29 Electronica Analogica Curs

UNIVERSITATEA DIN CRAIOVA Facultatea de inginerie n electromecanic, mediu i

informatic industrial

EUGEN SUBIRELU

ELECTRONIC ANALOGIC

-suport curs-

2010

EUGEN SUBIRELU ELECTRONIC ANALOGIC - CURS

2

PREFA

Materialul prezentat constituie o extensie a suportului de curs i se adreseaz studenilor anului II ai Facultii de Inginerie n Electromecanic, Mediu i Informatic Industrial din cadrul Universitii din Craiova.

Domeniul la care se refer acest curs este cel al electronicii analogice n general, cu prezentarea principalelor dispozitive electronice i al unor aplicaii ale lor n circuite analogice curente.

n prezentarea fiecrui dispozitiv s-a urmrit o tratare pragmatic, insistndu-se pe aspectele practice-aplicative ale definirii i funcionrii acestuia, neintrnd n noiuni de definire la nivelul fizicii semiconductoarelor. S-au descris totui i cteva fenomene la nivel micro pentru a nelege unele noiuni care stau la baza funcionrii tuturor dispozitivelor electronice active bazate pe semiconductoare .

Capitolul 1 prezint cteva noiuni generale despre semnale analogice (definire, notaii folosite mai departe n curs) i componente de baz pasive din construcia circuitelor electronice (rezistene, condensatoare, bobine).

Capitolul 2 descrie primul dispozitiv electronic care folosete o jonciune semiconductoare i anume dioda semiconductoare (redresoare, stabilizatoare). Este prezentat simbolul, principiul de funcionare, modele folosite n proiectare i cteva aplicaii.

Capitolul 3 se refer la cel mai utilizat dispozitiv electronic activ i anume tranzistorul bipolar: structur, funcionare, tipuri de conexiuni, scheme de polarizare, relaii fundamentale ntre cureni i teensiuni. Sunt evideniate etapele care trebuiesc parcurse la proiectarea, respectiv analiza circuitelor cu tranzistoare bipolare.

Capitolul 4 este dedicat unor dispozitive electronice cu performane deosebite, folosite att n circuite integrate ct i sub form de componente distincte n circuite care necesit impedan mare de intrare, liniaritate bun, zgomot redus. Sunt prezentate tranzistoarele cu efect de cmp (TEC) i anume cele cu baza jonciune (TEC-J) i cele cu baza izolat (TEC-MOS) mpreun cu cteva aplicaii reprezentative.

Capitolul 5 prezint alte dispozitive electronice, ca i componente elementare folosite n aplicaii de electronic de putere (tiristorul, GTO-ul, triacul, etc.) precum i n aplicaii care folosesc radiaia luminoas, att pentru afiare ct i pentru transmiterea semnalelor (dispozitive optoelectronice).

Capitolul 6 se ocup de unele din cele mai utilizate circuite electronice, realizate n tehnologie integrat azi i anume amplificatoarele operaionale. Este prezentat funcionarea lor, o serie de parametrii specifici precum i aplicaii liniare: amplificatorul inversor, neinversor, sumator, diferenial, integrator, derivator. Sunt prezentate circuitele care fac trecerea de la domeniul analogic al valorilor continue la domeniul deciziilor, al valorilor binare: este vorba de comparatoarele simple (cu un singur prag) sau cu histerezis (cu memorie). De asemenea sunt prezentate aplicaii neliniare ale AO i anume redresorul monoalternan i redresorul bialternan.

Cei interesai n nelegerea aprofundat a structurii interne, a parametrilor electrici precum i a altor performane ale diverselor dispozitive electronice, precum i a unor relaii de calcul mai complexe necesare n cercetarea funcionrii circuitelor electronice analogice trebuie s consulte bibliografia prezentat.

Craiova, 01 iunie 2010

Autorul

Cuprins 1. INTRODUCERE N ELECTRONICA ANALOGIC .............................................................. 6

1.1. Semnale analogice ................................................................................................................ 61.1.1. Clasificare, definire, mrimi caracteristice ................................................................... 61.1.2. Convenie de notare a semnalelor utilizate n circuitele electronice ............................. 7

1.2. Elemente pasive de circuit .................................................................................................... 82. DIODA SEMICONDUCTOARE ............................................................................................. 14

2.1. Jonciunea PN ..................................................................................................................... 142.2. Dioda semiconductoare ...................................................................................................... 15

2.2.1. Simbol, structur i funcionare .................................................................................. 152.2.2. Circuit simplu cu diod; dreapta de sarcin i PFS al diodei ...................................... 162.2.3. Modele aproximative ale caracteristicii diodei ........................................................... 172.2.4. Redresarea folosind diode semiconductoare ............................................................... 19

2.3. Dioda stabilizatoare de tensiune (Zener); circuite de stabilizare ....................................... 242.4. Alte aplicaii ale diodelor semiconductoare ....................................................................... 25

2.4.1. Multiplicatorul de tensiune .......................................................................................... 262.4.2. Circuite de limitare cu diode ....................................................................................... 262.4.3. Circuite formatoare de impulsuri ................................................................................ 272.4.4. Circuite pentru refacerea componentei continue ......................................................... 27

3. TRANZISTORUL BIPOLAR ................................................................................................... 283.1. Structura i funcionarea TB .............................................................................................. 283.2. Relaii fundamentale; modelul static al TB ........................................................................ 293.3. Conexiunile i caracteristicile TB ...................................................................................... 303.4. Dreapta de sarcin static, punctul de funcionare static i regiunile de funcionare ale TB ................................................................................................................................................... 323.5. Circuite de curent continuu cu TB ..................................................................................... 343.6. Comportarea TB la semnal mic. Modele dinamice ............................................................ 393.7. Funcionarea TB ca amplificator de semnal mic ................................................................ 433.8. Comportarea TB la nalt frecven ................................................................................... 45

4. TRANZISTORUL CU EFECT DE CMP (TEC) ................................................................... 464.1. Tranzistoarele TEC-J .......................................................................................................... 46

4.1.1. Structura i funcionarea TEC-J .................................................................................. 464.1.2. Tranzistoarele TEC-J. Aplicaii ................................................................................... 484.1.2.1. Divizor rezistiv controlat n tensiune ....................................................................... 494.1.2.2. Sursa de curent constant .......................................................................................... 494.1.2.3. Repetor de tensiune compensat termic ..................................................................... 49


4

4.1.2.4. Amplificator de semnal mic cu TEC-J ..................................................................... 504.2. Tranzistoarele TEC-MOS .................................................................................................. 51

4.2.1. Structura i funcionarea TEC-MOS ........................................................................... 524.2.2. Tranzistoarele TEC-MOS. Aplicaii ........................................................................... 544.2.2.1. Inversorul CMOS ..................................................................................................... 554.2.2.2. Amplificator cu TEC - MOS ..................................................................................... 56

5. ALTE DISPOZITIVE ELECTRONICE ................................................................................... 575.1. Alte dispozitive semiconductoare cu jonciune ................................................................. 57

5.1.1. Tiristorul...................................................................................................................... 575.1.1.1. Funcionarea tiristorului ........................................................................................ 575.1.2. Tiristorul cu blocare pe poart (GTO-Gate Turn Off) ................................................ 595.1.3. Triacul ......................................................................................................................... 605.1.4. Diacul .......................................................................................................................... 605.1.5. Tranzistorul unijonciune (TUJ).................................................................................. 61

5.2. Dispozitive optoelectronice................................................................................................ 625.2.1. Fotodetectori i fotoelemente ...................................................................................... 635.2.1.1. Fotorezistor (LDR Light Dependent Resistor) ...................................................... 635.2.1.2. Fotoelementul (celula fotovoltaic) ......................................................................... 645.2.1.3. Fotodiod ................................................................................................................. 655.2.1.4. Fototranzistorul ....................................................................................................... 655.2.2. Fotoemitori ............................................................................................................... 665.2.2.1. Dioda electroluminiscent ....................................................................................... 665.2.2.2. Afioare cu diode electroluminiscente ..................................................................... 675.2.3. Alte dispozitive de afiare ........................................................................................... 695.2.3.1. Afiaje (display-uri) cu cristale lichide .................................................................... 695.2.3.2. Afiaje (display-uri) cu plasm ................................................................................ 715.2.4. Optocuploare ............................................................................................................... 72

6. AMPLIFICATOARE OPERAIONALE (AO) ....................................................................... 736.1. Funcionare. Parametrii specifici. AO ideal ....................................................................... 736.2. Aplicaii liniare ale AO ...................................................................................................... 77

6.2.1. Circuitul repetor de tensiune ....................................................................................... 776.2.2. Amplificator neinversor .............................................................................................. 776.2.3. Amplificator inversor .................................................................................................. 786.2.4. Amplificator sumator .................................................................................................. 796.2.5. Amplificator diferenial ............................................................................................... 806.2.6. Circuit integrator ......................................................................................................... 816.2.7. Circuit derivator .......................................................................................................... 836.2.8. Circuit comparator ...................................................................................................... 84


5

6.2.8.1. Comparatoare simple (fr memorie) ...................................................................... 856.2.8.2. Comparatoare cu histerezis (cu memorie) ............................................................... 86

6.3. Aplicaii neliniare ale AO .................................................................................................. 886.3.1. Redresor monoalternan ............................................................................................. 886.3.2. Redresor bialternan ................................................................................................... 88

BIBLIOGRAFIE ........................................................................................................................... 89[1] Sever Paca, Niculae Tomescu, Istvn Sztojanov Electronic analogic i digital Dispozitive i circuite electronice fundamentale, Editura Albastr, Cluj Napoca, 2004 .............. 89[2] Sever Paca, Niculae Tomescu, Istvn Sztojanov Electronic analogic i digital Circuite analogice, Editura Albastr, Cluj Napoca, 2004 ............................................................. 89[3] Edmond Nicolau (coord.) Manualul inginerului electronist, Editura Tehnic, Bucureti, 1988 ............................................................................................................................................... 89[4] Istvn Sztojanov, Sever Paca Analiza asistat de calculator a circuitelor electronice Ghid practic Pspice, Editura Teora, 1997 .............................................................................................. 89[5] Eugen Subirelu Dispozitive electronice i circuite analogice, Notie pentru curs - anul II Electromecanic, Informatic Industrial, Ingineria i protecia mediului n industrie, 2008-2009 ....................................................................................................................................................... 89


6

1. INTRODUCERE N ELECTRONICA ANALOGIC

Electronica analogic este parte a electronicii care se ocup cu studiul echipamentelor electronice care produc, transmit, recepioneaz, prelucreaz, ntr-un cuvnt utilizeaz semnale analogice. n acest capitol sunt trecute succint n revist cteva noiuni despre semnalele analogice: definiie; ecuaie matematic; tipuri i mrimi caracteristice. Deasemenea sunt prezentate n mod sintetic componentele pasive de baz folosite n circuitele electronice (rezistoare, condensatoare, bobine) cu principalele aspecte privitoare la structur, funcionare (n cc/ca) i utilizare practic.

1.1. Semnale analogice Prin semnal se nelege o anumit form de variaie n timp a unei mrimi electrice sau

neelectrice. n studiul circuitelor electronice se utilizeaz semnale de natur electric (tensiuni, cureni) ca purttoare de energie i mai ales informaie. n continuare se vor prezenta cteva noiuni generale despre cele mai ntlnite semnale ntlnite n practica electronic.

1.1.1. Clasificare, definire, mrimi caracteristice n raport cu timpul, semnalele electrice prelucrate cu dispozitive electronice pot fi

constante sau variabile (fig. 1.1).Cele care variaz continuu n timp se numesc semnale analogice.

Semnalele constante se caracterizeaz prin faptul c valoarea lor rmne constant n

timp astfel: SS Yty =)( (1.1)

unde YS este amplitudinea care poate lua valori pozitive sau negative. Pentru o identificare uoar, aceste semnale se noteaz cu litere mari respectiv tensiunea U, curentul I, etc.

Semnalele staionare sunt acele semnale care au valoarea de vrf, valoarea medie sau valoarea efectiv constante. Aceti parametri se definesc astfel:

-valoarea de vrf: SttS yY 2....1max max= (1.2)

-valoarea medie: ==2

112

1t

tSmedS dtytt

yy (1.3)

Semnale electrice

-constante

-variabile n timp

-staionare

-nestaionare

-periodice

-neperiodice

-nesinusoidale

-sinusoidale

Fig. 1.1 Clasificarea semnalelor electrice dup evoluia n timp


7

-valoarea efectiv: =2

1

2

12

1t

tSSef dtytt

y (1.4)

unde yS reprezint valoarea instantanee (la un anumit moment de timp t) a semnalului, iar t2-t1 este un interval de timp suficient de mare pentru ca parametrii respectivi s fie independeni de alegerea lui (se mai numete timp de mediere).

Semnalele periodice sunt semnalele a cror succesiune de valori (oscilaie) se reproduce n aceeai ordine dup fiecare perioad de T secunde. n general, un semnal periodic este exprimat ca o mrime instantanee:

)()( nTtyty SS = (1.5) pentru orice t i n=1,2,3,.... Numrul de oscilaii efectuate de semnal ntr-o secund se numete frecven, se

msoar n hertzi [Hz] i se exprim prin relaia:

Tf 1= (1.6)

Dac se cunosc caracteristicile semnalului (forma, perioada) i se alege un moment de timp t1 se poate calcula valoarea medie pe o perioad a semnalului (valoare care nu depinde de t1):

+

==Tt

tSmedS dttyT

yy1

1

)(1 (1.7)

n categoria semnalelor periodice un rol aparte revine semnalelor sinusoidale. Un semnal periodic care are valoarea medie pe o perioad egal cu zero se numete semnal alternativ. Dac expresia instantanee a semnalului este reprezentat prin funcia sinus semnalul se numete semnal sinusoidal. Dup cum se observ din (fig.1.2,a) semnalul alterneaz sinusoidal ntre valorile +Ymax i Ymax. Valoarea Ymax se numete amplitudine i reprezint valoarea instantaneee maxim (de vrf) pe care o poate atinge semnalul sinusoidal pe o perioad T. Exprimat ca o mrime instantanee (1.5) semnalul sinusoidal are expresia:

)2sin(2)sin()( max +=+= fYtYty efS (1.8) unde Ymax este amplitudinea semnalului, Yef este valoarea efectiv,

Tf 22 == este

pulsaia semnalului msurat n [rad/sec], (t+) este faza semnalului i este faza iniial sau defazajul n [rad].

n cazul semnalelor sinusoidale, ntre valoarea efectiv Uef , amplitudinea Umax i valoarea medie Umed a unei tensiuni (de exemplu) exist relaiile:

maxmax

maxmax 636,02;707.02

UUUUUU medef === (1.9)

n general valoarea efectiv a unui semnal periodic de perioad T este egal cu valoarea tensiunii (curentului) continuu care dezvolt ntr-o rezisten dat aceeai putere ca i tensiunea (curentul) periodic considerat.

1.1.2. Convenie de notare a semnalelor utilizate n circuitele electronice n general, semnalele utilizate n circuitele electronice sunt exprimate ca mrimi

instantanee i sunt formate dintr-o mrime constant n timp plus o mrime variabil. Din notaia unui semnal trebuie s rezulte imediat dac este vorba de componenta sa

continu (constant) , de componenta variabil sau de mrimea instantanee (total) a acestuia. n (fig.1.2) este prezentat un semnal oarecare ntlnit n circuitele electronice (de

exemplu: curentul din baza unui tranzistor).


8

Pentru recunoaterea notaiilor folosite n continuare n curs, acestea sunt precizate astfel: -valorile instantanee (totale) ale diverselor semnale vor fi notate cu litere mici avnd

indicii formai din litere mari (Expl: iB, uBE, iC, etc.); -componentele continue (avnd valori constante) i valorile medii, efective ale diferitelor

mrimi electrice se noteaz cu litere mari i indici formai din litere mari (Expl: IB, UBE, IC, etc.); n partea dreapt a axei verticale a figurii este reprezentat valoarea IB (Offset). Componentele continue corespunztoare punctelor statice de funcionare (fr semnal) ale dispozitivelor electronice se marcheaz i cu un indice superior zero (Expl: I0C, U0CE); n partea stng a axei verticale a figurii este reprezentat curentul (semnalul) din baza tranzistorului, numai n cazul polarizrii acestuia IB0.

-variaiile n jurul valorii medii sau n jurul unor nivele de referin continue se noteaz cu litere mici i indici formai tot din litere mici. (Expl: ic, ube, ib, etc.).

Cu aceste notaii, valoarea instantanee a semnalului din (fig. 1.2) se scrie: bBBS iIity +==)( (1.10)

unde: tItItii befbbb sin2sinsin maxmax === (1.11)

este componenta variabil, cu evoluie sinusoidal i care are valoarea maxim Ibmax . Alte tipuri de semnale utilizate n circuitele electronice sunt: -semnal treapt unitate; -semnal dinte de ferstru; -semnal triunghiular, etc.

1.2. Elemente pasive de circuit Sunt acele elemente de circuit care nu pot realiza funcii de amplificare. Dintre acestea

cele mai importante sunt: rezistorul, condensatorul, bobina. Rezistorul este elementul de circuit cel mai utilizat. n (fig.1.3) sunt prezentate

simbolurile rezistoarelor folosite n schemele electronice. Semnificaia simbolurilor prezentate n figur este urmtoarea: a) rezistor fix (simbol

DIN, UE); b) rezistor fix (simbol ANSI, SUA); c) poteniometru; d) rezistor semireglabil; e) varistor; f) termistor; g) fotorezistor.

IB 0

ib ibmax

iB=IB+ib t

IB0

iB

Tranzistor cu semnal Tranzistor fr semnal

(doar polarizat)

Fig. 1.2 Reprezentarea i notarea unui semnal analogic utilizat n electronic

v ta) b) c) d) e) f) g)

Fig. 1.3 Simboluri utilizate pentru reprezentarea rezistoarelor


9

Dup cum se observ, rezistorul este un dipol (dou terminale) pentru care relaia de proporionalitate dintre tensiunea aplicat la borne i curentul care l strbate este dat de legea lui Ohm:

RIU = (1.12) Principalul parametru al unui rezistor este rezistena nominal Rn. Din punct de vedere funcional, prin conectarea n serie sau paralel a rezistoarelor se

obin divizoare de tensiune (fig. 1.4, a, b), respectiv divizoare de curent (fig. 1.4, c). n (fig. 1.4, a) este prezentat un divizor de tensiune la care una din rezistene este legat la

mas; ieirea este n gol sau pe o rezisen foarte mare. Relaia dintre tensiunile de intrare i ieire rezult:

21

202

21

2

0

2

1

2

1

2 ;;RR

RUURR

RUU

RR

UU

+=+== (1.13) Dac la ieire se conecteaz o sarcin de rezisten RS rezult:

S

SS

S

SSS RR

RUURRRRRRR

21

20

2

222 ; +=+

== (1.14) n (fig.1.4, c) prin legarea rezistenelor R1 i R2 n paralel curentul I se divide n curenii I1

i I2; relaiile dintre cureni sunt:

21

21

21

2121

22

11 :;; RR

RRIUrezultRR

RRUIIIRUI

RUI +=

+=+=== (1.15) nlocuind tensiunea n ecuaiile curenilor rezult:

21

1

22

21

2

11 ; RR

RIRUI

RRRI

RUI +==+== (1.16)

Din relaiile (1.13) i (1.16) se observ c tensiunea divizat este proporional cu valoarea rezistenei de pe care se culege, n timp ce curentul divizat este invers proporional cu valoarea rezistenei prin care trece.

n curent alternativ tensiunea i curentul rezistorului sunt n faz. Condensatorul este elementul care are proprietatea de a acumula (nmagazina) sarcina

electric Q (msurat n coulombi C) atunci cnd i se aplic la borne o tensiune U (V). n (fig.1.5) sunt prezentate simbolurile cele mai utilizate pentru reprezentarea

condensatoarelor n schemele electronice. Semnificaia simbolurilor prezentate n figur este urmtoarea: a) condensator fix,

nepolarizat; b) condensator variabil; c) condensator semireglabil (trimer); d) condensator polarizat, electrolitic.

b) a) c)

Fig. 1.4 Divizoare rezistive a)de tensiune n gol, b)de tensiune n sarcin, c) de


10

Principalul parametru al unui condensator este capacitatea nominal Cn i se msoar n

farazi (F). Deoarece n practic coulombul i faradul sunt uniti foarte mari, capacitatea se exprim n F(10-6), nF(10-9) sau pF(10-12).

Prin aplicarea unei tensiuni U la bornele condensatorului, pe armturile acestuia apar sarcini electrice egale i de semn contrar; acestea produc un cmp electric E care nmagazineaz energie electric W=1/2CU2 . Se produce astfel procesul de ncrcare a condensatorului cu sarcina q; raportul dintre sarcina q i tensiunea U este o mrime constant, caracteristic condensatorului numit capacitatea C a condensatorului de a acumula energie electric:

UqC = (1.17)

La aplicarea unei tensiuni continue, condensatorul prezint o rezisten practic infinit, astfel nct prin condensator nu circul curent dect n regim tranzitoriu, de ncrcare sau descrcare (iC); se spune c n c.c. condesatorul ntrerupe circuitul.

La aplicarea unei tensiuni alternative pe condensator, se stabilete un regim staionar de ncrcri-descrcri succesive printr-un curent iC=Isint.

Conform legii conservrii sarcinii electrice, curentul iC prin condensator este determinat de variaia n timp a sarcinii electrice de pe armturile condensatorului conform relaiei:

dtdqiC = (1.18)

Se observ c valoarea curentului prin condensator este proporional cu viteza de variaie a tensiunii la bornele sale. Derivnd relaia (1.30) se obine legtura dintre tensiunea i curentul prin condensator:

dtduCi

dtduC

dtdq

C == ; (1.19) Integrnd rezult tensiunea pe condensator:

= dtiCu CC 1 (1.20) Aceast relaie exprim matematic faptul c un condensator ideal nu permite salturi de

tensiune la bornele sale deoarece funcia u(t) trebuie s fie continu (pentru a fi integrabil). Cantitatea de energie electric acumulat de condensatorul avnd capacitatea C atunci

cnd la bornele lui se aplic tensiunea uC i se ncarc cu sarcina electric 0....Q:

QUCUC

QdqCqudqW

Q

q

Q

qC 2

121

21 2

0 0

2

===== = =

(1.21)

La conectarea condensatoarelor n serie sau paralel se obin capaciti echivalente cu formule invers ca la rezistene (serie capaciti cu paralel rezistene i invers).

Pe lng capacitatea nominal, ali parametri caracteristici condensatoarelor sunt: tolerana, coeficientul de temperatur, tensiunea nominal, rezistena de izolaie, curentul de fug.

ncrcarea condensatorului la un curent constant Acest montaj care folosete ncrcarea/descrcarea unui condensator se utilizeaz n

circuite de temporizare, ntrziere, oscilatoare de relaxare, etc. pentru stabilirea unor anumite intervale de timp.

+

a) b) c) d)

Fig. 1.5 Simboluri utilizate pentru reprezentarea condensatoarelor


11

Se folosete schema din (fig. 1.6 a), unde condensatorului C i se aplic un curent

constant I de la o surs de curent continuu. ncrcarea se poate face i de la o surs de tensiune continu, constant prin intermediul unei rezistene.

Rezult:

dtCIdusauctI

dtdu

CdtdQi C

C ===== . (1.22)

Integrnd rezult:

tCIuC = (1.23)

Aceasta reprezint ecuaia unei drepte de pant CItg /= Dac condensatorului i se aplic o tensiune alternativ, sinusoidal avnd o frecven

fix i o amplitudine dat atunci acesta introduce n circuit o reactan capacitiv XC msurat n [] de forma:

fCCX C 2

11 == (1.24) Aceast mrime avnd caracter de rezisten se obine din relaia (1.33) prin integrarea

curentului iC=IC sint :

=

=

== 2sin2sin2sin11 tUtIXtICdtiCu CCCCCC (1.25) Defazajul dintre tensiune i curent este de 90 (/2 rad), tensiunea fiind defazat n urma

curentului (U lags I). Se observ c la frecvene joase (50 Hz) condensatorul ntrerupe circuitul (curentul este foarte mic; dac frecvena crete atunci condensatorul permite trecerea unui curent mai mare.

Bobina Bobina (numit i inductor) este un dipol format din mai multe spire care formeaz

nfurarea (bobinajul). Conductorul bobinei se nfoar pe un suport - carcas din material izolant. Majoritatea bobinelor au i un miez magnetic (pentru creterea inductivitii) din ferit. Uneori toate aceste elemente componente se gsesc sub un ecran pentru nlturarea cuplajele parazite, electrice sau magnetice cu circuitele exterioare bobinei.

n (fig. 1.7) sunt prezentate cteva din simbolurile utilizate pentru reprezentarea bobinelor n schemele electronice.

uC

i

a)

I C I

iC, uC

t

uC

tg=I/C

b)

iC

Fig. 1.6 Creterea tensiunii pe un condensator sub un curent continuu constant


12

Semnificaia simbolurilor prezentate n figur este urmtoarea: a) bobin fr miez; b)

bobin cu miez; c) bobin cu miez reglabil; d) bobin variabil. Principalul parametru caracteristic al unei bobine este inductana electric L exprimat

n henry [H]; n practic se folosesc i submultiplii acestuia: mH (10-3) H (10-6), nH (10-9). Aceast mrime fizic caracterizeaz fenomenul de inducie electromagnetic care ia natere n bobin atunci cnd este strbtut de un curent electric I. Adesea se folosete i noiunea de inductivitate.

n general, inductana unei bobine depinde de: structura, geometria i dimensiunile acesteia (numr de spire n, seciune S, lungime l) i de permeabilitatea magnetic a miezului , fiind dat de relaia:

lSnL

2

= (1.26) Dac bobina este n vid, =0=410-7 [H/m] este permeabilitatea magnetic a vidului.

Raportul dintre permeabilitatea unui mediu i permeabilitatea vidului se numete permeabilitate relativ r. Substanele cu r1senumescferomagneticefier,nichel,feriteiintroducerealor n bobine duce la creterea inductanei. Substanele cur1 se numesc diamagnetice (sticl, cupru, alam) i introducerea lor n bobine duce la micorarea inductanei.Substanelecur1 se numesc paramagnetice (aluminiu, platina).

Inductana unei bobine se definete ca raportul dintre fluxul magnetic propriu (t) i curentul i(t) care-l produce strbtnd bobina:

)()(

titL = (1.27)

Conform legii induciei electromagnetice relaia dintre tensiunea la bornele bobinei u(t) i curentul care o strbate i(t) este urmtoarea:

dttdiL

dttdu L

)()( == (1.28) Sau prin integrare se obine expresia curentului:

= dttuLiL )(1 (1.29) Aceast relaie exprim matematic faptul c o bobin ideal nu permite salturi de

curent la bornele sale deoarece funcia i(t) trebuie s fie continu (pentru a fi integrabil). Cantitatea de energie electric acumulat de o bobin avnd inductana L atunci cnd este

parcurs de curentul i(t) este:

2

2L

LiLW = (1.30)

Dac se aplic o tensiune U constant (de la o surs de tensiune continu) la bornele bobinei se constat o cretere liniar a curentului prin bobin, de la zero ctre infinit.(fig. 1.8)

a) b) c) d)

Fig. 1.7 Simboluri utilizate pentru reprezentarea bobinelor


13

Bobina ideal nu permite salturi de curent la bornele sale deoarece i(t) trebuie s fie o

funcie continu (bobina realizeaz astfel o netezire a curentului prin ea). Bobina n curent continuu:

- deoarece i=ct, rezult odtdi = i u=0, deci bobina se comport n curent continuu ca

un scurtcircuit (o rezisten de valoare nul). Bobina n curent alternativ, sinusoidal: - dac curentul i(t) prin bobin are forma:

tIi sin= (1.19)

Derivnd i nlocuind n relaia (1.18) se obine expresia tensiunii la bornele bobinei:

+=

+=

+=2

sin2

sin2

sin tUtIXtILu L (1.20) Se observ c tensiunea este defazat cu /2 naintea curentului care strbate bobina.

Se spune c o bobin ntrzie curentul care o strbate. n curent alternativ bobina este caracterizat printr-o rezisten aparent numit

reactan inductiv XL (exprimat n ohmi): LfLX L == 2 (1.21)

Se observ c la frecvene mari (f) bobina ideal se comport ca un circuit deschis

(XL, IL0). Bobina ideal nu disip energie; ea poate transmite i nmagazina energie electric.

U

iL, uL

t

i

tg=U/L

b)

U

i

L uL

a)

Fig. 1.8. Creterea curentului ntr-o bobin sub o tensiune continu constant


14

2. DIODA SEMICONDUCTOARE

Dioda este cel mai simplu element electronic de circuit, cu caracteristic neliniar i conducie unilateral; prezint o rezisten electric mic pentru un anumit sens al curentului (direct) i foarte mare pentru sensul opus (invers). Acest capitol este dedicat diodei semiconductoare, privit din punct de vedere al comportrii la borne i al principalelor sale aplicaii practice (redresare, stabilizare, limitare). Pentru nelegerea funcionrii diodei precum i datorit faptului c materialele semiconductoare sunt cvasiprezente n alctuirea tuturor componentelor electronice moderne, la nceputul acestui capitol sunt prezentate i cteva noiuni (la nivel micro) despre conducia electric n semiconductori respectiv despre jonciunea semiconductoare pn.

2.1. Jonciunea PN Dac se apropie (lipesc) dou blocuri din acelai material semiconductor, unul dopat cu

impuriti donoare N i unul dopat cu impuriti acceptoare P, ansamblul obinut nu are proprieti speciale. Dac ns aceeai bucat monocristalin semiconductoare este dopat diferit la cele dou extremiti (o regiune cu impuriti N i o regiune cu impuriti P) se obine un material cu proprieti unice. Zona dintre cele dou regiuni se numete jonciune PN.

n (fig. 2.1) este prezentat structura intern a jonciunii. n partea stng semiconductorul este dopat N (cu atomi avnd 5 electroni de valen); rezult un numr de electroni liberi care se mic liber printre ionii + ai reelei cristaline.

n partea dreapt semiconductorul este dopat P (cu impuriti avnd 3 electroni de valen); rezult n aceast regiune mai multe locuri neocupate cu electroni; sunt astfel mai multe goluri care se deplaseaz liber printre ionii negativi, fixi ai reelei cristaline.

La intersecia dintre cele dou regiuni (n jurul jonciunii) electronii liberi din partea N trec peste jonciune i se combin cu golurile din partea P (figura de sus). Regiunea din dreapta jonciunii capt o sarcin negativ datorit electronilor atrai, iar regiunea din stnga jonciunii capt o sarcin pozitiv datorit electronilor cedai (figura de jos). Stratul subire al acestei structuri cristaline, dintre cele dou sarcini de semne contrare este golit de majoritatea purttorilor de sarcin; de aceea aceast regiune ngust se numete zona de golire, devenind un material semiconductor pur, non-conductor. Practic ntre cele dou regiuni conductive P i N exist o zon izolatoare, deci rezistena jonciunii PN este foarte mare.

Aceast separare de sarcini n jurul jonciunii P-N (zona de golire) constituie n fapt o barier de potenial. Aceast barier de potenial trebuie s fie nvins de o surs de tensiune extern pentru ca jonciunea s poat conduce curentul electric, deci s se comporte precum un material conductor. nlimea barierei de potenial depinde de materialele folosite pentru fabricarea jonciunii. Jonciunile PN din siliciu au o barier de potenial mai ridicat dect jonciunile fabricate din germaniu (0,6-0,7V fa de 0,20,3V.

Dac se aplic jonciunii o tensiune exterioar de la o surs de tensiune continu astfel nct borna plus a sursei s fie conectat la regiunea dopat P iar borna minus s fie conectat la regiunea dopat N se spune c jonciunea este polarizat direct (fig. 2.2,a). n acest caz electronii se deplaseaz dinspre borna minus ctre jonciune. Borna plus atrage i ea electronii care se gsesc prin regiunea P, formnd astfel goluri care se deplaseaz i ele spre jonciune, prin dreapta. Purttorii majoritari din stnga (electronii) se recombin cu purttorii majoritari din

zona de golire

- - -- -

- - -- - - +

+++

++

++

+ +

++

+

electroni goluri

ioni ai reelei

Fig. 2.1 Structura intern a jonciunii


15

dreapta (golurile) micornd bariera de potenial (zona de golire) i permind curentului bateriei s strbat jonciunea.

Dac se inverseaz polaritatea tensiunii bateriei (borna plus la regiunea N i borna minus

la regiunea P) jonciunea este polarizat invers (fig.2.2,b). Purttorii majoritari de sarcin sunt atrai de terminalele bateriei: terminalul plus atrage electronii liberi din regiunea N iar terminalul minus atrage golurile din regiunea P. Astfel crete limea zonei de golire i neavnd loc nici o recombinare a electronilor cu golurile nu exist conducie a curentului electric.

2.2. Dioda semiconductoare Un monocristal semiconductor n care se realizeaz o jonciune PN i care este prevzut

cu cte un contact ohmic la extremitile jonciunii formeaz o diod semiconductoare

2.2.1. Simbol, structur i funcionare Simbolul diodei este prezentat n figura de mai jos (a) i corespune semiconductorului

dopat de la (b). Sensul sgeii indic sensul curentului prin diod (invers sensului deplasrii electronilor). Catodul (K) reprezint semiconductorul de tip N, iar anodul (A) corespune regiunii dopate de tip P. Fizic catodul este marcat printr-o band colorat. Dioda este un dispozitiv electronic unidirecional. Deplasarea electronilor se poate realiza doar ntr-o singur direcie, invers fa de direcia sgeii, atunci cnd dioda (jonciunea PN) este polarizat direct (fig. 2.3,b).

n (fig. 2.3,c) este reprezentat caracteristica curent-tensiune a unei diode

semiconductoare din Si (prin caracteristica curent-tensiune a unui dispozitiv electronic se

+ -

-

- - -

- -

-

---

- -

- -

- -

-

--

-+

+ +

+ +

+

+

+++

+

+ ++

+

+

+

+

+ +

+ +

goluri electronielectroni goluri zona de golire

E E a b)

Fig. 2.2 Jonciunea PN polarizat direct (a ) i invers

a)

b) c)

Fig. 2.3 Dioda semiconductoare: simbol (a), polarizare direct (b), caracteristica curent-tensiune la polarizarea direct i

U U

II T1TT2

IS


16

nelege dependena grafic I=f(U)). Aceast dependena neliniar este descris prin ecuaia diodei:

= 1NkT

qU

S eII (2.1)

unde IS este curentul de saturaie (rezidual; de scpri) al diodei polarizat invers (0 pentru dioda ideal; nanoamperi pentru diode cu Si; miliamperi pentru diode de putere); e este constanta lui Euler (2,718); q este sarcina electronului (1,610-19 C); U este tensiunea de polarizare la bornele diodei (+ la polarizarea direct i la polarizarea invers); N este coeficient de emisie (depinde de tehnologia de realizare a diodei, fiind cuprins ntre 1 i 2); k este constanta lui Boltzmann (1,3810-23); T este temperatura jonciunii (K).

Se observ c la creterea temperaturii, acelai curent prin diod ID corespunde unei tensiuni UD mai mic. n cazul siliciului coeficientul de temperatur este exprimat prin:

CmVT

UctIla

DD

=

= /5,2 (2.2)

n unele aplicaii se folosete aceast proprietate a jonciunii P-N polarizat direct ca un senzor de determinare a temperaturii.

2.2.2. Circuit simplu cu diod; dreapta de sarcin i PFS al diodei Presupunem circuitul simplu cu o diod alimentat de la

o baterie sau surs electric de tensiune constant E printr-un rezistor R (fig. 2.4).

Comportarea diodei este descris prin caracteristica neliniar curent-tensiune (relaia 2.4).

Scriind teorema a doua a lui Kirchhoff (T2K) de-a lungul conturului ochiului de reea din figur rezult relaia:

0=+ EURI DD (2.3) Dependena dintre tensiunea UD i curentul ID impus de

circuitul electronic diodei se numete dreapta de sarcin i are ecuaia:

REU

RIUIRE DDDD +=+= 1; (2.4)

Deoarece curentul prin diod ID i tensiunea la bornele ei UD trebuie s satisfac simultan relaiile (2.1) i (2.4) rezult c aceste valori sunt soluia sistemului format din cele dou ecuaii. Acest sistem poate fi rezolvat prin dou metode: grafic sau numeric.

Pentru rezolvarea grafic, se ridic experimental caracteristica tensiune curent a diodei i se traseaz dreapta de sarcin prin tieturi la cele dou axe (pentru ID=0 rezult UD=E , iar pentru UD = 0 rezult ID = E/R ). Deoarece mrimile UD i ID nu variaz, dreapta de sarcin se numete static. Punctul de intersecie ),( 00 DD IUP se numete punct de funcionare static (PFS) al diodei. (fig. 2.5).

UD

ID [mA]

EE1

E/R1

E/R

E1/R

caracteristica diodei

dreapta de sarcin

UD0

ID0

0

Fig. 2.5 Dreapta de sarcin i PFS al diodei

P

Fig. 2.4 Circuit simplu cu diod

I

T2K

UD


17

Analiznd graficul se observ c: -valoarea rezistenei R reprezint panta dreptei de sarcin a diodei (negativ); orice

modificare a lui R determin o modificare a acestei pante; -valoarea tensiunii E este punctul de intersecie al dreptei de sarcin cu axa Ox i orice

modificare a sa (pstrndu-se R=ct.) determin o translatare a dreptei paralel cu ea nsi. Ridicarea experimental a caracteristicii statice a diodei presupune determinarea valorilor

ID0 i UD0 pentru diferite PFS obinute modificnd tensiunea de alimentare E.

2.2.3. Modele aproximative ale caracteristicii diodei Scopul realizrii acestor modele este acela de a analiza rapid comportarea diodelor n

diferite circuite electronice. Deoarece pentru simplificarea analizei circuitelor, caracteristicile diodelor sunt aproximate prin segmente de dreapt, modelele obinute se numesc liniare pe poriuni.

2.2.3.1 Dioda ideal (modele de semnal mare)O diod ideal are caracteristica curent- tensiune prezentat n (fig. 2.6, a).

Modelul diodei ideale este un comutator comandat de polaritatea tensiunii aplicate UD.

Cnd dioda conduce, tensiunea UD 0; dioda se comport ca un scurtcircuit, curentul fiind limitat de circuitul exterior (comutator nchis). Cnd dioda este blocat (UD < 0), curentul ID = 0 (comutator deschis). Spre deosebire de un comutator, deoarece dioda este un dispozitiv electronic unidirecional, ea conduce curentul ntr-un singur sens, de la anod la catod.

Deoarece n unele aplicaii nu se poate neglija cderea de tensiune direct pe diod,

tensiunea de prag UD0 (aprox. 0,20,4V pentru Ge, respectiv 0,60,8V pentru Si), caracteristica diodei este prezentat n (fig. 2.7, a). Aceast tensiune se consider n serie cu dioda ideal (fig. 2.7, b).

0 UD

ID

a)

A K ID

K(UD)

UD

b)

Fig. 2.6 Caracteristica curent-tensiune i modelul diodei ideale

0

UD

ID

a) UD0

b)

ID UD0

UD

Fig. 2.7 Caracteristica curent-tensiune i modelul diodei ideale cu considerarea tensiunii UD0


18

2.2.3.2 Comportarea diodei la semnal mic; rezistena dinamic (modelul de semnal mic)Prin semnal mic se nelege acel semnal la care variaia curentului sau tensiunii vrf la

vrf este mic n raport cu componenta continu (valoarea medie) a acestei mrimi. n (fig. 2.8) este prezentat caracteristica unei diode polarizat direct de ctre un astfel de semnal.

Dac lipsesc micile variaii, dioda lucreaz n punctul de funcionare stabil (PFS) de

coordonate (UD0, ID0) (punctul P). Se observ c n jurul PFS caracteristica static a diodei se aproximeaz printr-o dreapt; deci dioda se comport ca o rezisten i se numete rezistena dinamic a diodei.

Dac se scriu componentele variabile ale tensiunii i curentului prin diod:

tUIiIitIUuUu dDdDDdDdDD sin;sin max00max00 +=+=+=+= (2.5) rezistena dinamic a diodei (rezistena n c.a.) se determin cu formula:

max

max

d

d

d

dd I

Uiu

r == (2.6) Se observ c rezistena dinamic depinde de poziia PFS. Dac se ine cont de definiia

pantei unei drepte i de faptul c ea arat ct de nclinat este n raport cu abscisa rezult relaia:

DD

D RIUtg =

= (2.7) Dac m este panta dreptei de aproximare, rezistena dinamic este inversul pantei:

mRrezult

UIm D

D

D 1== (2.8)

n (fig. 2.9) este prezentat modelul diodei cu caracteristica liniarizat.

Fig. 2.8 Comportarea diodei la semnal mic

0

UD

ID

a) UD0

P

tg=RD

b)

ID UD0

UD

RD

Fig. 2.9 Caracteristica liniarizat i schema echivalent a diodei


19

n acest model, n conducie dioda este echivalent cu o surs de tensiune UD0 n serie cu rezistena dinamic a diodei RD.

2.2.4. Redresarea folosind diode semiconductoare Necesitatea redresrii curentului alternativ apare deoarece generarea i transportul

energiei de curent alternativ este mai avantajoas dect n cazul curentului continuu i deoarece majoritatea echipamentelor electronice sunt alimentate cu energie electric de curent continuu.

2.2.4.1 Redresarea unei singure alternaneSe consider schema din (fig. 2.10) unde sarcina, reprezentat prin rezistena RS este

alimentat de la reea prin intemediul transformatorului Tr i diodei redresoare D.

Dac se alimenteaz primarul transformatorului cu tensiunea tUu cosmax11 = n secundar se va induce tensiunea tUtKUuKu sincos max2max112 === . Scriind T2K n secundarul transformatorului se obine relaia uD=u2-RSiD; rezult iD=-1/RSuD+u2/RS. Aceasta reprezint ecuaia dreptei de sarcin a diodei.

n timpul alternanei pozitive a tensiunii u2 (0T/2), dioda este deschis conducnd curentul ID=IS iar uD este zero. n momentul t=T/4 cnd tensiunea u2 atinge valoarea maxim U2max curentul atinge i el valoarea maxim Imax (punctul P).

n timpul alternanei negative a tensiunii u2 (T/2T), dioda este blocat , curentul ID=IS=0 , uS este zero iar uD=u2.

Deci: -curentul prin rezistorul de sarcin iS urmrete n faz variaia tensiunii din secundarul transformatorului u2.

-tensiunea la bornele rezistorului de sarcin variaz n faz cu curentul (uS =RSiS); -cnd dioda este blocat, ntreaga tensiune din secundarul transformatorului U2m

cade pe ea, deci trebuie ca U2m s nu depeasc tensiunea de strpungere.

Pentru a se exprima performanele redresrii monoalternan se face analiza Fourier a semnalului redresat (tensiunea uS sau curentul iS). Rezult expresiile:

.....4cos15

22cos3

2cos2

)( maxmaxmaxmax ++= tUtUtUUtuS (2.9) .....4cos

1522cos

32cos

2)( maxmaxmaxmax ++= tItItIItiS (2.10)

U1

U2 UD

US

U2

U2

UD

US

a) b)

Fig. 2.10 Redresare monoalternan: schema electric (a) i diagrame temporale (b)


20

Dac se rein numai primii doi termeni rezult:

tUUtUUtuS coscos2)('max0

maxmax +=+= (2.11)

tIItIItiS coscos2)('max0

maxmax +=+= (2.12)

unde: U0 (I0) sunt componentele continue (valori medii) ale tensiunii (curentului) redresate:

max

0max0 sin2

1 UdUU == (2.13) Umax(Imax) sunt valorile maxime pentru tensiunea (curentul) redresat.

Tensiunea u2 din secundarul transformatorului are valoarea medie (continu) egal cu zero, n timp ce tensiunea redresat uS aplicat rezistenei de sarcin va avea o valoare medie (componenta continu) de aproximativ o treime din valoarea maxim a tensiunii din secundarul transformatorului, Umax/.

Parametrii redresorului monoalternan sunt:

-Factorul de ondulaie:

57,120

'max ===

UU (2.14)

-Puterea util n curent continuu (de ieire):

SSucc RIRIP

2max2

0

== (2.15) -Puterea n c.a. transmis de transformator elementului redresor (de intrare):

( ) ( )SDSDefca RRIRRIP +=+= 22max2 (2.16)

-Randamentul redresorului:

SD

S

ca

ucc

RRR

PP

+== 22 (2.17)

Se observ c la ieirea redresorului se obine o tensiune pulsatorie la care factorul de ondulaie este foarte mare (1,57). Pentru a micora acest factor se conecteaz n paralel cu rezistena de sarcin RS un condensator de capacitate mare care are rolul de netezire a vrfurilor tensiunii redresate (fig. 2.11,a).

ntr-un interval de timp t=RDC (relativ mic fa de perioada T a tensiunii u2) dioda este n conducie, tensiunea pe condensatorul C (i pe sarcina Rs) urmrete tensiunea u2. Condensatorul C se ncarc prin RD la valoarea maxim a tensiunii u2. n tot restul intervalului (=RSC), deoarece u2 va fi mai mic dect us rezult c dioda se blocheaz i condensatorul C se descarc exponenial pe rezistena de sarcin, mult mai lent dect scade la zero tensiunea u2 . Tensiunea us scade de la valoarea Umax cu uS . Variaia tensiunii pe condensator i implicit pe RS , us se numete tensiune de ondulaie. Factorul de ondulaie n acest caz are valoare mic =0,050,1.

n practic se pune problema calculrii valorii condensatorului care asigur o anumit tensiune de ondulaie us. Pentru aceasta se pornete de la sarcina acumulat n condensator pe timpul t cnd conduce dioda:

SuCQ = (2.18) Conform teoremei conservrii sarcinii, sarcina acumulat de condensator n timpul t

cnd dioda conduce este egal cu sarcina descrcat de acesta n timpul (T-t)T cnd dioda este blocat:


21

SSS R

UIundeTIQ max (2.19) Egalnd cele dou relaii de mai sus rezult valoarea capacitii pentru o ondulaie us

dat:

fuRUCiar

fRUuC

SSSS ==

maxmax 1 (2.20)

Cu ajutorul acestei formule se poate calcula i valoarea ondulaiei tensiunii redresate pentru o valoare dat a condensatorului C:

fCRUuS

S =max (2.21)

Cu ct valorile rezistenei de sarcin RS i condensatorului C sunt mai mari, cu att filtrarea este mai bun, adic ondulaia us este mai mic. Filtrarea prin condensator se recomand la cureni de sarcin slabi.

Exemplu: pentru C=5 F, Rs=2 k, Uef =24 V (Umax=33,9 V), f=50 Hz rezult

uS25,78 V (fig. 2.24 b). Invers, dac se impune tensiunea de ondulaie uS =1 V rezult valoarea condensatorului de C=340 F (fig. 2.11, c). n acest caz tensiunea efectiv msurat pe sarcin este de aprox. 32 Vcc (transformatorul Tr are raportul de transformare 1:1).

Pe lng valoarea capacitii C, la alegerea condensatorului trebuie specificat tensiunea

nominal i curentul ondulatoriu. Atunci cnd se alege dioda redresorului trebuie inut cont c ea suport periodic o

tensiune invers egal cu 2Umax (deoarece n alternana negativ tensiunea din secundarul Tr ajunge la Umax n timp ce condensatorul rmne practic ncrcat la +Umax). Acest lucru se observ i din oscilogramele prezentate n (fig. 2.11 b, c), sus. n proiectare se impune condiia ca VRRM >4Umax.

n practic pentru reducerea ondulaiilor se mai folosesc bobine de oc sau filtre LC (RC) trece jos.

innd cont de us , valoarea componentei continue a tensiunii pe sarcina RS la

redresorul monoalternan prevzut cu filtru capacitiv este dat de formula:

CRfUUuUU

S

SScont

22

maxmaxmax. (2.22)

a) b) c) Fig. 2.11 Redresare monoalternan urmat de filtrare: schema

electric (a), forme de und pentru C=5 F (b) i C=50 F

u


22

2.2.4.2 Redresarea ambelor alternaneLa redresoarele monofazate se folosete o singur alternan. Pentru creterea

randamentului redresorului se redreseaz ambele alternane ale tensiunii alternative: - cu transformator avnd priz median n secundar i dou diode redresoare; - cu transformator i punte format din patru diode redresoare.

2.2.4.2.1 Redresor dubl alternan cu priz median n secundar

n (fig. 2.12,a) este prezentat schema redresorului dubl alternan cu priz median n secundarul transformatorului. Tensiunea u1 aplicat primarului induce n cele dou jumti ale secundarului tensiunile u21 i u22 egale i n antifaz.

n semialternana n care u21 polarizeaz dioda D1 n sens direct aceasta se deschide (uD1=0) i curentul prin sarcin este IS=ID1. n acest timp dioda D2 este blocat i pe ea se aplicat o tensiune invers mai mare (aprox. 2U2max) (fig. 2.12 b,c).

n semialternana urmtoare u21 polarizeaz dioda D1 n sens invers (aceasta se blocheaz) uD12U2max; n schimb u22 polarizeaz direct dioda D2 care se deschide (uD2=0) i conduce curentul de sarcin IS=ID2. Rezistena de sarcin RS este parcurs tot timpul de curentul IS n acelai sens (curent continuu).

Se observ c tensiunea redresat este tot pulsatorie dar conine ambele alternane. Frecvena tensiunii (curentului) redresat este dubl fa de cea a curentului alternativ aplicat la intrarea redresorului.

Pentru a putea aprecia performanele redresrii bialternan se face analiza Fourier a semnalului redresat (tensiunea uS sau curentul iS). Rezult expresiile:

.....4cos15

42cos3

42)( maxmaxmax += tUtUUtuS (2.23) .....4cos

1542cos

342)( maxmaxmax += tItIItiS (2.24)

U21 U22

US

U21

UD1

U22

UD2

U21 U22

US

UD1

UD2 a)

b) c)

ID1

ID2

IS

Fig. 2.12 Redresare bialternan cu priz median n secundar: schema electric (a), diagrame temporale pentru cureni (b) i tensiuni (c)


23

Se observ c valoarea medie (componenta continu) este dubl fa de redresarea monoalternan.

Dac se rein numai primii doi termeni rezult:

tUUtUUtuS 2cos2cos342)( 'max0maxmax == (2.25)

tIItIItiS 2cos2cos342)( 'max0maxmax == (2.26)

Rezult i analitic c frecvena i valoarea medie (constant) este dubl fa de varianta redresrii monoalternan.

Parametrii redresorului bialternan sunt: -Factorul de ondulaie:

67,032

0

'max ===

UU (2.27)

-Puterea util n curent continuu (de ieire):

SSucc RIRIP

2max2

02

== (2.28)

-Puterea n c.a. transmis de transformator elementului redresor (de intrare):

( ) ( )SDSDefca RRIRRIP +

=+=

2max2

2 (2.29)

-Randamentul redresorului:

SD

S

ca

ucc

RRR

PP

+== 28 (2.30)

n acest caz valoarea ondulaiei tensiunii redresate pentru o valoare C a capacitii este:

fCRUu

SS 2

max

= (2.31) Se observ c randamentul este de patru ori mai mare dect n cazul redresrii

monoalternan iar factorul de ondulaie este de dou ori mai mic. Dac se monteaz la ieire i un filtru format dintr-un condensator se obine o netezire a

tensiunii redresate.

2.3.4.2.2 Redresor dubl alternan n punte n (fig. 2.13, a) este prezentat schema unui redresor n punte. n acest caz sunt folosite

ambele alternane ale tensiunii alternative u2 din secundarul transformatorului Tr.

a) b) c)

Fig. 2.13 Redresare bialternan n punte: schema electric (a), diagrame temporale pentru tensiuni (b) i cureni (c)

uD1

uS u2

u2

u2

uD2 uD4

uD3

uD1,2

uD3,4

uS

iD1,2

u2

iD3,4

iS

D3

D4


24

n timpul alternanelor pozitive ale tensiunii u2 diodele D1, D2 sunt polarizate direct iar D3, D4 sunt polarizate invers (blocate). Curentul prin circuit iS se nchide prin secundarul Tr (sus)-D1-RS-D2-secundar Tr (jos), sensul fiind de la + la (simbolul diodelor arat sensul curentului).

n timpul alternanelor negative ale tensiunii u2 diodele D1, D2 sunt polarizate invers (blocate) iar D3, D4 sunt polarizate direct (conduc). Curentul prin circuit iS se nchide prin secundarul Tr (jos)-D3-RS-D4-secundar Tr (sus), sensul fiind acelai ca n cazul alternanei pozitive de la + la .

n (fig. 2.13b, c) sunt ilustrate formele de und pentru curenii i tensiunile redresorului. Se observ c variaia n timp a curentului prin sarcin este aceeai ca n cazul redresrii cu priz median .

Parametrii redresorului sunt aceiai n afar de Pca i randament unde se nlocuiete RD cu 2RD.

Cu toate c factorul de ondulaie al redresoarelor dublalternan este redus la jumtate fa de cele monoalternan i n cazul acestora, pentru obinerea unor tensiuni fr pulsaii se folosesc filtre de netezire. Pentru o filtrare foarte bun se folosesc mai multe filtre n legate n serie.

2.3. Dioda stabilizatoare de tensiune (Zener); circuite de stabilizare Dac se polarizeaz invers o diod cu tensiunea cresctoare Uinv, ncepnd cu tensiunea

de strpungere curentul prin diod Iinv ncepe s creasc foarte mult la o cretere mic a tensiunii aplicate (fig. 2.14b). Exist trei tipuri de strpungere a diodei: termic, prin efect de cmp (efect Zener) i prin avalan.

Se formeaz astfel perechi electroni-goluri care sub aciunea cmpului electric se multiplic n avalan. Ultimele dou tipuri sunt strpungeri nedistructive.

Diodele a cror funcionare se bazeaz fie pe fenomenul de strpungere Zener fie pe stpungerea n avalan se numesc diode stabilizatoare de tensiune sau (impropriu) diode Zener. Prin stabilizare se nelege meninerea (aproape) constant a tensiunii inverse n condiiile variaiei largi a curentului invers.

Valoarea tensiunii Zener Uinv poate fi controlat prin tehnologie, avnd o dispersie mare.

n (fig. 2.15) este prezentat modelul diodei stabilizatoare cu caracteristica liniarizat. n

zona Zener (cadranul IV) dioda este echivalent cu o surs de tensiune UZ0 n serie cu rezistena RZ. Dac este polarizat direct (cadranul I), dioda Zener se comport ca o diod redresoare. Cu ct RZ este mai mic cu att stabilizarea este mai bun.

a) b) Fig. 2.14 Dioda stabilizatoare (Zener): simboluri (a),

caracteristica curent-tensiune la polarizarea direct i invers

mA

IDID

UD Uin

mAIZ

Uinv

Iinv1

2

RZImin

Imax


25

Un stabilizator de tensiune cu diod Zener este prezentat n (fig. 2.16,a). Dioda Zener

este polarizat invers (Anodul la i Katodul la +). Rezistorul R conectat n serie are un dublu rol: -protejeaz dioda mpotriva strpungerii termice;

-preia surplusul de tensiune de pe diod. Funcionarea acestui circuit se bazeaz pe proprietatea diodei Zener de a menine

constant tensiunea la borne UZ=US pentru variaii largi ale curentului prin diod IZ, cu condiia ca dioda s fie polarizat n regiunea Zener sau n regiunea de multiplicare n avalan. Conform (fig. 2.16,b) curentul prin diod trebuie s fie cuprins ntre IZmin (tipic 5 mA) i IZmax.

Dac se nlocuiete dioda Zener cu modelul su liniarizat pe poriuni prezentat n (fig.

2.15) aceasta va fi caracterizat de sursa UZ0 n serie cu rezistena dinamic RZ. Dac se scrie T2K se obine:

SZ

ZZZi

R

ZiZRi II

RIUUI

UURrezultURIU ++==+= )( 0 (2.32)

Dac se traseaz (prin tieturi la axe) dreapta de sarcin, aceasta are coordonatele:

-intersecia cu axa Ox: (S

Si RR

RU + , 0);

-intersecia cu axa Oy: (0, R

Ui )

Dac rezistena de sarcin RS=const.; tg = R RS = const. i la variaia tensiunii Ui dreapta de sarcin se deplaseaz paralel cu ea nsi. Punctul P este punctul de funcionare stabil.

2.4. Alte aplicaii ale diodelor semiconductoare n continuare sunt prezentate alte cteva din cele mai ntlnite aplicaii ale diodelor

semiconductoare, n afar de redresare i stabilizare a tensiunii.

a) b) Fig. 2.15 Dioda stabilizatoare (Zener): caracteristica liniarizat (a),

schema echivalent (modelul de semnal mic) (b)

a) b)

Fig. 2.16 Stabilizatorul de tensiune cu diod Zener: schema electric (a), caracteristica static i dreapta de sarcin (b)


26

2.4.1. Multiplicatorul de tensiune n multe echipamente electronice sunt necesare surse care s furnizeze tensiuni mari la

cureni de sarcin mici (expl.: alimentarea tuburilor catodice; ionizatoare de aer; contoare de particule, etc.). Acestea se numesc multiplicatoare de tensiune i au ca schem de baz dublorul de tensiune format, pe lng transformatorul de tensiune Tr din condensatoarele C1, C2 i diodele D1, D2.

n (fig. 2.17) se folosesc dou astfel de celule, astfel nct se obine o multiplicare cu patru a valorii tensiunii maxime corespunztoare tensiunii u2=Umaxsint (expl: 2Umax + 2Umax).

Pe condensatorul C2, dup cteva perioade ale tensiunii u2 se regsete o tensiune egal cu 2 Umax. Dac se repet schema dublorului (n fig.2.17 o dat) se obine o multiplicare de un numr par de ori a tensiunii din secundarul transformatorului Umax (n cazul prezentat n figur de 4 ori, fiecare din condensatoarele C2, C4, C2n ncrcndu-se la o tensiune de 2Umax).

Tensiunea obinut la ieirea circuitului este o tensiune continu. n cazul utilizrii mai multor circuite de multiplicare, deci n cazul unor tensiuni mari trebuie inut seama de acest lucru la alegerea tensiunii de lucru a condensatoarelor.

2.4.2. Circuite de limitare cu diode Se mai numesc i limitatoare de amplitudine deoarece limiteaz tensiunea de ieire la

anumite valori precizate. n (fig. 2.18) este prezentat schema unui limitator superior cu diod. Semnalul de intrare este o tensiune sinusoidal Ui.

Pentru nelegerea funcionrii se nlocuiete dioda cu modelul su (rezistena dinamic n

serie cu o surs de tensiune UD0 = 0,6 V). n (fig.2.18a) limita superioar este la aproximativ 0,6 V.

n (fig. 2.18 b) limita superioar este extins prin nserierea cu dioda a unei tensiuni de referin furnizat de o surse de tensiune continu (expl.: pentru o surs de 5 V rezult o limitare superioar de aprox. 5,6 V). De asemenea aceast tensiune de referin poate fi obinut de pe un divizor de tensiune.

Circuitul prezentat este un limitator unilateral. Pentru a se obine un limitator bilateral , adic pentru limitarea superioar i inferioar la anumite tensiuni se folosete o diod stabilizatoare .(fig. 2.19)

Fig. 2.17 Multiplicator de tensiune ( x 4Umax)

R R Ui

Ui t Uo

a)

Uo Ui 5 V

b)

Uo

Ui

UD0

UD0

c)

U0

d)

Fig. 2.18 Circuit limitator cu diod a). extinderea limitei superioare b). caracteristica de transfer c). forme de und d)


27

Pentru scderea limitei inferioare se introduce n serie i n opoziie cu dioda

stabilizatoare o a doua diod stabilizatoare. Astfel se poate obine un limitator simetric. n (fig. 2.20) este prezentat schema unui astfel de limitator. Acesta se folosete la

protejarea instrumentelor de msur i a intrrii amplificatoarelor cu amplificare mare.

2.4.3. Circuite formatoare de impulsuri n practic diodele se mai folosesc n circuite formatoare de impulsuri, cu ajutorul crora

se obin impulsuri ascuite, pozitive pentru fiecare front cresctor al unui semnal rectangular de intrare. (fig. 2.21)

Circuitul este format dintr-un derivator (filtrul RC trece-sus). Dac se mai monteaz i o diod cu catodul spre U2, aceasta va lsa s treac numai impulsurile negative. Amplitudinea impulsurilor la ieirea acestor circuite este cu aproximativ 0,6 V mai mic dect a impulsurilor de intrare datorit cderilor de tensiune pe diode.

2.4.4. Circuite pentru refacerea componentei continue n (fig. 2.22) este prezentat un circuit cu diod folosit pentru obinerea unui tren de

impulsuri cu o valoare medie pozitiv U0, dintr-un tren de impulsuri aplicat la intrare care este axat fa de zero Ui.

0

U2

0US

t

t

b)

Fig. 2.21 Circuit formator de impulsuri

Ui US R

DC

U2

Ui Uo

R

D1 D2

Fig. 2.20 Limitator simetric cu diode

Ui Uo

R

a)

-UD0

b)

Uo

Ui

UZ0

UZ0

c)

t

Ui U0

-UD0

UZ0

Fig. 2.19 Circuit limitator bilateral cu diod Zener

RS

a)

Ui D

C

U0t

Fig. 2.22 Circuit pentru refacerea componentei continue a unui semnal


28

3. TRANZISTORUL BIPOLAR

Tranzistorul bipolar (TB) a fost descoperit n anul 1948. Spre deosebire de diod care este un element pasiv, TB este un element activ deoarece permite realizarea funciei de amplificare.

3.1. Structura i funcionarea TB Este un dispozitiv electronic cu trei terminale: emitor (E), baz (B) i colector (C).

Structural este format din trei zone semiconductoare, dopate diferit cu purttori de sarcin (pozitivi i negativi). Zona central baza este mult mai subire n comparaie cu celelalte dou regiuni (aprox. 1m). n funcie de poziionarea acestor zone, tranzistoarele sunt de dou categorii: de tip npn i de tip pnp. (fig. 3.1.a i b)

Cele trei zone sunt separate de dou jonciuni, jonciunea emitor-baz (jBE) i

jonciunea colector-baz (jBC). Astfel structura tranzistorului poate fi reprezentat prin dou diode montate n opoziie. (fig. 3.2)

Aceast structur este util n cazul testrii tranzistoarelor, identificrii bazei i stabilirii

tipului acestora cu ajutorul unui ohmetru. Totui funcionarea tranzistorului ca dispozitiv electronic este diferit de cea a dou

diode montate n opoziie; funcionarea se bazeaz pe efectul de tranzistor. Dac se consider un tranzistor de tip npn polarizat conform (fig. 3.3). Tensiunea

EC>EB. Cele dou zone ale emitorului i colectorului sunt puternic dopate cu impuriti de tip n (donoare de electroni). Regiunea bazei este slab dopat cu impuriti de tip p (acceptoare de electroni). Cmpul electric creat de sursa EB injecteaz electroni din emitor n regiunea bazei, la fel ca n cazul unei diode polarizat direct. Datorit ngustimii i a slabei dopri a bazei, puini electroni liberi injectai din emitor se recombin n baz, cei mai muli difuznd n zona colectorului. Jonciunea CB nu se comport ca o diod, ci las s treac un curent important spre colector, curent de electroni liberi (curentul de colector). Acesta este n principal efectul de tranzistor sau de baz subire.

B

C

Epnp

B

C

Enpn

Fig. 3.2 Structura tranzistorului cu dou diode n opoziie

Fig. 3.1 Structura i simbolul tranzistoarelor npn (a), pnp (b) i identificarea terminalelor pentru capsula TO-92 plastic


29

Electronii recombinai n baz ar duce treptat la negativarea acesteia i deci la modificarea polarizrii jonciunii EB. Acest lucru nu se ntmpl deoarece plusul sursei EB va furniza continuu cte un gol care va compensa electronul fixat n baz prin recombinare. Astfel prin terminalul bazei circul permanent un curent de goluri (curentul de baz).

Datorit faptului c funcionarea tranzistorului se bazeaz pe circulaia celor dou tipuri de purttori de sarcin (electroni-purttori negativi-curent de colector i goluri-purttori pozitivi-curent de baz) tranzistorul se numete bipolar.

n mod normal jonciunea emitor-baz este polarizat direct, iar jonciunea colector-baz este polarizat invers. Se spune c tranzistorul bipolar este polarizat n regiunea activ normal (RAN) i funcioneaz ca amplificator. Cu ajutorul unui curent de baz mic se poate comanda un curent de colector mare.

3.2. Relaii fundamentale; modelul static al TB n (fig. 3.3) este prezentat simbolul unui tranzistor de tip npn, mpreun cu notaiile

referitoare la cureni, poteniale i tensiuni.

Cu notaiile din figur, mrimile care caracterizeaz funcionarea tranzistorului npn

sunt: -VE, VB, VC sunt potenialele emitorului, bazei i colectorului fa de un potenial de

referin (masa circuitului); -IE, IB, IC sunt curenii prin terminalele emitorului, bazei i colectorului; -UBE, UBC, UCE sunt tensiunile dintre terminale, exprimate prin relaiile:

===

ECCE

CBBC

EBBE

VVUVVUVVU

(3.1)

n simbolul tranzistorului, printr-o sgeat este indicat sensul real al curentului de emitor, atunci cnd acesta funcioneaz n regiunea activ.

Curentul de emitor IE se datoreaz electronilor injectai din emitor n baz i conform conveniei prin care s-a ales ca sens al curentului sensul de micare al purttorilor pozitivi de sarcin (golurile), deci sensul opus micrii electronilor, curentul iese din emitor.

* Conform acestei convenii, un curent are sensul de la un potenial mai ridicat ctre un potenial mai sczut, dei electronii circul n sens invers.

Curentul de colector IC este dat de electronii care, datorit bazei subiri au trecut din baz n colector. (la fel sensul este contrar deplasrii electronilor)

Curentul de baz IB este format din golurile care nlocuiesc electronii care se recombin i se fixeaz n baz. Curenii de baz i colector intr n tranzistor. Astfel dac se consider tranzistorul ca un nod i se scrie T1K rezult:

C

E

B

IC

IB

IE

UCE UBE

VBVE

VC

Fig. 3.3 Simbolul i notaiile mrimilor curenilor i tensiunilor pentru tranzistorul npn


30

CBE III += (3.2)

Dac se definete ctigul static n curent sau raportul static de transfer al curentului h21E sau prin relaia:

B

CE I

Ih == 21 (3.3) Acest parametru se mai noteaz cu hFE sau F i se numete factor de amplificare n

curent continuu (DC current gain) i are valori uzuale cuprinse ntre 10..1000. Rezult:

BC II = (3.4) Se observ c n colector tranzistorul se comport ca un generator de curent la care

curentul de colector este comandat (este dependent) de curentul de baz. nlocuind n (3.2) rezult c:

)1( +=+= BBBE IIII (3.5)

n practic se poate aprecia c: EC II (3.6)

Cum jonciunea emitor-baz se comport ca o diod i dac se nlocuiete dioda cu

modelul su pentru polarizare direct se obine modelul static pentru tranzistorul funcionnd n regiunea activ (fig. 3.4):

Tensiunea UBE este de 0,6 V n cazul tranzistoarelor cu siliciu. n cazul tranzistoarelor

pnp se schimb sensurile curenilor i tensiunilor precum i sensul diodei i al tensiunii UBE.

3.3. Conexiunile i caracteristicile TB Dac se privete un tranzistor ca un diport (cuadripol), acesta poate lucra n trei tipuri de

conexiuni i anume: -conexiunea emitor comun (EC): -mrimi intrare (IB, UBE); -mrimi ieire (IC, UCE) (fig. 3.6 a); -conexiunea baz comun (BC): -mrimi intrare (IE, UBE); -mrimi ieire (IC, UCB) (fig. 3.6 b); -conexiunea colector comun (CC): -mrimi intrare (IB, UBC); -mrimi ieire (IE, UEC) (fig. 3.6 c). Terminalul comun aparine att circuitelor de intrare ct i circuitelor de ieire.

Semnalul (tensiunea) de intrare se aplic prin partea stng, iar cel de ieire se obine n partea dreapt.

n (fig. 3.5) sunt prezentate tipurile de conexiuni n care poate funciona un tranzistor npn. n cazul tranzistorului tip pnp se inverseaz sensurile tensiunilor i curenilor.

E

B CIB IC

IE

IB

a)

UBE0

E

B C

IE

IB IC IB

b)

Fig. 3.4 Modelul static pentru tranzistorul npn


31

Pentru a aprecia comportarea n curent continuu a unui tranzistor bipolar trebuie trasate

caracteristicile acestuia, n funcie de tipul conexiunii. Acestea sunt: -caracteristici de ieire prezint dependena dintre mrimile de ieire; aceast

dependen este parametrizat n funcie de una din mrimile de intrare; pentru fiecare valoare a parametrului rezult o caracteristic, astfel nct n final rezult o familie de caracteristici. Aceste caracteristici de ieire fac parte din specificaiile de catalog ale tranzistoarelor.

Expl: -pt. conexiunea EC avem ctICEC BUfI == )( unde IB este parametru; -pt. conexiunea BC avem ctICBC EUfI == )( unde IE este parametru;

n (fig. 3.6) sunt prezentate caracteristicile de ieire ctICEC BUfI == )( pentru tranzistoare npn (a) respectiv pnp (b), n conexiune EC.

n cazul modelului idealizat din (fig. 3.6 b) curentul IC=IB nu depinde de tensiunea

UCE i caracteristicile de ieire ar trebui s fie paralele cu axa tensiunilor. n realitate ele prezint o uoar cretere.

Caracteristicile sunt reprezentate n cadranul nti pentru tranzistorul de tip npn i n cadranul trei pentru tranzistorul de tip pnp. La tranzistorul pnp UCEIB1

IC

UCE

a) b)

Fig. 3.6 Caracteristici de ieire IC=f(UCE) cu IB parametru: a) pentru un transistor npn b) pentru un transistor pnp

Fig. 3.5 Conexiunile tranzistorului npn: EC-a, BC-b, CC-c

INTRARE

IE IC

UBCUBE

INTRARE INTRARE IEIRE IEIRE IE

IB

UBC

IEIRE

a) b) c)

UCE UEC

IC

IB

UBE


32

-pt. conexiunea BC avem ctUCBE BCUfI == )( unde UBC este parametru; n (fig. 3.7) este prezentat caracteristica de intrare pentru un transistor funcionnd n

conexiunea EC. Aceasta este de fapt caracteristica unei diode semiconductoare.

3.4. Dreapta de sarcin static, punctul de funcionare static i regiunile de funcionare ale TB

Se consider tranzistorul npn funcionnd n conexiune EC prezentat n (fig. 3.8 a):

Pentru analiza comportrii tranzistorului se traseaz caracteristicile de ieire IC=f(UCE) .

Sunt trasate trei caracteristici, pentru trei valori ale curentului de baz IB. Legtura impus de circuitul exterior mrimilor IC i UCE este dat de dreapta de sarcin care se obine scriind T2K n ochiul EC:

CECCC URIE += (3.7) Particulariznd ecuaia dreptei de sarcin (3.7) pentru UCE=0 i IC=0 se obin

interseciile cu axele (Oy) respectiv (Ox) (dreapta prin tieturi) (fig. 3.6 b). Punctul de funcionare static (PFS) de coordonate (UCE0, IC0) se obine la intersecia

dintre dreapta de sarcin i caracteristica de ieire a tranzistorului. Pentru a afla valoarea curentului de baz fixat se scrie T2K n ochiul bazei:

BEBBB URIE += (3.8) Rezult:

B

BEBB R

UEI = (3.9)

IC

+EC

IC

RC RB

+EB IB

UCE

UBE

a) b) Fig. 3.8 Tranzistor npn n conexiune EC a) i aflarea punctului static de

funcionare PFS b)

IC

UCE 0

PFS

PFS1

PFS2

EC UCE0

IC0

EC/RC

IB0

IB1>IB0

IB2 UBC1

Fig. 3.7 Caracteristica de intrare n conexiunea EC


33

Unde UBE 0,6 V pentru tranzistoare cu siliciu. Se observ c dac se crete valoarea curentului de baz la IB1 > IB0 PFS se deplaseaz

spre stnga, n PFS1. Dac curentul de baz scade la IB2 < IB0 , PFS se deplaseaz, pe dreapta de sarcin spre dreapta-jos n PFS2.

Dac se iau dou puncte de pe dreapta de sarcin, se definete panta dreptei de sarcin astfel:

CC

cRU

Itg 1== (3.10)

Analiznd caracteristicile de ieire din (fig. 3.9 a) se disting urmtoarele regiuni (zone)

de funcionare distincte: -regiunea de saturaie; -regiunea activ normal (RAN); -regiunea de blocare; -regiunea de strpungere n avalan. Se observ c pentru valori mici ale tensiunii UCE (


34

Funcionarea tranzistorului n regiunea de blocare se caracterizeaz prin polarizarea invers a celor dou jonciuni (UBC


35

La proiectarea circuitului de polarizare se impune un anumit PFS pentru un tranzistor

dat (IC=IC0 i UCE=UCE0). De exemplu pentru un tranzistor tip BC171 IC=IC0=2 mA i UCE=UCE0=5 V. Coeficientul =h21=125900 (n calcule se ia valoarea medie 500).

Pentru alegerea tensiunii continue de alimentare se pune condiia ca PFS s se afle la jumtatea RAN, pentru a asigura excursia simetric maxim a tensiunii de ieire UCE n jurul PFS dat de UCE0. Pentru aceasta alegem o surs cu tensiunea dubl tensiunii UCE0 :

02 CEc UE (3.15)

Cunoscnd EC i scriind T2K n circuitul colectorului rezult:

0

0

C

CECC I

UER = (3.16) n mod analog, scriind T2K pentru circuitul bazei rezult:

0

0

B

BECB I

UER = (3.17) Cum UBE0 EC i IC=IB rezult:

00 C

C

B

CB I

EIER = (3.18)

Astfel a fost proiectat circuitul de polarizare al tranzistorului care asigur funcionarea cu =500 n PFS impus. Se pune ntrebarea ce se ntmpl n cazul n care, datorit dispersiei tehnologice valoarea ia o alt valoare?

Din relaia (3.16) , impunnd rezistena de polarizare a bazei RB rezult c circuitul exterior fixeaz curentul de baz la valoarea constant:

.0 ctREI

B

cB = (3.19)

Dac se folosesc alte tranzistoare de acelai tip dar avnd diferit, ecuaia pentru UCE0

va fi (din relaia 3.16):

==

B

CCCBCCE R

RERIEU 100 (3.20) i se vor obine alte PFS deplasate, astfel nct excursia de tensiune se micoreaz. Deci n cazul circuitului de polarizare prezentat, PFS este puternic dependent de factorul

al tranzistorului. n (fig. 3.12) este prezentat schema de polarizare a bazei cu stabilizarea

parial a PFS.

+EC

RC

UCE

UBE

+EC

RC RB

UCE

UBE

IB

Fig. 3.11 Schema de polarizare pentru tranzistorul npn


36

Se parcurg aceiai pai ca n cazul precedent (se impune PFS, se alege , se stabilete

tensiunea sursei de alimentare), se calculeaz rezistenele de polarizare cu formulele:

0

0

00

0

C

CEC

BC

CECC I

UEII

UER += (3.21)

i

0

0

0

0

0

00

C

CE

C

CE

B

BECEB I

UI

UI

UUR

== (3.22)

Din relaia (3.22), fixnd valoarea rezistenei RB se calculeaz valoarea curentului prin baz la funcionarea tranzistorului n PFS cu formula:

B

CE

B

BECEB R

UR

UUI 0000 = (3.23) Se observ c n acest caz, curentul de baz nu este fixat ci este dependent de tensiunea

colector emitor n PFS, U0CE . Dac se exprim U0CE din (3.21) i folosind (3.23) rezult:

B

CECCBCCCCCCE R

UREIREIREU0

000 ===

B

C

CCE

RR

EU+

=1

0 (3.24)

Dac se nlocuiete cu valori egale cu cele din exemplul precedent de polarizare, PFS

se deplaseaz, dar cu o valoare mai mic (reflectat prin modificarea tensiunii U0CE ). Stabilizarea PFS se realizeaz prin urmtorul lan cauzal: Dac

Astfel prin reacia negativ n curent continuu are loc o compensare a modificrii

factorului care iniial duce la creterea curentului I0C pentru ca, n final curentul I0C s scad.

n (fig. 3.13 a) este prezentat schema de polarizare a bazei cu stabilizarea total a PFS.

=h21 I0C U0CE I0B I0C (3.3) (3.23) (3.3)(3.22)

Fig. 3.12 Schema de polarizare cu stabilizare parial a PFS

RB

+EC

UCE

UBE

+EC

RC

UCE

UBE

IB


37

Pentru polarizarea bazei se folosete divizorul rezistiv format din rezistenele RB1, RB2. Dac se scrie ecuaia dreptei de sarcin static a tranzistorului:

CECECC URRIE ++= )( (3.25) Aceast dreapt este trasat prin tieturi n (fig. 3.13 b):

-pentru UCE=0 rezult CE

CC RR

EI += ; -pentru IC=0 rezult UCE = EC

Pentru a asigura o excursie simetric a tensiunii de ieire UCE se alege PFS la mijlocul

RAN. Acest lucru se traduce prin urmtoarele dou condiii:

CCE EU = 210 (3.26)

CE

CC RR

EI += 210 (3.27)

Dac ne propunem proiectarea circuitului trebuie parcurse etapele: Etapa 1:

Se alege tipul tranzistorului, de exemplu BC 171. Etapa 2:

Se impune poziia PFS prin (U0CE , I0C ). (Expl: U0CE =5 V i I0C=2 mA) Etapa 3:

Folosind (3.26) se alege sursa de alimentare: 02 CEC UE = (3.28)

(Expl: EC=10 V) Folosind (3.27) se obine suma RE+RC :

02 CC

CE IERR =+ (3.29)

(Expl: RE+RC=2,5 k)

+E

RB1

RB2

UCE

RC

IBIC

RE

U0CE

I0C

0

IC [mA]

UCE [V]

PFSUBE0

+EC

RC

RE

RB IBEB

IB

a) b) c) Fig. 3.13 Schema de polarizare cu stabilizare total a PFS a), dreapta de sarcin b),

circuitul echivalent (modelul tranzistorului) c)


38

Etapa 4: Pentru alegerea rezistenei RE se alege potenialul emitorului VE de aprox. 1 V. Un

potenial VE prea mic sensibilizeaz PFS cu temperatura (datorit UBE0), n timp ce un potenial prea mare limiteaz excursia tensiunii de ieire UCE.

0C

E

E

EE I

VIVR = (3.30)

(Expl: RE=1V/2mA=0,5k) Etapa 5: Se calculeaz potenialul bazei cu formula:

BEEB UVV += (3.31) (Expl: VB=1+0,6=1,6 V) Etapa 6: Se calculeaz valoarea maxim a curentului de baz care s-ar obine pentru min al

tranzistorului. n exemplul considerat, pentru BC171 min este 125 i rezult:

AII CB 161250

0max ==

Etapa 7: Baza tranzistorului este polarizat prin divizorul format din RB1 i RB2. Pentru ca

potenialul bazei s fie independent de curentul din baz se alege un curent prin divizor egal cu: 0

max10 Bdiv II = (3.32) (Expl: Idiv=0,16mA) n acest caz potenialul bazei va fi calculat cu formula:

21

2

BB

BCB RR

REV += (3.33) Etapa 8: Se determin rezistenele care formeaz divizorul bazei cu formulele:

div

BB I

VR =2 (3.34)

div

BC

Bdiv

BCB I

VEII

VER += 01 (3.35)

(Expl: RB2=1,6V/0,16mA=10k i RB1=(10-1,6)/0,16mA=52,5k)

Valorile rezistenelor se aleg din valorile normalizate (Expl: 10k i 51k). Diferenele fa de valorile calculate, toleranele acestora i faptul c nu s-a inut cont de UCEsat face ca PFS s nu fie chiar n centrul RAN.

Se observ c pentru Idiv 10 IB , PFS nu depinde de al tranzistorului. Dac se cunosc elementele circuitului (EC, RB1, RB2, RC, RE) se poate face analiza

circuitului. Acest lucru nseamn determinarea PFS. Pentru aceasta: -din (3.31) se calculeaz VB; -din (3.30) se calculeaz VE;

-se calculeaz: E

EC R

VI =0

-se calculeaz: )(00 CECCCE RRIEU +=


39

Instabilitatea PFS prin modificarea parametrilor tranzistorului datorit temperaturii

Parametrii tranzistorului care sunt dependeni de temperatur sunt: -ctigul de curent =h21 crete odat cu creterea temperaturii; -tensiunea 0BEU scade cu 2,5 mV/C; -curentul rezidual de colector ICB0 (este curentul invers al jonciunii CB dac emitorul

este n gol) crete cu temperatura;

3.6. Comportarea TB la semnal mic. Modele dinamice Comportarea TB la semnal mic intereseaz n special la studiul amplificatoarelor.

Semnal mic nseamn variaiile mici ale mrimilor n jurul valorilor ce caracterizeaz PFS. Parametrii importani care caracterizeaz comportarea TB la variaii mici sunt: 1. Ctigul n curent la variaii mici h21e (msurat cu tranzistormetrul)

bv

cv

B

ce i

iIIh =

=21 (3.36) Acest parametru se mai noteaz cu hfe i se numete factor de amplificare n curent

alternativ (AC current gain) i are valori uzuale mai mari dect hFE = h21E . Definiia acestui parametru este ilustrat n (fig. 3.14) pentru un = 500.

2. Impedana de intrare h11e Dac semnalul de intrare se aplic ntre BE atunci tranzistorul se poate afla fie n

conexiunea BC, fie n conexiunea EC (fig. 3.15); n prima variant impedana de intrare h11e este vzut dinspre emitor, iar n a doua variant dinspre baz.

Tranzistorul funcioneaz n PFS i i se aplic un semnal de variaii mici n jurul acestui

PFS. Pentru conexiunea BC, rezistena (impedana) vzut va fi:

][25mAIi

uI

UrEev

bev

E

BEe =

= (3.37)

UBE

BC

UBE

EC

Fig. 3.15 Impedana de intrare h11e vzut dinspre emitor (BC) sau dinspre baz (EC)

IC[mA]

IB[A] 5

10

IC IB

Fig. 3.14 Dependena curentului de colector de curentul bazei h21e


40

Pentru conexiunea EC (cum ievicv , se nmulete i se mparte cu aceti cureni) impedana de intrare va fi :

eeev

bev

bv

cv

ev

cv

bv

bev

B

BEe rhi

uii

ii

iu

IUh ==

= 2111 (3.38)

Dac pentru regimul static relaia dintre cureni este: BCE III +=

Pentru regimul de semnal mic devine: bvebvbvebvcvev ihiihiii +=+= 2121 (3.39)

Sintetiznd relaiile ntre variaiile de tensiune i curent rezult:

-Din bv

cve i

ih =21 rezult: bvecv ihi = 21 (surs de curent) (3.40)

-Din bv

beve i

uh =11 rezult: bvebev ihu = 11 (3.41) - cvbvev iii += (3.42)

Dac se reprezint ultimele trei relaii sub form de circuit se obine modelul n parametri h simplificat al tranzistorului bipolar (fig. 3.16):

Astfel TB este un dispozitiv electronic comandat n curent, generatorul de curent

variabil din colector fiind dependent (comandat) de curentul din baz (de intrare). Dac se exprim curentul colectorului n funcie de tensiunea variabil de intrare se

obine:

bevmbeve

e

e

bevebvecv uguh

hhuhihi ====

11

21

112121 (3.43)

Parametrul mg se obine din relaia:

ebev

cv

bv

bev

bv

cv

e

em ru

i

iuii

hhg 1

11

21 ==== (3.44)

i se numete transconductan (este inversa rezistenei re). nlocuind n (fig. 3.16) se obine modelul simplificat al tranzistorului bipolar (fig.

3.17):

E

iev

Bibv icv

C

h21eibvh11e

Fig. 3.16 Modelul dinamic n parametri h simplificat pentru TB


41

Modelul n simplificat poate fi completat (adaptat) pentru a descrie comportarea TB la

nalt frecven. Pentru semnale de amplitudine mic se consider TB ca un cuadripol liniar (fig. 3.18):

Comportarea tranzistorului la semnal mic poate fi descris prin relaiile liniare ntre

curenii i tensiunile de intrare, respectiv ieire:

+=+=

cevebvecv

cevebvebev

uhihiuhihu

2221

1211 (3.45)

sau matricial:

cev

bv

ee

ee

cv

bev

ui

hhhh

iu =

2221

1211 (3.46)

Folosind aceste ecuaii se poate desena pentru TB modelul n parametri h complet (fig.

3.19):

Indicele e vine de la conexiunea emitor comun; pentru baz comun se folosete b iar

pentru colector comun litera c. Indicii numerici vin de la numrul liniei i coloanei respective. Litera h vine de la hibrid i sugereaz faptul c fiecare parametru din cei patru are o alt

dimensiune. Astfel: -h11e are dimensiune de rezisten (Ohm, );

E

B ibv icv C

29 Electronica Analogica Curs

Documents

Transcript of 29 Electronica Analogica Curs