Lecture (06) Special Purpose diodes...

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By:

Dr. Ahmed ElShafee

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2018, Electronic Circuits I1

Lecture (06)Special Purpose 

diodes II

Agenda

• Zener Diode Applications

• Voltage regulators

• Optical diodes

• Optical diodes applications

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 20178, Electronic Circuits2

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Temperature Coefficient

• specifies the percent change in zener voltage for each degree Celsius change in temperature

• example, a 12 V zener diode with a positive temperature coefficient  (+0.01%/0c) of will exhibit a 1.2 mV increase in VZ

when the junction temperature increases one degree Celsius.

• VZ is the nominal zener voltage at the reference temperature of 250C

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• A positive TC means that the zener voltage increases with an increase in temperature or decreases with a decrease in temperature. 

• A negative TC means that the zener voltage decreases with an increase in temperature or increases with a decrease in temperature

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• In some cases, the temperature coefficient is expressed in V/0C rather than as %V/0C

• For these cases, ΔVZ is calculated as mV/°C 

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Example 02

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Example 02

Solution

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Zener Power Dissipation 

• Zener diodes are specified to operate at a maximum power called the maximum dc power dissipation, PD(max).

• 1N746 zener is rated at a PD(max) of 500 mW and

• 1N3305A is rated at a PD(max) of 50 W.

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Power Derating

• The maximum power dissipation of a zener diode is typically specified for temperatures at or below a certain value ( for example). 

• Above the specified temperature, the maximum power dissipation is reduced according to a derating factor. 

• The derating factor is expressed in mW/0C

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Example 03

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Example 03

Solution

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Example 04

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Example 04

Solution

@50

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Example 04

Solution

@25

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Zener Diode Applications

• Zener diode regulators can provide a reasonably constant dc level at the output, but they are not particularly efficient. 

• For this reason, they are limited to applications that require only low current to the load.

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• as VIN changes, IZ will change proportionally so that the limitations on the input voltage variation are set by the minimum and maximum current values (IZK and IZM) with which the zener can operate.

• ideal model of the 1N4740A zener diode IZK = 0.25 mAmp (no‐load current)

• Maximum current IZM

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Example 01

• Determine the minimum and the maximum input voltages that can be regulated by the zener diode in Figure

• for the 1N4733A: VZ 5.1 V

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Example 05

• for the 1N4733A: VZ 5.1 V

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Example

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Example

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No load and Full load

• The zener diode maintains a nearly constant voltage across RLas long as the zener current is greater than IZK and less than IZM.

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• In no load, RL = inf, all current go through zener diode

• With when RL is connected, current is divided between load and zener diode, while load voltage still constant because of zener regulating action.

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Example 02

• VZ= 12 volt

• Izk =  1 mA

• Izm= 50 mA

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Example 03

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L

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Voltage regulators

• To achieve better regulation and provide for greater variations in load current, the zener diode is combined as a key element with other circuit components to create a 3‐terminal linear voltage regulator

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Zener diode inside 7805 regulator

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Zener Limiter

• zener diodes can be used in ac applications to limit voltage swings to desired levels.

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Example 04

• Determine the output voltage for each zener limiting circuit in Figure

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Example 08

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Optical diodes

The Light‐Emitting Diode (LED)

• The difference in energy between the electrons and the holes corresponds to the energy of visible light.

• When recombination takes place, the recombining electrons release energy in the form of photons. Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 20178, Electronic Circuits41

• emitted light tends to be monochromatic (one color) that depends on the band gap (and other factors) (Various impurities are added during the doping process to establish the wavelength of the emitted light).  

• A large exposed surface area on one layer of the semiconductive material permits the photons to be emitted as visible light

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LED Semiconductor Materials

• IR : gallium arsenide (GaAs)

• Visible (orange pal green) : gallium arsenide phosphide (GaAsP)

• Visible (red, green, yellow) : gallium aluminum arsenide phosphide (GaAlAsP).

• Blue : silicon carbide (SiC)

• Ultra blue : gallium nitride (GaN)

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LED Biasing

• the maximum VF for LEDs is between 1.2 V and 3.2 V, depending on the material. 

• Reverse breakdown for an LED is much less than for a silicon rectifier diode (3 V to 10 V is typical).

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• The amount of power output translated into light is directly proportional to the forward current, and temperature

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Light Emission 

• An LED emits light over a specified range of wavelengths as indicated by the spectral output curves

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• radiation patterns for small LEDs

• LEDs are directional light sources (unlike filament or fluorescent bulbs). 

• The radiation pattern is generally perpendicular to the emitting surface;

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• bright LEDs are becoming popular for lighting because of their superior efficiency and long life

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Optical diodes applications

• Standard LEDs are used for indicator lamps and readout displays on a wide variety of instruments,

• A common type of display device using LEDs is the seven‐segment display.

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• common application of an infrared LED is in remote control units for TV, DVD, gate openers, etc. 

• The IR LED sends out a beam of invisible light that is sensed by the receiver in your TV, for example. 

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• For each button on the remote control unit, there is a unique code. 

• When a specific button is pressed, a coded electrical signal is generated that goes to the LED, which converts the electrical signal to a coded infrared light signal. 

• The TV receiver recognizes the code and takes appropriate action, such as changing the channel or increasing the volume

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High‐Intensity LEDs

• LEDs that produce much greater light outputs than standard LEDs are found in many applications including traffic lights, automotive lighting, indoor and outdoor advertising and informational signs, and home lighting.

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• LEDs in an array are usually connected either in a series‐parallel or a parallel arrangement.

• A series connection is not practical because if one LED fails open, then all the LEDs are disabled. 

• For a parallel connection, each LED requires a limiting resistor. 

• To reduce the number of limiting resistors, a series‐parallel connection can be used,

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Example 05

• An array of green leds (20 mA, 2.5 Volt). Design a 12 volt to minimize the number of limiting resistors of 60 leds

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Volt of 3 leds in series @ 20 mA

V = 3 x 2.5 = 7.5 Volts

Shunt resistor volt = 12 – 7.5 = 4.5 Volts

Rlimit = 4.5/20 mA = 225 ohm

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LED Displays

• LEDs are widely used in large and small signs and message boards for both indoor and outdoor uses, including large‐screen television.

• Full‐color screens use a tiny grouping of high‐intensity red, green, and blue LEDs to form a pixel

• Red, green, and blue (RGB) are primary colors and when mixed together in varying amounts, can be used to produce any color in the visible spectrum

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• The light emission from each of the three diodes can

• be varied independently by varying the amount of forward current. 

• Yellow is added to the three primary colors (RGBY) in some TV screen applications.

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The Organic LED (OLED)

• An OLED is a device that consists of two or three layers of materials composed of organic molecules or polymers that emit light with the application of voltage.

• The color of the light depends on the type of organic molecule in the emissive layer.

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The Photodiode

• The photodiode is a device that operates in reverse bias, as shown

• Iʎ where is the reverse light current. 

• The photodiode has a small transparent window that allows light to strike the pn junction.

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• A photodiode differs from a rectifier diode in that when its pnjunction is exposed to light, the reverse current increases with the light intensity.

• When there is no incident light, the reverse current Iʎ , is almost negligible and is called the dark current

• An increase in the amount of light 

intensity, expressed as irradiance 

(mW/cm2), produces an increase in

the reverse current

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Thanks,..

See you next week (ISA),…

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