slides wk2

2. Diodeschakelingen 

• 8. Combinatie clamper + topgelijkrichter: spanningsverdubbelaar 

Clamper: output = Vin, 

DC niveau Vinpeak (door opladen C1) 

+ topgelijkrichter: output = Vout peak clamper (met Vripple) 


+ 

- 

Clamper circuit: 

• V c1 : opladen C1 tot Vin,peak 

• Vanaf punt t =1 staat D1 in sper 

=> V d1 = V in + V c1 

t=1 

v in 

v D1 

+ 

- 

1 

2 

1


+ 

- 

Spanningsverdubbeling: 

• output clamping circuit 

VD1 = Vc1 + vin • na gelijkrichting met capacitief filter: 

Vo = peakwaarde (Vc1 +Vin ) 

= 2Vin,p . e-t/ζ D1 in sper 

vD1 2. Diodeschakelingen 

• 9. Catching diodes 

D2 sper 

v in 

v C1 

v C2 

• Doel: V out begrenzen binnen V upper limit en V lower limit 

• werking: Vout > V upper limit => D1 forward biased 

=> Vout = V upper limit 

V out < V lower limit 

=> D2 forward biased 

=> Vout = V lower limit 

V p 

2V p 

2V p 

V p 

3 

4 

2

3. Zener diode 

3.1 Zener diode 

• = Si diode, specifiek bestemd voor gebruik in doorslaggebied: 

zal in sperrichting geleiden van zodra de doorslagspanning Vz wordt aangelegd. 

• Kenmerken: 

• Scherpe knik in Vd /Id karakteristiek bij doorslag 

• In doorslaggebied: Vd /Id karakteristiek zo steil mogelijk verloop 

• Gebruik in doorslaggebied, maar met gecontroleerde begrensde stroom 

• geen defect bij doorslag 

• In doorslaggebied: ongeacht stroom I z door zenerdiode blijft V z quasi constant 

Vz 


V z 

I 

V 

Ideale karakteristiek Reële karakteristiek 

• Mechanisme / werking: 

• in sper gebiased: bij doorslag worden de elektronen uit de covalente bindingen 

losgetrokken 

=> geleiding (zenereffect) tgv lawine effect 

I 

• Lawine effect: elektronen door inverse polarisatie uit binding getrokken 

=> versnelde beweging doorheen moleculaire structuur, 

naar positieve lading op kathodepool 

=> onderweg collision met andere elektronen 

=> energie om eveneens uit binding te breken 

Gevolg: 

vanaf sperspanning voldoende is om enkele vrije elektronen te 

V 

genereren, zullen meteen een groter aantal elektronen vrij worden 

gemaakt 

=> knik in diode karakteristiek wordt vrij scherp 

en knik wordt scherper naarmate de doperingsgraad hoger ligt 

• Naast lawine effect eveneens tunnel effect ! (ref: quantummechanica) 

I 

• Spanning nodig tot doorslaggebied ligt lager bij zenerdiodes 

reden: hebben hogere doperingsgraad 

Vz • Junctietemperatuur: Hoe hoger, hoe meer generatie van vrije elektronen 

=> nodige sperspanning ligt lager 

5 

6 

V 

3


Bruikbaar 

doorslaggebied 

• Schematische voorstelling: 

A (p-gebied) K (n-gebied) 

- + => sper 

• Karakteristieke waarden: 

V z 

I 

V 

Izt : stroom bij welke Vz bepaald werd in datasheet 

I zm : maximale zenerstroom 

• zener diode: wegens tunneleffect is doorslag repetitief uitvoerbaar 


• Zener dynamische weerstand 

Vz 

I 

V 

Izt : stroom bij welke Vz bepaald werd in datasheet 

I zm : maximale zenerstroom 

I zt 

Izm Helling = weergave dynamische weerstand zener diode 

= ∆v/∆i 

= RZ Best kleine waarden 

reden: Vz stabieler bij variërende Iz 7 

8 

4


Vz 

• Reële karakteristiek zenerdiode 


Iz 

Izm 

3.2 Zenerdiode als spanningsstabilisator 

• Veronderstel ideale karakteristiek 

(met Vz constant in doorslaggebied) 

• doel: 

I = I s . (e Vd / Vt –1 ) 

Sper: (kleine) sperstroom I s 

Knee voltage: overgang van sper 

naar doorslag 

Doorslag: Vz blijft quasi constant 

Pmax: vermogen over zenerdiode 

bereikt maximale waarde 

Line/voltage regulation: 

leveren van stabiele outputspanning bij variërende inputspanning 

Vb: output na gelijkrichting met capacitief filter (minimaliseren Vripple ) 

Opvangen netfluctuaties 

∆Vout / ∆ Vin Load regulation: leveren van stabiele outputspanning bij variërende belasting R L 

∆V out / ∆ I L 

Vz 

I 

V 

9 

10 

5



• Stel volgend onbelast circuit: 

• Onafhankelijk van IS door zenerdiode zal Vz constant blijven, 

Voorwaarde: zenerdiode in doorslaggebied 

Voorwaarde tot doorslag: Vsvoldoende groot 

• Rs zorgt voor stroombegrenzing 

Vermijdt het bereiken van IS ≥ Izm (maximaal vermogen zener overschreden) 

• Mogelijke situaties: 

Stel Vs < Vz ⇒ IS = 0 (zenerdiode als ‘open schakelaar’) 

Stel Vs > Vz => Is ≠ 0 (door V over Rs ) … 

=> I s = V s - V z met I s = I z 

R s 

I S 

• Bovenstaande circuit kan (in doorslaggebied zener) vergeleken worden met: 

I s = I z 

I s 

I z 

Onafh van I s 

V z 

I 

I zt 

I zm 

I z 

V 

11 

12 

6



• Belastingslijn: 

+ VRs - 

Bepaling verhouding I Z tov V Z 

V s = ( R s . I s ) + V z (met I z = I s ) 

m.a.w. V z = V s –R s . I z 

= vergelijking rechte voor verhouding V z en I z 

2 punten op belastingslijn: 

• stel Iz = 0 => Vz = Vs (geen VRs gezien I = 0) 

• stel Vz = 0 => Iz = Vs /Rs (geen spanningsval over zener) 

2 punten op belastingslijn: 

• stel Iz = 0 => Vz = Vs ( VRs = 0 gezien I = 0, en zener reverse biased) 

• stel Vz = 0 => Iz = Vs /Rs (geen spanningsval over zener) 

V s 

Q 

V z 

I z 

V s / R s 

Toevoeging karakteristiek zenerdiode levert werkpunt Q 

opm: spanningsvariaties op V s komen volledig over R s , V Z blijft (quasi) c t 

V z 

13 

14 

7



Opmerking bij belastingslijn: 

Invloed dynamische weerstand RZ : 

stel Vs varieert tussen Vs1 en Vs2 (met Vs1 < Vs2 ) 

Gevolg: 

verschuiving belastingslijn 

van naar 

Vz1 en Vz2 Gevolg: 

Kleine variatie op Vz ! 

∆Vz = Vz1 –Vz2 = I Z . R Z 

Line regulation: ∆V z / ∆V s 

V s2 

• Zener stabilisator met belasting => invloed op I Z 

V s1 

V s1 / R s 

V s2 / R s 

VL = RL Rs + RL . Vs (veronderstel Rz = relatief verwaarlb) 

Gevolg: Is = Vs - 

Rs VL (met VL = Vz ) 

en: IL = VL / RL = Vz / RL (idem) 

I s = I L + I z 

=> I z = I s –I L 

I z = V s –V z - V z 

R s 

Gevolg belasting: invloed op I z 

R L 

15 

16 

8



• Zener stabilisator met belasting => invloed op I Z 

Doel: Load regulation 

Werking zener garanderen bij wijziging R L 

m.a.w. I Z moet voldoen aan I zt 

=> via bepaling R s 

• Bepaling R s opdat zener a) in doorslag (I z > I Zt ) en b) niet overbelast (I Z 

I z,m 

• Minimale en maximale waarden voor R S 

• Rs,min : Stel a) onbelast circuit (RL = ∞, is worst case voor bepaling Rs,min ) 

b) Vs > Vz (zener in doorslag) 

dan: IL = 0 

=> Iz = Is = Vs -Vz moet < Izm ! 

Rs dus: resulteert in een minimale waarde voor Rs , 

gezien anders Pmax zener overschreden 

dus: R s,min = V s –V z 

I zm 

17 

18 

9



10V 

13V 

• Rs,max : Stel RLzeer klein, zodat IL maximale waarde krijgt 

gezien: Iz = Is –IL Iz kan zodanig klein worden, 

waardoor niet meer in doorslaggebied, 

waardoor niet meer voldaan aan Vz = constant bij 

variërende Iz • Voorbeeld: 

Stel: Vs = [10V,13V] 

RL = 2K5 

Gewenst: Vo = 7V 

Bepaal Rs voor geschikte zener 

gevolg: opdat zenerstabilisatie correct werkt 

moet voldaan zijn aan: 

I s > I zt + I Lmaximaal 

V s - V z > I Lmaximaal + I zt 

R s 

Rs,max = (Vs –Vz ) 

ILmaximaal + Izt Uitwerking: 

• Keuze zener: Vz = 7V (opm: geen geschikte zener? Evt via transistorschakeling) 

stel in datasheet zener: Pmax = 225mW => Izm = 32mA 

Izt = 3mA 

• I door RL : 

7V/2K5 = 2,8mA 

• Rs,max = (Vs –Vz ) / (ILmaximaal + Izt ) (hier ILmaximaal = 2,8mA) 

= 517Ω 

⇒Rs moet < 517 Ω 

• Stel onbelast circuit (Rs moet stroom Iz begrenzen tot Izm maximaal) 

Rs,min = (Vs –Vz ) / Izm = 188Ω 

=> Rs moet > 188Ω 

19 

20 

10



• Voorbeeld line/voltage regulation via simulatie: 

Vz (= V2) [mV] 

Vz = +- 0,5V 

Grafiek toont kleine variaties op Vz 

(Tgv dynamische weerstand) 

• Voorbeeld zener diode clamping: 

Stel Vin = +- 12V 

=> Vout = +- (VZ + VD ) 

(Reëel) 

(ideaal) 

V D,2 + V Z,1 

V D,1 + V Z,2 

V1 

21 

[V] 

22 

11

4. Andere diode types 

4.1 LED 

• Light emitting diode 

• Bij voldoende I in doorlaatrichting 

=> omzetting elektrische energie naar EM energie 

(zichtbaar spectrum tot IR) 

• doperingsgraad en gebruikte Do+ en Ac- bepalen golflengte (dus kleur) 

4.2 FOTODIODE 

• Geleiding bij voldoende hoge intensiteit invallend licht (frequentiespecifiek) 

•Combinatie van beiden: optocoupler 

doel: galvanisch gescheiden verbinding mogelijk 

vb: bedieningspaneel op lage spanning houden 

vb2: detectie van voorbijkomende objecten 


4.3 SCHOTTKY diode 

• Metaal-halfgeleider contact ipv halfgeleider-halfgeleider 

• Eigenschap: 

• lage reverse recovery time = zeer lage schakeltijd tussen conducting en 

non-conducting 

Si diode: 100 ns 

Schottky: 100 ps 

• lage potentiaal barriere Si diode: 0,7V 

Schottky: vanaf 0,15V 

Gevolg: lagere spanningsval => hoger rendement (lagere warmte dissipatie) 

• Nadeel: 

• beperkte reverse bias voltage 

23 

24 

12


• Schottky diode: 

5. BJT Transistoren 

Bipolaire junctietransistoren 

25 

26 

13


5.1 Bipolaire junctietransistoren 

• Halfgeleidermateriaal met 2 juncties tussen emitter, basis en collector 

• 2 soorten: pnp en npn 

• Unbiased: te vergelijken met samenvoeging 2 diodes (vb npn): 


• Opbouw en dopering 

Opm: waarom transistor nodig en niet 2 diodes gebruiken? 

B-gebied is essentieel voor goede werking van BJT 

[ ] 

Do+e- 

Ac-h+ 

Do+e- 

Kenmerken BJT: 

• Doperingsgraad: [E] > [B] > [C] 

• Smal B gebied (Jbc en Jbe relatief dicht bij elkaar): grootte orde μm 

• BJT is niet symmetrisch (E en C zomaar niet omwisselbaar) 

x 

27 

28 

14


Smal 

wegens 

hoge [E] 

• Elektrostatische potentiaal (unbiased npn) 

Q(x) 

E= ∫Q/ε si .dx 

Φ= -∫E.dx 


+q.N E 

0,7V 

-q.N B 

• Werkingsprincipe bij biased transistor 

Benamingen: 

+ 

- 

- 

-q.N B 

+ 

0,7V 

+q.N C 

E max = Q junctie /ε si 

x 

Materiaal C gebied diep 

genoeg, gezien nodige 

ruimte voor RLL op Jbc 

Biased transistor in voorwaarts-actieve polarisatie: Jbe in doorlaat (Vbe ≈ 0,7V) 

Jbc in sper ( Vb < Vc ) 

V be 

Vbc 

+ 

+ 

Vbe 

- 

- 

V bc 

+ 

- 

Vce 

29 

30 

15


• Werkingsprincipe bij biased transistor 

Voorwaarts-actieve polarisatie: 

Jbe in doorlaat (Vbe ≈ 0,7V ) 

Jbc in sper ( Vb < Vc ) 

Jbe voorwaarts gepolariseerd 

=> afbouw van interne potentiaal barrière (0,7 V elektrisch terugroepveld) 

=> injectie meerderheidsladingsdragers (elektronen) van E -> B 

=> worden minderheidsladingsdragers in B (aan rand Jbe ) 

gezien [E] > [B]: 

=> verhouding injectie e - van E -> B > aantal beschikbare h + in B 

Jbc invers gepolariseerd (sper) 

=> positieve pool op collectorzijde 

=> elektrisch terugroepveld betekent kracht op e- in B 

(minderheidsladingsdragers B worden naar C getrokken) 

=> [e- ] in B daalt onder evenwichtswaarde n0 thv Jbc => ontstaan van een diffusiekracht op de e- in B gebied door 

concentratiegradient in B 

=> IC 5. BJT Transistoren 

Klein aandeel e- krijgt kans tot recombineren in B: 

=> als valentie elektronen een weg vinden naar +’e B-pool 

=> IB Opmerking: PNP transistor: h + als meerderheidsladingsdragers 

31 

32 

16


• Elektrostatische potentiaal (voorwaarts actieve polarisatie npn) 

Φ= -∫E.dx 

Vbe 


Vbc 

• Door Vbe => potentiaal barrière verlaagt 

• Door Vbc => aantrekking minderheidsladingsdragers uit B 

5.2 Transistor mathematisch model 

• I e = I b + I c 

• bij B dun gebied en lage doperingsgraad tov E: 

Ie ≈ Ic • verhouding Ie en Ic : 

α = Ic / Ie = deel e - dat door B naar C wordt getrokken 

• Ic = Is . (e Vbe/Vt -1 ) 

Bij VBE ≠ 0V en VBC ≤ 0V 

te vergelijken met spanningsgestuurde stroombron 

• I b = I s / β . (e Vbe/Vt -1 ) 

• Stroomversterking: 

β = waarde die verhouding weergeeft tussen Ib en Ic => I c = β.I b 

met: β ~ N e / N b 

~ 1 / (breedte B gebied) 

Notatie h-parameters: β = h fe 

opm: β = α / ( 1 – α ) 

33 

34 

17


• Vereenvoudigd statisch (DC) Ebers-moll model in voorwaarts actief gepolariseerd gebied 

Vbe aanleggen BJT wordt beschouwd zelfde principe 

⇒ Ie door forward bias Jbe als I-gestuurde I-bron verschil is hier Ib door 

⇒ “stroombron” α.Ie in functie van Ib junctie, bij vorige 

model β.Ib Verschil 2 vormen: Jbe wordt in model 2 opgenomen aan E kant 

bij model 3 (π-model) opgenomen aan B kant 


5.3 CE (common Emitter) configuratie van een BJT 

Rb bepaalt Ib , Ib bepaalt Ic (via βdc , i.e. hFE ) 

=> kleine stroom Ib bepaalt grote stroom Ic B en C leggen potentiaal op tov E 

E aan GND 

35 

36 

18


• Stroomverlopen en karakteristieken bij CE 

• A) Basiscurve (karakteristiek van de BE-junctie) 

• Jbe vertoont gedrag zoals diode in forward bias 

⇒ zelfde karakteristiek 

• Ib = Vbb - Vbe (met Vbe = 0,7V) 

Rb • Vorm basiskarakteristiek: zoals diode 

I b 

V BB /R B 


Ingangskarakteristiek 

V BB 

V be 

• = ingangskarakteristiek van BJT 

• Karakteristiek bepaald voor constante V ce 

⇒ Bij wijziging V ce wijzigt deze karakteristiek 

I b (uA) 

V ce 

Ladingsdragers worden meer aangetrokken 

door hoge potentiaal thv Collector 

⇒ Bij behoud van VBE zorgt toename VCE voor 

relatieve afname IB Vanaf Vbe = +- 0,7V laat BE-junctie 

bepaalde Ib toe. 

Ib wordt uiteindelijk berekenbaar via Rb V be 

37 

38 

19


• B) Collector- of uitgangskarakteristiek 


I c 

I c 

• Stel I b constant, hoe gedraagt I c zich tov V ce ? 

• Stel we leggen bepaalde Ib aan. 

Nu: variatie van Vcc Doel hiervan: wijzigen van Vce Hoe wijzigt Ic ? 

• Vce = 0 => Jbc = niet meer sper maar forward! 

+ B C - 

I c 

= SATURATIE gebied 

e- worden niet meer naar C getrokken 

=> Ic = 0 

• Vce neemt toe vanaf 0V 

=> e- worden meer en meer aangetrokken naar C 

=> Ic stijgt bij toenemende Vce SATURATIE 

V ce 

V ce 

β sat < dan bij actief => I B groter dan bij actief 

• Bij bepaalde waarde voor I c blijft I c constant voor hogere waarden voor V ce 

I c = β.I b 

reden: C ontvangt enkel e- die uit B afkomstig zijn (= “begrenzing” van Ic ) 

aantal e- die uit E naar B worden gestuurd is afhankelijk van basiscircuit 

namelijk: Ic = Is (e Vbe/Vt -1 ) en Vbe blijft constante 

= ACTIEF gebied 

V ce 

39 

40 

20


I c = β.I b 

• Vce stijgt verder totdat breakdown over junctie BC optreedt (zie reverse bias diode) 

=> transistorwerking gaat verloren 

• Variatie in I b : 


Ic 

Vce 

Breakdown 

Actief 

Verzadiging / saturatie 

• Early effect 

Uitgangskarakteristiek Ic –Vce loopt eigenlijk niet vlak, maar onder helling 

Reden: 

• Stel Vce neemt toe en Vbe blijft constant => Vbc neemt toe 

=> Jbc zal nog méér in sper gebracht worden 

=> ontruimingslaag tussen B en C wordt breder 

en breedte B gebied wordt smaller 

=> gevolg: hierdoor wijzigt de interne weerstand in de BJT, 

en neemt de breedte van het neutrale gebied in de B-zone af 

waardoor bij Vbc toename ook Ic licht zal toenemen 

gezien e- lagere kans hebben tot recombinatie in B 

41 

42 

21


• Early effect (vervolg) 

Bijkomend: Hoe hoger Ic ligt, hoe steiler de karakteristiek toeneemt 

h oe 

Al deze karakteristieken snijden de Vce-as in hetzelfde punt 

= de early spanning VA = ∆I c / ∆V ce 


= de helling van deze karakteristiek 

• C) Transfertkarakteristiek 

• Geeft verloop van I c aan in functie van I b bij bepaalde V ce 

Komt er maw op neer β weer te geven 

Reden? 

β wijzigt (lichtjes) in functie van Vce -> zie ook early effect!! 

In welke mate? 

Vce neemt toe 

=> JBC verder in sper 

en meer e- door B 

=> invloed op Ic I b (uA) 

V ce 

I c (mA) 

43 

44 

22


• D) Totaal: 

• Zowel ingangskarakteristiek, uitgangskarakteristiek als transfertfunctie op één grafiek 

gebracht levert: 

Ib (uA) 


5.4 Maximaal vermogen 

Transfertfunctie 

Vce 

Ingangskarakteristiek 

Vbe 

Vce . Ic vertegenwoordigt vermogen (Pt) 

⇒ Gaat gepaard met warmtedissipatie in BJT 

⇒ mag bepaalde maximale waarde bedragen 

opm: Pmax,peak > Pmax,continu Uitgangskarakteristiek 

I B 

Reactie 

karakteristiek 

45 

46 

23


5.5 Variaties op β: 

• β wordt gespecificeerd binnen een interval 

vb: spreiding 3:1 is mogelijk 

• spreiding ∆β afhankelijk van: - Ic 

- Temperatuur van de junctie 

- Tijd en gebruiksintensiteit 

• Rekening houden met variaties op β bij circuits die hieraan gevoelig zijn 

Vb: - bij schakelingen die op grote schaal worden geproduceerd 

- vervanging van BJT in een circuit 

Sommige configuraties van BJT’s zijn geschikt opdat ze immuun zijn tov ∆β 


5.6 Belastingslijn (loadline) 

47 

48 

24

slides wk2

Create successful ePaper yourself

Delete template?

Save as template?