﻿
Figure 3.7 Zener diode symbol and current-voltage relationship.
schematic symbol
I
V
current-voltage relationship
V
z
zener
voltage
operating
point
ideal
zener
diode
real
zener
diode
3.3 Junction Diode
81
Lab Exercise 4 introduces diodes and how they are used in basic circuits. The
Lab also shows the differences between signal diodes and LEDs.
3.3.1 Zener Diode
Reflect back on the current-voltage relationship for a diode shown in  Figure 3.6 .
Note that when a diode is reverse biased with a large enough voltage, the diode
allows a large reverse current to flow. This is called diode  breakdown.  For most
diodes the breakdown value is at least 50 V and may extend to kilovolts. A special
class of diodes is designed to exploit this characteristic. They are known as  zener,
avalanche, or voltage-regulator  diodes.  This family of diodes exhibits steep break-
down curves with well-defined breakdown voltages; thus, they can maintain a nearly
constant voltage over a wide range of currents (see  Figure 3.7 ). This characteristic
makes them good candidates for building simple voltage regulators, because they
can maintain a stable DC voltage in the presence of a variable supply voltage and
variable load resistance.
To properly use the zener diode in a circuit, the zener should be reverse biased
with a voltage kept in excess of its breakdown or  zener voltage   V
z
. Using a zener
diode in series with a resistor as shown in  Figure 3.8  results in a simple circuit
known as a  voltage regulator.  The output voltage of the circuit  V
out
is maintained
or regulated by the zener diode at the zener voltage  V
z
. Even when the current
through the zener diode changes (∆ I
z
in the figure), the output voltage remains
relatively constant (i.e., ∆ V
z
is small). The narrowness of the voltage range for a
given current change is a measure of the voltage regulation of the circuit. If the
input voltage and load do not change much, this circuit is effective in obtaining
steady and lower DC voltage values from a source, even if the source is not well
regulated.
Because the load applied to the voltage regulator will change with time in most
applications and the voltage source will exhibit fluctuations, careful consideration
L
a
b
E
x
e
r
c
i
s
e
Lab 4Band-
width, filters, and
diodes
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Figure 3.8 Zener diode voltage regulator.
+
R
V
in
V
out
=
V
z
+
I
V
ΔV
z
ΔI
z
I
z
82
CHAPTER 3
Semiconductor Electronics
must be paid to the effect on the regulated voltage  V
z
. For the circuit shown in
Figure 3.8 , the zener current is related to the circuit voltages according to
I
z
V
in
V
z
(
)
R
-----------------------
=
(3.2)
To determine how changes in current are related to changes in voltage, we take the
finite differential of Equation 3.2, which yields
ΔI
z
1
R
---
ΔV
in
ΔV
z
(
)
=
(3.3)
The zener diode is a nonlinear circuit element, and therefore ∆ V
z
is not directly pro-
portional to ∆ I
z
. However, it is useful to define a dynamic resistance  R
d
that is the
slope of the zener characteristic curve at a particular operating point. This allows us
to express the zener current change in terms of the zener voltage change:
ΔI
z
ΔV
z
R
d
---------
=
(3.4)
Normally a manufacturer specifies the nominal zener current  I
zt
and the maxi-
mum dynamic impedance ( R
d
) at the nominal zener current. In a circuit design using
a zener diode, the zener current must exceed  I
zt
; otherwise, the zener may operate
near the “knee” of the characteristic curve where regulation is poor (i.e., where there
is a large change in voltage with a small change in zener current).
By substituting Equation 3.4 into Equation 3.3 and solving for ∆ V
z
, we can
express changes in the regulator output voltage ∆ V
out
in terms of fluctuations in the
source voltage ∆ V
in
:
ΔV
out
ΔV
z
R
d
R
d
+R
---------------
ΔV
in
=
=
(3.5)
Therefore, the circuit acts like a voltage divider (for a change in voltage) with the
circuit.
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3.3 Junction Diode
83
We wish to determine the regulation performance of the zener diode circuit shown in
Figure 3.8  for a voltage source  V
in
whose value ranges between 20 and 30 V. For the zener
diode, we select a 1N4744A manufactured by National Semiconductor from the family
1N4728A to 1N4752A (having different zener voltage values). It is a 15 V, 1 W zener diode.
We select a value of  R  based on the specifications of this diode.
To limit the maximum power dissipation to less than 1 W, the current through the diode
must be limited to
= 1
= 66.7 mA
I
z
max
W⁄15 V
Therefore, using Equation 3.2, the value for resistance  R  should be chosen to be at least
R
min
V
in
max
V
z
(
I
z
max
30 V V 15 V
(
) 66.7 mA
225 Ω
=
=
=
The closest acceptable standard resistance value is 240 Ω. From the manufacturer’s speci-
fications for this zener diode, its dynamic resistance  R
d
is 14 Ω at 17 mA. The current  I
z
in
this example is larger than this value, so the operating point of the zener diode is on the well-
regulated portion of the characteristic curve. Using the given value for  R
d
in Equation 3.5,
we can approximate the resulting output voltage range:
ΔV
out
ΔV
z
R
d
R
d
+R
---------------
ΔV
in
14
14 240
+
---------------------
(30–20
)V 0.55 V
=
=
=
=
which is a measure of regulation of this circuit. This can be expressed as a percentage of the
output voltage for a relative measure:
ΔV
out
V
out
-------------
100%
0.55V
15V
---------------
100%
3.7%
=
=
Zener Regulation Performance
EXAMPLE 3.2
■ CLASS DISCUSSION ITEM 3.4
Effects of Load on Voltage Regulator Design
Example 3.2 ignored the current that would be drawn by a load. What effect would
a load have on the results of the analysis?
Figure 3.9  illustrates a simple voltage regulator circuit where  R
L
is a load resis-
tance and  V
in
is an unregulated source whose value exceeds the zener voltage  V
z
. The
purpose of this circuit is to provide a constant DC voltage  V
z
across the load with a
corresponding constant current through the load. Providing a stable regulated volt-
age to a system containing digital integrated circuits is a common application.
If we assume the zener diode is ideal (i.e., its breakdown current-voltage curve
is vertical), we can draw some conclusions about the regulator circuit. First, the load
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+
R
V
in
I
z
R
L
I
in
I
L
V
z
+
Figure 3.9 Zener diode voltage regulator circuit.
84
CHAPTER 3
Semiconductor Electronics
voltage will be  V
z
as long as the zener diode is subject to reverse breakdown. There-
fore, the load current  I
L
is
I
L
V
z
R
L
------
=
(3.6)
Second, the load current will be the difference between the unregulated input current
I
in
and the zener diode current  I
z
:
I
L
I
in
I
z
=
(3.7)
As long as  V
z
is constant and the load does not change,  I
L
remains constant. This
means that the diode current changes to absorb changes from the unregulated source.
Third, the unregulated source current  I
in
is given by
I
in
V
in
V
z
(
)
R
-----------------------
=
(3.8)
R  is known as a current-limiting resistor because it limits the power dissipated by the
zener diode. If  I
z
gets too large, the zener diode fails.
Suppose we need to design a regulated 15 V DC source to power a mechatronic system, and
we would like to use the voltage regulator circuit shown in  Figure 3.9 . Furthermore, suppose
we have access to only a poorly regulated DC source  V
in
whose nominal value is 24 V.
As the load  R
L
changes, the zener current  I
z
increases for larger  R
L
and decreases for
smaller  R
L
. If we know the maximum possible load resistance (assuming that the output
never is an open circuit), we can size the zener diode with regard to its power dissipation
characteristics and select a current-limiting resistor. Combining Equations 3.6 and 3.7 and
using the maximum value of the load      R
L
max
gives
I
z
max
I
in
V
z
R
L
max
-----------
=
This is the largest current the zener experiences. The power dissipated by the zener diode is
P
z
max
I
z
max
V
z
I
in
V
z
R
L
max
-----------
V
z
=
=
Zener Diode Voltage Regulator Design
DESIGN
EXAMPLE 3.1
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LM7815C
unregulated
input
(17.7  to 35 V)
15 V
regulated
output
Figure 3.10 15 V regulated DC supply.
3.3 Junction Diode
85
In summary, zener diodes are useful in circuits where it is necessary to derive
smaller regulated voltages from a single higher-voltage source. When designing
ven the
pow-
ered by a 9 V battery and require good 5 V DC supplies for digital devices, a well-
designed zener regulator is a cheap and effective solution if the current requirements
are modest.
3.3.2 Voltage Regulators
Although the zener diode voltage regulator is cheap and simple to use, it has some
drawbacks: The output voltage cannot be set to a precise value, and regulation
vices
are designed to serve as voltage regulators, some for fixed positive or negative values
and others easy to adjust to a desired, nonstandard value. One group of regulators
that is easy to use is the three-terminal regulator designated as the 78XX, where the
last two digits (XX) specify a voltage with standard values: 5 (05), 12, or 15 V. Using
a regulator such as the LM7815C, a well-regulated 15 V source is easy to create, as
shown in  Figure 3.10 .
We could use this design instead of the zener regulator shown in Design
Example 3.1 (see  Class Discussion Item 3.5 ). The 78XX can deliver up to 1 amp of
current and is internally protected from overload. Using this device, the designer
I
in
is controlled by the current-limiting resistor  R.  Substituting Equation 3.8 yields
P
z
max
V
in
V
z
R
------------------
V
z
V
z
2
R
L
max
-----------
=
Furthermore, for this design problem, we assume that      R
L
max
is 240 Ω, and we wish to select a
1 W zener. Therefore,
1W
24
V
15V
R
min
-----------------------------
(15V
)
225V
2
240
Ω
-----------------
=
We can now solve for the minimum required current-limiting resistance  R:
R
min
69.7Ω
=
The closest acceptable standard resistance value is 75 Ω.
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Figure 3.11 1.2 to 37 V adjustable regulator.
LM317L
unregulated
input voltage
(1.2  to 37 V)
regulated
output
voltage
R
2
R
1
10 μF
86
CHAPTER 3
Semiconductor Electronics
need not perform the design calculations shown with the zener diode regulator. The
78XX series of regulators have complementary 79XX series values for the design of
+ / -  voltage supplies.
■ CLASS DISCUSSION ITEM 3.5
78XX Series Voltage Regulator
In Design Example 3.1, we used a zener diode to provide a desired DC voltage.
Now show how a 78XX voltage regulator can do the same job. Specify the regulator
and describe its characteristics.
In some cases, you may need a regulated voltage source with a value not pro-
vided in a manufacturer’s standard sequence. Then you may use a three-terminal reg-
ulator designed to be adjustable by the addition of external resistors. The LM317L
can provide an adjustable output with the addition of two external resistors as shown
in  Figure 3.11 . The output voltage is given by
V
out
1.25 1
R
2
R
1
-----
+
V
=
(3.9)
These adjustable regulators are available in higher current and voltage ratings.
Three-terminal voltage regulators are accurate, reject ripple on the input, reject
voltage spikes, have roughly a 0.1% regulation, and are quite stable, making them
useful in mechatronic system design.
■ CLASS DISCUSSION ITEM 3.6
Automobile Charging System
is charged by a belt-driven AC alternator whose frequency and voltage vary with
alternator and the battery, and how can this be done?
cathode (–)
anode (+)
colored plastic lens
schematic symbol
+
Figure 3.12 Light-emitting diode.
+
+
5 V
2 V
9 mA
330 Ω
Figure 3.13 Typical LED circuit in digital systems.
3.3 Junction Diode
87
3.3.3 Optoelectronic Diodes
Light-emitting diodes  are diodes that emit photons when forward biased. The typi-
cal LED and its schematic symbol are illustrated in  Figure 3.12 . The positive lead,
or anode, is usually the longer of the two leads. The LED is usually encased in a
colored plastic material that enhances the wavelength generated by the diode and
amount of current flowing through the device. LEDs are manufactured to produce a
variety of colors, but red, yellow, and green are usually the most common and least
expensive. It is important to remember that an LED has a voltage drop of 1.5 to 2.5 V
when forward biased, somewhat more than small signal silicon diodes. It takes only
a fe
current-limiting resistor in the circuit to prevent excess forward current, which can
quickly destroy the diode. Usually a 330 Ω resistor is included in series with an LED
when used in digital (5 V) circuit designs.  Figure 3.13  shows a typical LED circuit.
Note that the current is limited to about 9 mA (3 V/330 Ω), which is enough to fully
light the LED and is well within the current limit reported by manufacturers for most
LEDs. Lab Exercise 4 demonstrates how to build LED circuits properly and shows
how much forward bias voltage and current is required to fully light an LED.
Earlier we said that a pn junction is sensitive to light. Special diodes, called
photodiodes,  are designed to detect photons and can be used in circuits to sense
light as shown in  Figure 3.14 . Note that it is the reverse current that flows through
the diode when sensing light. It takes a considerable number of photons to provide
detectable voltages with these devices. The phototransistor (see Section 3.4.6) can
L
a
b
E
x
e
r
c
i
s
e
Lab 4Band-
width, filters, and
diodes
+
V
light
R
I
Figure 3.14 Photodiode light detector circuit.
88
CHAPTER 3
Semiconductor Electronics
be a more sensitive device, although it is slower to respond. The photodiode is based
on quantum effects. If photons excite carriers in a reverse-biased pn junction, a very
small current proportional to the light intensity flows. The sensitivity depends on the
wavelength of the light.
3.3.4 Analysis of Diode Circuits
a nonlinear device, one has to be careful not to naively apply the linear circuit analy-
sis methods discussed so far.
DC circuits that contain many diodes may not be easy to analyze by inspec-
tion. The following procedure is a straightforward method to determine voltages and
Next, replace each diode with an equivalent open circuit if the assumed current is in
a reverse bias direction or a short circuit if it is in the forward bias direction. Then
compute the voltage drops and currents in the circuit loops using KVL and KCL.
element, you have made the wrong assumption and must change its direction and
reanalyze the circuit. Repeat this procedure with different combinations of current
oltage
drops and currents.
This e
two ideal diodes. In the following circuit, we want to determine all currents and voltages. We
begin by arbitrarily assuming the current directions as shown.
2R
1 V
+
+
2R
R
R
1 V
I
1
I
2
I
3
I
4
Analysis of Circuit with More Than One Diode
EXAMPLE 3.3
3.3 Junction Diode
89
Ha
assumed to be forward biased. The equivalent circuit follows.
2R
1 V
+
+
2R
R
R
1 V
I
1
I
2
I
3
I
4
By applying KVL to the loop containing  I
2
and  I
3
, we find that  I
2
-  2 I
3
. We conclude
that one of the current directions was incorrectly assumed. Therefore, we need to change one
of our initial assumptions. Assume  I
2
is in the direction opposite to that first chosen. With
verse biased.
The equivalent circuit is shown next.
2R
1 V
+
+
_
+
2R
R
R
1 V
I
1
V
diode
I
2
I
3
I
4
Note that  I
2
0 in this circuit and  V
diode
is the voltage across the reverse-biased diode.
By applying KVL to the loop containing  I
3
and  I
4
, the result is that  I
3
< 0. Therefore, our
assumed direction for  I
3
is incorrect. We must reverse  I
3
and replace the diode with an open
circuit. The resulting circuit is shown.
2R
1 V
+
+
_
_
+
+
2R
R
R
A
B
1 V
I
1
V
diode
V
diode
I
2
I
3
I
4
Note that  I
2
and  I
3
are both 0 in this circuit and each reverse-biased diode has a nonzero
voltage across its terminals. The diode branches are in parallel, so they must have the same
voltage across them, which is the voltage across nodes A and B. Because the diode currents
are assumed to be zero, there would be no drops across the diode-branch resistors. Therefore,
the voltage across each diode would need to be the same (magnitude and polarity). This is not
The neve
not investigated, follows.
2R
1 V
+
_
+
+
2R
R
R
1 V
I
1
V
diode
I
2
I
3
I
4
(continued )