Lecture Electrical Engineering: Lecture 10 - Dr. Nasim Zafar

COMSATS Institute of Information Technology
Virtual campus
Islamabad

Dr. Nasim Zafar
Electronics 1
EEE 231 – BS Electrical Engineering
Fall Semester – 2012


The Diode Circuits­II

Lecture No: 
10
  Contents:


References:

Ø Microelectronic Circuits:  
  Adel S. Sedra and Kenneth C. Smith.

Ø Electronic Devices and Circuit Theory:
  Robert Boylestad & Louis Nashelsky ( Prentice Hall ).

Ø   Introductory Electronic Devices and Circuits: 
       Robert T. Paynter. 

Ø Electronic Devices :

3

References (Figures):
Chapter 2 Diodes:
Figures are redrawn (with some modifications) from
 
Introductory Electronic Devices and Circuits
By
Robert T. Paynter


The Diode Models
1.  The Ideal Diode Model


The Diode:      
P­N Junction Diode Schematic Symbol:

Anode

Cathode

p

n

6


Diode Circuits:

anode
Reversed bias

+
­

+
­

Forward bias

cathode
The left hand diagram shows the reverse biased junction. 
No current flows flows. 
 

The other diagram shows forward biased junction.
A current flows.


Forward­Biased Diode Circuit:
R

R
I F > 0A

I F > 0A
IF

V

IF

V

+V

-V

R

R
IF

IF

8


Reverse­Biased Diode Circuit:
R

R

V

0A

0A

IT

IT
V

+V

R

-V

R

9


Effect of VF:

I

VS
5V

4.3 V

VD1 = 0.7V

R1
1k

VR1 = VS − VD1 = 5V − 0.7V = 4.3V
VR1 4.3V
I=
=
= 4.3mA
R1 1kΩ
D1

Value

Ideal

Practical

VF

0 V

0.7 V

VR1

5 V

4.3 V

I

5 mA

4.3 mA
10


Example­1

V
I

VS
6V

R1
10 k

VR1 = VS − VD1 = 6V − 0.7V

D1

= 5.3V
VR1 5.3V
I=
=
= 530μA
R1 10kΩ

11


Example­2

I

VS
5V

R1
1.2 k
D1

R2
2.2 k

VS − VD1
I=
R1 + R2
5V − 0.7V
=
1.2kΩ + 2.2kΩ
= 1.26mA

12


Example­3

R1
5.1 k

I

VS
4V

VS − VD1 − VD 2
I=
R1

D1
D2

4V − 0.7V − 0.7V
=
5.1kΩ
= 509.8μA

13


Percentage Error:

% of error  =  

X ­X'
X

100

where X = the measured value
         X’ = the calculated value

14


Example­4

I

R1
1.5 k
D1

R2
1.8 k

VS
10 V

I ideal =

VS
10V
=
= 3.03mA
R1 + R2 1.5kΩ + 1.8kΩ

I prac =

VS − VD1 − VD 2 10V − 0.7V − 0.7V
=

R1 + R2
1.5kΩ + 1.8kΩ

= 2.61mA
D2

% of error =

2.61mA − 3.03mA
2.61mA

15

100 = 16.1%


Power Dissipation PD(max)

16


I0 and PD(max) Relationship:

I0 =

PD (max)
VF

where I0 = the limit on the average forward current
    PD(max) = the forward power dissipation rating of the 

diode
          VF = the diode forward voltage (0.7V for Si)

17


Forward Power Dissipation PD(max):

I
VS
10 V

D1

RL
100

Choose a diode with forward power 
dissipation PD(max) at least 20% 
greater than actual power dissipation.

VS − VD1 10V − 0.7V
I=
=
= 93mA
RL
100Ω

PD = VD1 I = ( 0.7V ) ( 93mA ) = 65.1mW

PD (max) = 1.2 PD = ( 1.2 ) ( 65.1mW ) = 78.12 mW (minimum)
18


Example 5. 
A diode has a forward power dissipation rating of 500 
mW. What is the maximum allowable value of forward 
current for the device?

I0 =

PD (max)
VF

500mW
=
= 714.29mA
0.7V

I (max) = 0.8I 0 = ( 0.8 ) ( 714.29mA ) = 571.43mA

19


Complete: Model Diode Curve (Ref 3).
IF(mA)
100
IR

VZ

80

VR(V)

80

Reverse operating 
region (also called 
the reverse 
breakdown 
region)

60

Forward 
operating 
region

60

RZ
RZ

Complete model
Accurate model

40

VR

IR

20

40

20

0.2

0.4

0.6

VF(V)

0.8

1.0
I=0

IF

0.7 V

2.0

RB

3.0

RB

IR( A)

VF
IF

20


Another Example: 
Determine voltage across diode in Fig. 2.19 (Ref. 3) 
for the values of IF = 1 mA and IF = 5  mA.  
Assume that the value for RB = 5 Ω .
IF = 1 mA:

VD = 0.7V + IRB = 0.7V + ( 1mA ) ( 5Ω) = 0.705V
IF = 5 mA:

VD = 0.7V + IRB = 0.7V + ( 5mA ) ( 5Ω) = 0.725V
Bulk resistance has a significant effect on voltage drop 
across diode terminals when the forward current is large.
21


The Diode Models
     4. Piecewise­Linear Diode Model

5. Constant­Voltage Diode Model
      6. Dynamic Resistance, AC Resistance

Piecewise Linear Diode Model:
More accurate than the ideal diode model and does not rely on nonlinear 
equation or graphical techniques.
Ø

Diode I­V characteristic approximated 
by straight line segments.

We model each section of the diode 
    I­V characteristic with R in series with 
    a fixed voltage source.
    
Ø


Constant­Voltage Diode Model: 

Ø

Ø

If VD < VD,on:  The diode operates as an open 
circuit.
If VD   VD,on: The diode operates as a constant 


Example:  Diode dc Bias Calculations

VX

Ø

I X R1 VD

I X R1

IX

2.2mA  for   VX

IX

0.2mA  for   VX 1V

IX
VT ln
IS

3V

This example shows the simplicity provided by a constant­
voltage model over an exponential model. 

 
Ø

Using an exponential model, iteration is needed to solve for 
current.  Using a constant­voltage model,  only linear equations 

need to be solved.