By:

Dr. Ahmed ElShafee

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2017, Electronic Circuits I١

Lecture (05)PN Diode 

applications III, Special Purpose 

diodes

Agenda

• Diode limiters

• Diode Clampers

• Zener Diode

• Zener Diode Applications

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2017, Electronic Circuits I٢

Diode limiters

• Figure shows a diode positive limiter (also called clipper) that limits or clips the positive part of the input voltage.

• As the input voltage goes positive, the diode becomes forward biased and conducts current. 

• Point A is limited to +0.7 V when the input voltage exceeds this value

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2017, Electronic Circuits I٣

• When the input voltage goes back below 0.7 V, the diode is reverse‐biased and appears as an open.

• If R1 is small compared to R1, then Vout=Vin ٤

Example

• What would you expect to see displayed on an oscilloscope connected across RL in the limiter shown in Figure

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2017, Electronic Circuits I٥

•

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2017, Electronic Circuits I٦

• Biased Limiters

• The voltage at point A must equal VBIAS + 0.7 V before the diode will become forward‐biased and conduct.

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2017, Electronic Circuits I٧

•

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2017, Electronic Circuits I٨

• the positive limiter can be modified to limit the output voltage to the portion of the input voltage waveform above

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2017, Electronic Circuits I٩

• the negative limiter can be modified to limit the output voltage to the portion of the input voltage waveform

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2017, Electronic Circuits I١٠

Example

• shows a circuit combining a positive limiter with a negative limiter.  Determine the output voltage waveform

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2017, Electronic Circuits I١١

•

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2017, Electronic Circuits I١٢

• Voltage‐Divider Bias

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2017, Electronic Circuits I١٣

• A Limiter Application

• almost all digital circuits should not have an input level that exceeds the power supply voltage. An input of a few volts more than this could damage the circuit. 

• To prevent the input from exceeding a specific level, you may see a diode limiter across the input signal path in many digital circuits.

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2017, Electronic Circuits I١٤

Example

• Describe the output voltage waveform for the diode limiter in Figure

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2017, Electronic Circuits I١٥

•

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2017, Electronic Circuits I١٦

Voltage multiplier

• Half‐wave voltage doubler

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2017, Electronic Circuits I١٧

• Full‐Wave Voltage Doubler

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2017, Electronic Circuits I١٨

• Voltage Tripler

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2017, Electronic Circuits I١٩

• Voltage Quadrupler

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2017, Electronic Circuits I٢٠

Zener Diode

• A zener diode is a silicon pn junction device that is designed for operation in the reverse‐breakdown region.

• when a diode reaches reverse breakdown, its voltage remains almost constant even though the current changes drastically, and this is the key to zener diode operation. 

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2016, Electronic Circuits٢١

• This volt‐ampere characteristic is shown again in Figure with the normal operating region for zener diodes shown as a shaded area.

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2016, Electronic Circuits٢٢

• Zener Regulation The ability to keep the reverse voltage across its terminals essentially constant is the key feature of the zener diode. 

• A zener diode operating in breakdown acts as a voltage regulator because it maintains a nearly constant voltage across its terminals over a specified range of reverse‐current values.

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2016, Electronic Circuits٢٣

Breakdown Characteristics

• A minimum value of reverse current, IZK, must be maintained in order to keep the diode in breakdown for voltage regulation

• maximum current, IZM, above which the diode may be damaged due to excessive power dissipation.

• A nominal zener voltage, VZ, is usually specified on a datasheet at a value of reverse current called the zener test current

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2016, Electronic Circuits٢٤

Zener Equivalent Circuits

• Ideal model

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2016, Electronic Circuits٢٥

Practical Model

• zener impedance (resistance), ZZ

• It is best to avoid operating a zenerdiode near the knee of the curve because the impedance changes dramatically in that area. Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2016, Electronic Circuits٢٦

Example 01

•

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2016, Electronic Circuits٢٧

Example 01

•

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2016, Electronic Circuits٢٨

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

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2016, Electronic Circuits٢٩

• 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

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2016, Electronic Circuits٣٠

• 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 

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2016, Electronic Circuits٣١

Example 02

•

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2016, Electronic Circuits٣٢

Example 02

Solution

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2016, Electronic Circuits٣٣

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.

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2016, Electronic Circuits٣٤

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

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2016, Electronic Circuits٣٥

Example 03

•

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2016, Electronic Circuits٣٦

Example 03

Solution

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2016, Electronic Circuits٣٧

•

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2016, Electronic Circuits٣٨

•

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2016, Electronic Circuits٣٩

•

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2016, Electronic Circuits٤٠

•

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2016, Electronic Circuits٤١

•

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2016, Electronic Circuits٤٢

Example 04

•

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2016, Electronic Circuits٤٣

Example 04

Solution

•

•

•

•

@50

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2016, Electronic Circuits٤٤

Example 04

Solution

•

•

•

•

@25

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2016, Electronic Circuits٤٥

Thanks,..

See you next week (ISA),…

Dr. Ahmed ElShafee, ACU : Fall 2017, Electronic Circuits I٤٦