaali on kondensaattorin oikerut pttoleisessa tla\rassa. (koska diodi laskee piirissti viflaa vain nuolen suunkan). Jos diodi kiiiipnetzi:in piirissii, niin potentiaaliero kondensaattorin navoissa tulee olemaan r-nycis toisinptiinja suuruudeltarur crilailrcn. pisteenolannite Jos taas piirissii kii;hnetii:in pelkiist;ian jauritelilhde (diodi on ku.n,anrukaisesti), niin eclclleen korke4rpi potentiaali tulee konde ttsaattorin oikean puoleiseen napaan. niufta potentiaalierosta kondernaattorin nin'oissir ttrlee tie t1'sti pieuernpi kuin kuvzur 2-36 esinrerkisszi. Kuva Kuvassa olevan jannitteen kalrdentajan toinrinta, jos vl = l0vsinort. Sarrialla periaatteella voidaan sumnlata kondensaattoriin C? saatu DC-jiinnite ( l8,irv) edelleen AC-jiimitteeseen ja kun niiin jatketaan saadaan jiinnite nroninkertaistcttua.

20 Luku 3 Vahvistirnet 3. 1 YleistZi 39 Jonkinlaista signaalin vahvistanista tapaa nrilteijokaisessa elektroniikkalaitteessa enerrrmiin tai villemrtrdn. Ouneksi signaalin vahvistarninen on yksi helpoinunin l,mmzinettiivissii oleva toimenpide, mikii y- leensii signaalille tiiyly sit?i kiisiteltiiessii tehdii. Ennenkuin menenrme yksityiskohtaisiin vahvistinlg.tkenttiiliil. njfur tutkimtne vahvistilla lolftokaaviona. Vahvistinta voidaan esittiiri esirn. seuraavanlaisella slnrtrcolilla i, i 40 Vahvistimen hydtysuhdei tietenkiiiin ole yli 00%, muutenhan ikiliikkqja ei olisi mikiiiin ongelnra- Se, ettii vahvistimen liilttcinavoista saadaan suurempi teho kuin mikb hrlonapoihin sydtetiiiirl on juuri vahvistimelletyypillis&i(seonvahvistimenjamuturtajanselkeiiero),muttahydtysuhdeeisiltioleyli 100%, sillzi vahvistin ottaa tarvitsemansa tehon tavallisimmin DC-l2ilrteestii. Se, ettzi vahvistin tarvisee teholiihteen, on niin itsest?iiin selv2iii, ettei sitzi liihesk2iiin aina lohkokaaviomalliin piirretii. Jos halutaan liituiii teholzihde mukaan vahvistimen symbooliin, niin piiiist?iiin ao. kuvan mukaiseen tilanteeseen. tuloportti lzihtiiportti Kuva 3- l. Vahvistinren lohkokaavio \/aln'istinta voidiuut kuvata symboolillq-iossa on trrloportti..iohon vahvistettava signaali sl,otetiiiin, sekii liilitoportti, josta sama signaalisaadaan ulos vall.'istettr"ura. Vahvistimen ominaisuuksia kuvatamerilaisil- a pzu'iunetre i lzi, j oista tlirkeimpizi ovat : Jiinnitevahr,istLrs Au: uu/t-t Vidavahvisfus Ai: i,,/i 'l ehovahvistus Ap : P"/P, (Lzihtojzinnitteenjatulojiimritteen su.hde) (L:ihtovirran ja tulovirran suhdc-) (L:ilrtdtehon ja tulotehon suhde) [,lsein nijnii szunat parzutretrit ilnroitetiuu nr1'ds desibelein5, jolloin ne saadaan: Au,un,:20logAu Ai,or,:2OlogAi Ap,oo,= lologap Esinr 3-1. 'l'icdetririn, ett:i valn,istitneen s5'6teteiiin jziruritettii tt. : lortrvsincot ja virtaa i : l5pasinort ia r alx'istintesta saaclaan jiinnitettti u,, = 4-5mVsincrrt ja virtaa i^ = 3ni,Asinart. Lasketaan Au, Ai ja Ap. desitrr:leinri A,,,u,,,- 20log 4,5 :l3,1db Au : Ltn/u : 45nrVsincoVl0mVsincot : 4,5Vn/ r\i : i"/i :3nrAsinr-'tt/l5pAsinort = 200A/A tuloteho Pi : ( 10mV/V-f * { t SUrt'-) : 75nW liihttiteho Po = (.15rtrVn? * (3nrA/\D) = 67,5p\\/ Ap = 'o/pi :900\1'l\\' Ai,.ro, - 20log 200 =.t6dll Ap,nu, : l0log900 : 29,5d8 l'iiss:i yairvistilnen liihtcinavoista saadaan suurempi teho kuin nritii tulonapaan syotetiiiin, otrko valn'istitnen ln otl,suhdc siis li 100o/o? Kuva 3-2. Vahvistimen symbooliin on piirretty sen tarvitsema teholiihde. Esim 3-2. Olkoon tulo ja liihtcj suureet samat kuin esinrerkissii 3-1, mutta tiedetzizin sen lisiiksi, ettii!+ : + 15V, U- : - 15V i**,r : t OpA ja i-*nor = l 0prA. Lasketazut vahvistintcn hycitysuhcle. tuloteho Pioli 75nW ja l2ihtciteho Po oli 67.5pW tehokihteestzi otetaan P.*rn : 5V* lopa + 15V* 1OpA : 300pr\\' hy'otvsuhde q = (67,51tW)/( 75 nw+3 00prW) : 22,5"/o Energian hiivitimiitlcjntryden lain mukaan loput teholiihteesta otetusta tcliosta on jotc-nkin kiiytcttv. r,aikkei sitii vahvistimesta ulos saatukaarr. Tiim2i loppu energia hukatazur llinlndksi. ioten valn'istinren iliii.hdr,- fykseen voidaan joutua ka)'t:irnossa kiimituima:in huouriola. Edellzi on pultuftu vahvistitnen toinrintaa kuva,avista paranretleistii(au, Ai ja Ap), ntutta vielii h1,vin keskeinen vahvistimelta vaadittava ominaisuus on kokonam kiisittelenrzittii. Niltitt?iin jos joku sigrraali (nrikii tahansa) halutazur valtvistaa, niin liltdijstii halutaan juuri se sar.ra sigraali (szural rluotoisena), urutta vtilrvistettuna. Kiil4iimossd timiitarkoittaa sitii" ettii liihtosignaali taytly saadaa tlrlosigraalista kertornalla se jollain lumlla. Eli liihdcin tiiltyl'olla muotoa: Jos tulosigraalin arnplihrdi halutaan kaksinkertaistaa niin tiilloin k-2. jos kolminkeflaista;q niin k:1... f'illaista riippuvuutta kahden sigliaalin vzililki kutsutaar lineaariseki riippur.'uucleksi. Jos oruristrullre lckemii?fur vahvistintesta lineaarisen, niin tulosigrraali ei vii?iristy nreidiin vahvistirnessanlne, nrutla j<-rs va.hvistfulenme on epdlineaalinen, niin kaikki siilren s1'otet1't signa;rlit viiiiristyviit. lbhkii^iinune siis vall,'istimesta aina tdysin lineaarinen! lvalitettavasti tiinrzi on paljon helponrnrin siuotlu kuin telrty.)