Dioda semiconductoare

5/12/2018 Dioda semiconductoare - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/dioda-semiconductoare-55a4d52fa6813 1/29

TRODUCERE.

Dioda este una din cele mai simple aplicatii ale semiconductoarelor.Functionarea sa microscopica

este asimilabila cu cea aunui intrerupator comandat care nu lasa sa treaca decat intr-un singur sens

curentul.

Aceasta proprietate ii deschide un camp larg de aplicatii in electronica.Este dioda cea care va

permite redresarea statica a curentului alternativ(dinamic aceasta redresare se realiza si se mai

realizeaza inca prin intermediului sistemului lamele-perii colectoare de la generatoarele de curent

continuu-dinamuri-) si intra in componenta alimentatoarelor stabilizate care sunt obligatorii in

majoritatea montajelor electronice.Concluzionam deci ca aceasta componenta sta la baza electronicii

actuale(principiul jonctiunii pn, np sta la baza tranzistorului etc.) si este o componenta fundamentala.

In categoria diodelor se gasesc de asemeni diodele stabilizatoare numite diode zenner care au un

comportament de sursa de tensiune.Aceasta proprietate permite eleborarea cu a 858d33i ceasta

componenta simpla a unor montaje ce l ivreaza tensiuni continue de valori diferite .

Functia de dioda a existat cu mult inaintea descoperirii diodei semiconductoare:

s-a utilizat multi ani(si in unele aplicatii se mai utilizeaza si astazi), dida cu vid(lampile) a caror

functionare era bazata pe efectul termoelectric.

Dioda semiconductoare aduce insa niste avantaje extraordinare in ce priveste costul,fiabilitatea,

dimensiunea si simplitatea in utilizare.

PRINCIPIUL DE FUNCTIONARE.

JONCTIUNEA

Daca se dopeaza o parte dintr-un semiconductor intrinsec[semiconductorul intrinsec este acel

semiconductor in care concentratia de sarcini positive (goluri) este egala cu cea de sarcini negative

(electroni)] cu atomi avand 5 electroni periferici(semiconductorul devenind extrinsec de tip n ) si alta

parte cu atomi avand 3 electroni periferici(extrinsec de tip p) se ceeaza o jonctiune, care este de fapt

limita de separatie intre cele doua parti.Asa se fabrica deci o dioda cu jonctiune.



Fig.1 Jonctiunea



Jonctiunea PN

nealimentata.

Fig.2 Jonctiunea PN nealimentata.



Fig.3 Echilibru la nivelul jonctiunii.

In vecinatatea jonctiunii, golurile zonei P vor neutraliza electronii liberi din zona N, in urma unei difuzii

de sarcini.Acest fenomen se va opri atunci cand campul electricEint(vezi desenul) creat de atomiidonori[pentavalenti(P,As,Sb)] sau acceptori[trivalenti(B,Al,Ga)] care vor deveni respectiv sarcini + si-, o

sa fie sufficient pentru a se opune miscarii sarcinilor mobile.Se formeaza deci o bariera de potential

pentru purtatorii majoritari(electroni la jonctiunea N si goluri la cea P) si aceasta bariera va favoriza

trecerea purtatorilor minoritari(conductie electrica) .Cei doi curenti antagonisti(difuzie de majoritari si

conductie de minoritari) se echilibreaza si suma lor devine nula in regim permanent si in absenta

campului electric exterior.

Cu un generator in sens direct.



Fig.4 Jonctiune PN alimentata direct.

Bariera de potential interna impiedica deci circulatia curentului.Daca se aplica un camp extern cu

ajutorul unui generator bransand polul + la P si polul - la N se poate anula efectul campului intern sise va

permite curentului sa circule: fenomenul de atractie de electroni liberi din partea N de catre goluri din

partea P (difuzie) nu mai este echilibrat si generatorul va putea injecta electroni in zonz N si sa-i

deplaseze prin zona P.

Curentul de conductie format de catre purtatorii minoritari ia o valoare If , independenta de campul

exterior.

Curentul total este deci suma celor doi curenti( de goluri si de electroni) este practic curentul direct

datorat purtatorilor majoritari de indata ce tensiunea directa atinge cateva sutimi de milivolt.

Dioda este atunci polarizata in sens direct si un current rlativ intens poate circula: de la cateva zecimi de

miliamper pentru diodele de semnal la cativa amperi pentru diodele redresoare standard si cateva sute

de amperi pentru diodele industriale de foarte mare putere.

Cu generator in sens invers.



Fig.4 Jonctiune alimentata invers.

Daca se branseaza generatorul de tensiune in sens invers fata de cazul precedent se intareste campul

electric intern si se impiedica trecerea purtatorilor majoritari: electronii liberi sunt respinsi in zona N si

golurile in zona P.

Din contra, purtatorii minoritari(goluri pentru zona N si electroni liberi pentru zona P) pot traversa

jonctiunea si trec prin generator: ei formeaza curentul invers If care deoinde essential de temperatura.

Campul exterior resping sarcinile care se vor gasi la o distanta sensibil proportionala cum tensiunea

inversa creand astfel o capacitate proportionala cu aceasta distanta deci cu aceasta tensiune.

Aceasta capacitate este inerenta tuturor jonctiunilor semiconductoare si o sa constitue

principala limitare(in regim liniar cel putin) la functionarea la inalta frecventa a componentelor

electronice(diode, tranzistoare si circuite integrate).

Caracteristicile electrice.

Caracteristica current/tensiune.

Caracteristica globala.

S-a vazut pana acum ca pentru o tensiune Vd=Vp-Vn negativa(este adevarat numai pana la o tensiune

Vc numita tensiune de strapungere) curentul este neglijabil.Deasupra unui nivel Vo a tensiunii

Vd positive, curentul direct creste rapid cu Vd.Nivelul Vo(bariera de potential) depinde de



semiconductorul intrinsic de baza utilizatAcest nivel este de aproximativ 0.2V pentru germaniu si 0.6V

pentru siliciu.

Caracteristica are forma din fig.6

Caracteristica are forma urmatoare:

Fig. 6

Caracteristica directa (Vd > 0)

Fig. 7 Caracteristica directa a unei diode

Pentru acest tip de dioda(1N4005 dioda redresoare suportand 1A in direct si 600V tensiune inversa) cu

siliciu curentul creste destul de rapid mai sus de 0.7V.

In jurul lui zero.

Caracteristica trece prin originePentru Vd negativ, curentul tinde rapid catre limita -If(current de fuga),

caci curentul de difuzie datorat purtatorilor majoritari se va anula, ramanand doar un current mic

datorat purtatorilor minoritari, numit curent invers.

Caracteristica inversa. (Vd < 0).Fenomenul de strapungere.



Cand tensiunea aplicata depaseste valoarea specificata de fabricant, curentul descreste

( atentie: el este deja negativ) foarte rapid.Daca acesta nu este limitat de elemente externe, dioda se

distruge rapid.

Doua fenomene sunt la originea acestui rezultat;

Fenomenul de avalansa: cand campul electric la nivelul jonctiunii prea intens, electronii accelerati

pot sa ionizeze atomii prin ciocnire, ceea ce face sa se elibereze alti electroni care sunt la randul lor

accelerati dand nastere la un current important.

fenomenul Zener: electronii sunt smulsi atomilor de catre campul electric in zona de tranzitie si creand

un current care devine repede intens cand tensiunea Vd atinge o valoare Vz numita tensiune Zener.

Daca se construieste o dioda pentru ca fenomenul Zener sa fie cel de baza(aranjandu-se ca zona de

tranzitie sa fie stramta) se obtine o dioda Zener.

Se utilizeaza atunci aceasta dioda in polarizare inversa iar in acest caz efectul Zener nu mai este

distructiv ca in cazul unei diode obisnuite(redresoare sau de semnal).Aceste diode sunt forte utilizate

pentru reglarea tensiunii in stabilizatoarele de tensiune.

Ecuatia

Fig. 8. Liniaritatea log(I) functie de Vd.

Curba din fig.6 (cu exceptia zonei de strapungere-hasurata-) raspunde destul de bine la formula

urmatoare explicata prin termodinamica statistica:



unde :

If este curentul de fuga

q sarcina electronului = 1,6E-19C

k constanta lui Boltzman = 1,38E-23 J/K

T temperatura absoluta

Legea logaritmica [1] este bine ilustrata de figurile 7si 8.Curba experimentala se departeaza de teorie la

curenti foarte mari unde modelul nu tine cont de alte fenomene

, ca de exemplum caderea de tensiune pe semiconductor.

De notat ca in figura 8, curentul maxim reprezentat este egal cu 1/10 din cel admisibil pentru aceasta

dioda

Efectul de temperatura

Pentru Vd. Pozitiv, dioda are un coefficient de temperatura negativ, egal cu -2mV/K.Aceasta deriva este

sufficient de stabila pentru a se putea folosi diodele pentru realizarea de traductoare de

temperatura.Pentru Vd. Negativ, curentul de fuga variaza foarte rapid cu temperatura.el teste mai

important pentru germaniu decat pentru siliciu si creste repede, ceea ce devine jenant destul de

repede.La siliciu, acest current se dubleaza la fiecare 6°C.

°C.

Rezistenta diferentiala(sau dinamica).

Fig. 9. Rezistenta dinamica.



Rezistenta dinamica fiind inversul pantei caracteristicii intr-un punct dat, se poate deduce prin derivarea

formulei [1]:

Aceasta este rezistenta dinamica in punctual de functionare (Vd , Id).Ea este functie de curentul de

polarizare Id in punctul studiat.

Fig.9 da valoarea lui rd in functie de teniunea pe dioda: variatiile sunt foarte importante.

Schema echivalenta

Reprezentarea diodei prin legea sa logaritmica este destul de complexa pentru utilizarea obisnuita.De

aceea s-au conceput mai multe scheme echivalente simplificate:

Dioda ideala.

In acest caz, se neglijeaza tensiunea de prag si rezistenta interna a diodei.caracteristica este atunci cea

din fig.10.

Aceasta schema este utila pentru precalcule, mai ales daca diodele sunt utilizate in circuite unde

tensiunile sunt ridicate(zeci de volti): in acest caz tensiunea de prag poate fi neglijata.

Fig. 10. Caracteristica ideala.

Dioda cu prag.

In acest caz se neglijeaza rezistenta interna, dar se tine cont de pragul diodei.catacteristica devine:



Fig. 11. Caracteristica cu prag.

Aceasta schema este cea mai utilizata in calcule.

Dioda cu prag si rezistenta interna.

Aici se tine seama de rezistenta dinamica a diodei.Acest lucru devine util daca se utilizeaza dioda la

semnale mici alternative.

Fig. 12.Caracteristica cu prag si rezistenta.

Atentie: in acest caz se considera ca rezistenta dinamica este constanta, ceea ce nu esteadevarat decat

daca variatia semnalului alternativ este mica in jurul punctului de polarizare in current continuu.

UTILIZARE.

Exista diverse tipuri de diode corespunzand la tehnologii diferite.Fiecare tehnologie prezinta cel mai bun

compromis pentru o anume utilizare .

Noi o sa trecem in revista aplicatiile diodei clasificandu-le pe grupe tehnologice.

Parametrii esentiali ai diodelor.

In functie de aplicatie vor interesa unii parametric ai diodelor mai mult decat altii.Unii parametric nu

sunt specificati pentru toate tipurile de diode in afa ra de cei care sunt foarte importanti:

VF : tensiunea de prag specificata la un current de prag dat.

IF : curentul direct permanent admisibil prin dioda la temperatura maxima de functionare.

IFSM : curentul temporar de suprasarcina(regim de impulsuri).In general, pentru un current de

suprasarcina dat, constructorul specifica amplitudinea impulsurilor, durata lor,raportul ciclic si in unele

cazuri, numarul maxim de impulsuri care pot fi aplicate.

VR :aceasta este tensiunea inversa maxima admisibila prin dioda(inaintea avalansei).

IR : curentul invers prin dioda.El este specificat la o tensiune inversa data si pentru mai multe

temperaturi(in general 25°C si Tmax).Acest current nueste singurul datorat purtatorilor minoritari.El

provine de asemeni dincurentii paraziti formati la suprafata cip-ului(siliciul este pasivat prin oxidare si



pot subzista impuritati care vor permite trecerea curentilor mici).Carcasa de incapsulare a diodei de

siliciu este de asemenea o sursa a curentilor de fuga.

Simbolurile de mai sus sunt in general utilizate de diferiti constructori, dar pot exista si alte

variante: este bine deci de a se consulta documentatia pe careo ofera fabricantul pentru fiecare dida

utilizata intr-o aplicatie pentru a vedea corespondenta corecta intre parametric si simboluri.

DIODELE REDRESOARE.

Una din principalele aplicatii ale diodelor o constitue redresarea tensiunii alternative pentru realizarea

generatoarelor de tensiune continue destinate alimentarii montajelorelectronice(intre altele).

Exista doua tipuri principale de diode redresoare: diodele standard pentru redresarea clasica si diodele

rapide pentru alimentatoare speciale pe care le vom studia mai tarziu.

Caracteristici fizice

Diodele redresoare standard sunt mai putin sofisticate si nu fac obiectul nici unui tratament particular,

conditiile d utilizare fiind putin constrangatoare.Ele au tensiuni VRcuprinse intre 50 si 1000V

aproximativ, si curentii IF merg de la 1A pana la mai multe sute de amperi.

Inaintea sistemului de redresare exista aproape intotdeauna un transformator care serveste la scaderea

tensiunii alternative utilizate(montajele electronice functioneaza adesea la tensiuni de polarizare

mergand de la cativa volti la cativa zeci de volti) si care serveste de asemenea la izolarea montajelor de

tensiunea de 220V care poate sa faca rau atat montajului electronic, in cazul unor defectiuni de

componente utilizate pentru aducerea acesteia la o valoare potrivita pentru realizarea alimentatorului,cat si utilizatorului, prin electrocutare.

Redresare simpla alternanta.

Este redresarea cea mai simpla care exista: cand tensiunea la bornele transformatorului Vt depaseste

tensiunea de prag a diodei, aceasta conduce, lasand sa treaca curentul direct prin sarcina.Tensiunea la

bornele sarcinii Vr este atunci egala cu tensiunea la bornele transformatorului, mai putin tensiunea

directa VF prin dioda.



Fig. 13. Redresarea monoalternanta(cu o dioda).

Cand tensiunea la bornele transformatorului devine inferioara tensiunii de prag, dioda se blocheaza: nu

mai subzista decat curentul de fuga(invers) care este neglijabil in comparatie cu curentul direct.

Tensiunea la bornele diodei este atunci egala cu cea de la bornele transformatorului( va trebui deci

aleasa o dioda care sa aiba o tensiune inversa VR cel putin egala cu amplitudinea tensiunii din

secundarul transformatorului) iar, bineinteles pe sarcina tensiunea va fi zero.De fapt, pentru tensiuni

mai de redresat(zeci de volti) diagrama din fig.13 este sufficient de exacta.In cazul unor tensiuni mai

mici, sau pentru rigoare trebuie precizat ca forma de unda pe rezistenta de sarcina este decalata cu 0.6V

in jos adica alternanta pozitiva va fi cu 0.6V mai mica decat amplitudinea sinusoidei din secundarul

transformatorului iar alternanta negativa va avea 0.6V(bineinteles decupata in sinusoida de baza).

Redresare dubla alternanta.

Cu transformator cu priza mediana.

Fig. 14. Redresare cu priza mediana.

Montajul precedent prezinta inconvenientul de anu lasa sa treaca decat o singura alternanta.



Pentru a remedia acest inconvenient se utilizeaza un transformator cu priza mediana si doua diode

montate ca in figura 14.

Asa cum am precizat la redresorul monoalternanta, caderea de tensiune pe dioda devine importanta

pentru tensiuni alterantive mici(4V spre exemplu).

In acet caz, totul se petrece casi cum am avea doua montaje identice cu cel din fig.13 care functioneaza

pentru alternanta pozitiva si altul pentru cea negativa.Se poate vedea din fig.15 si 16 ca curentul de

sarcina este totdeauna orientat in acelasi sens ceea ce face ca si caderea de tensiune pe aceasta sa fie

de acelasi sens pentru ambele alternante(de fapt acesta este si scopul redresarii).De aceasta data se

observa din fig.14, sub axa nu vom mai avea tensiune pentru nici o alternanta, in schimb amplitudinea

tensiunii redresate va fi cu 0.6V mai mica dacat amplitudinea sinusoidei de baza.

Fig.15. Alternanta pozitiva.

Fig. 16. Alternanta negativa.

In acest caz diodele sunt mai solicitate decat pentru montajul simpla alternanta: de exemplu dioda care

nu conduce(fig.16) vatrebui sa suporte o rensiune inversa egala cu suma dintre tensiunea U din

infasurarea secundara corespunzatoare( cu + in

jos, conform conventiei) si caderea de tensiune pe rezistenta de sarcina(cu + spre dreapta), deci o

tensiune aproape dubla ca la simpla alternanta.

Cu punte Graetz.



Fig.17.Redresarea cu punte.

Exista o alta maniera de a face redresare dubla alternanta, fara utilizarea unui transformator cu priza

mediana: se utilizeaza un trasformator cu o singura infasurare secundara si 4 diode montate in punte, ca

in fig.17.Marele avantaj al puntilor redresoare este ca acestea sunt disponibile in comert ca atare si

permit sa se reduca numarul de componente a montajului.In plus transformatorul este si mai simplu dar

si cu un numar mai mic de spire in secundar la aceeasi tensiune redresata.

Astfel, cand tensiunea in sec.transformatorului este pozitiva(ca in fig.18) conduc diodele

innegrite(polarizate direct) iar cand tensiunea este negativa(fig.19) conduc celelalte diode(innegrite in

fig.19).se observa ca sensul curentului prin rezistenta de sarcina este acelasi pentru ambele alternante

deci si sensul caderii de tensiune pe aceasta(redresare).

Fig. 18. Alternanta positiva.

Fig.19. Alternanta negativa.

Fiecare dioda, in acest caz , nu are de suportat, ca tensiune inversa, decat amplitudinea tensiunii din

secundarul transformatorului minus 0.6V, cat cade pe dioda in conductie(spre deosebire de montajul cu

priza mediana, unde diodele trebuie sa suporte ca tensiune inversa de doua ori amplitudinea).In schimb,

in acest caz, in serie cu sarcina sunt doua diode in conductie directa si deci puterea disipata si deci

pierduta este de doua ori mai mareca in cazul precedent.

Ce solutie trebuie aleasa.

Cand exista posibilitatea, se va prefera solutia transformatorului cu priza mediana, pentru mai multe

ratiuni:



-acest tip de transformator nu este mult mai scump decat cel cu secundar simplu(cateva grame de

bobinaj in plus si inca o borna scoasa la iesire).

-cu un transformator simplu secundar nu se poate realiza o alimentare cu sursa dubla simetrica decat

pentru puterifoarte mici.

-faptul ca diodele trebuie sa reziste la o tensiune inversa dubla nu este o problema deoarece, de cele

mai multe ori, tensiunile redresate sunt mult mai mici decat VR minima a diodelor disponibile in

comert.

-in montajul in punte sarcina este flotanta in raport cu transformatorul , ceea ce este de multe ori

jenant.

Din cele de mai sus ar putea rezulta ca cel mai utilizat montaj este cel de redresare dubla alternanta cu

priza mediana. In realitate, datorita simplitatii, la puteri relativ mici, se utilizeaza montajul in punte,

chiar si atunci cand acesta utilizeaza transformator cu priza mediana, pentru a se obtine tensiune dubla

simetrica pentru alimentarea, de obicei, a montajelor cu amplificatoare diferentiale.

Filtraj.

Montajele precedente livreaza tensiuni redresate dar nu continue.Pentru a obtine otensiune

quasicontinua este sufficient de a monta un condensator in parallel cu sarcina.

In cazul unei redresari simpla alternanta.

Aici, sarcina este absolut oricare, si poate fi un montaj electronic complex avand un consum de current

aleatoriu.

Fig. 20.Filtraj la oredresare simpla alternanta.



Pe graficul din partea de jos a fig.20 se vede punctat tensiunea redresata asa cum ar fi fara

condensator.Cu linie continua se vede tensiunea filtrata.In cazul in care sarcina este mica(adica de

rezistenta mare) atunci condensatorul se va incarca la valoarea amplitudinii tensiunii redresate(cu o

mica eroare) deci la o valoare egala cu valoarea efectiva a tensiunii de redresat(masurata cu voltmetrul

de current alternativ de valoare efectiva) inmultita cu radical din 2.Cu cat sarcina este mai mare cu atat

"dintii de fierastrau"(linia continua din fig.20) vor fi mai mari( deci filtrarea este mai slaba).In aplicatii

mai pretentioase acest lucru nu este tolerabil si se recurge la o marire a capacitatii care va reusi sa

micsoreze "riplul" adica tensiunea filtrata va avea o componenta alternativa suficient de mica .Se poate

observa insa ca in acest caz, desi tensiunea este quasicontinua, ea este dependenta de sarcina, adica va

fi cu atat mai mica pe masura maririi sarcinii.Pentru aplicatii in care se doreste o tensiune continua fara

riplu dar si stabil;a se utilizeaza stabilizatoarele de tensiune pe care le vom studia mai tarziu.

Pe acest grafic, se observa ca derscarcarea condensatorului este liniara ceea ce in realitate este diferit,

dar aproximarea este sufficient de exacta pentru a explica simplu fenomenele din acest montaj.

Simplist, functionarea este urmatoarea: cand tensiunea la bornele transformatorului este superioaratensiunii de la bornele condensatorului dioda conduce.Transformatorul trebuie atunci sa furnizeze

current atat pentru alimentarea sarcinii cat si pentru reancarcarea condensatorului.

Caind tensiunea transformatorului devine inferioara celei a condensatorului plus tensiune a de prag a

diodei dioda se blocheaza.Ansamblul condensator/sarcina formeaza atunci o bucla izolata de

transformator, curentul prin sarcina fiind furnizat numai de condensator.

Deci condensatorul se comporta ca un generator de tensiune, el restituind energia acumulata in faza

precedenta.

De notat ca tensiunea la bornele condensatorului fiind in permanenta apropiata de tensiuneade varf(amplitudinea) a secundarului transformatorului, in timpul alternantei negative dioda va suporta

de doua ori amplitudinea, ca tensiune inversa.

Calculul condensatorului.

In literatura, se gaseste de obicei calculul condensatorului pentru o sarcina

rezistiva.Descarcarea este atunci exponentiala si calculul este inutil de complicat.

Acest calcul este departe de nevoile reale: in general, nu se realizeaza alimentatoare continue pentru a

debita pe rezistente ci alimentatoarele redresate si filtrate sunt urmate de regulatoare de tensiune care

sa fie in stare sa mentina aceeasi tensiune chiar si pentru sarcini complexe avand un consum variabil.

Pentru a face calculul condensatorului, se va considera deci descarcarea condensatorului la curent

constant, curentul utilizat in calcul fiind considerat maximul consumat de sarcina.Criteriul de alegere nu

va fi factorul de ondulatie(masura riplului) care adesea nu are nici o utilitate practica, ci o cadere de

tensiune maxima admisibila pe condensator pentru ca montajul conectat in aval se functioneze corect.



Cu aceasta ipoteza calculul condensatorului devine foarte simplu: se considera ca acest condensator C

se descarca la curentul Imax constant timp de T si caderea de tensiune inferioara lui V.

Relatia este atunci urmatoarea:

Timpul T ales se va aproxima cu o perioada a sinusoidei.In practica, condensatorul se derscarca intr-un

timp mai scurt(fig.20), deci va trebui sa-l supradimensionam putin.

Eroarea comisa este de fapt foarte mica prin comparatie cu dispersia pe care o vom avea asupra

rezultatului datorita tolerantelor componentelor si in primul rand al condensatoarelor de filtraj: se

utilizeaza condensatoare electrolitice care au o toleranta foarta larga(-20%/+80%) si nu exista toate

valorile de capacitati ci doar unele care se incadreaza in niste serii(1; 1.5; 2.2; 3.3; 4.7;

6.8).Transformatoarele au si ele o dispersie importanta, asa ca in final, mai bine ca acest condensator sa

fie prevazut mai mare dacat sa avem surprise.

Pentru o redresare simpla alternanta a unei tensiuni provenite de la retea (50 Hz), T va fi deci

20ms.valoarea condensatorului va fi deci:

Va trebui sa alegem un condensator care sa suporte cel putin tensiunea de varf din secundarul

transformatorului in gol(tensiunea in secundar va fi mai mica in sarcina deoarece o parte va cadea pe

rezistenta interna a transformatorului).

Redresare dubla alternanta.

Ipotezele vor fi aceleasi ca mai inainte.Singura diferenta va fi T care va fi de doua ori mai mic deoarece

fiind o redresare dubla alternanta frecventa tensiunii redresate va fi dubla fata de cea a tensiunii

sinusoidate de baza. Formula de calcul a condensatorului devine:

Ca si in formula [4], F este frecventa retelei(50 Hz in Romania si in Europa).

La caderi de tensiune egale, condensatorul va fi deci de doua ori mai mic decat pentru redresarea simpla

alternanta, ceea ce este interesant daca tinem cont de relatia dintre dimensiune si valoarea capacitatii

acestora.(este o relatie aproape liniara).



Fig. 21Redresare dubla alternanta si filtrare.

Functionarea diodelor si a transformatorului.

Se poate remarca din fig.20 si 21 ca diodele nu conduc in timpul intregii alternate a

tensiunii redresate(in afara de primele alternante pana se incarca condensatorul) ci un timp foarte scurt

fata de aceasta alternanta.

Energia care este restituita de catre condensator sarcinii in portiunea de cadere a tensiunii secundare

sub tensiunea de pe condensator trebuie stocata din nou in condensator in aceasta perioada scurta de

conductie a diodelor.

Consecinta ce rezulta de aici este ca pentru a asigura un anumit current mediu in sarcina, ansamblul

transformator si diode va trebui sa debiteze un current de varf mult mai intens decat curentul mediu

, pe perioada de conductie a diodelor(aproximativ de 15 ori curentul mediu).A se vedea fig.22



fig.22. Forme de unda pentru tensiunea filtrata si curentul de incarcare alcondensatorului.

Caderea de tensiune pe diode va fi in acest caz importanta(mai aproape de 1V decat de 0.6V), la fel ca si

caderea de tensiune pe rezistenta interna a transformatorului deci aceste consideratii nu vor trebui

pierdute din vedere cand vom dori sa calculam corect un alimentator.

O alta consecinta o constituie momentul alimentarii transformatorului: in primul moment, inainte de

incarcare, condensatorul se comporta ca un scurtcircuit si deci curentul va fi limitat o perioada scurta

numai de rezistenta interna a transformatorului(cateva zecimi de ohmi la cativa ohmi) si rezistentele

dinamice ale diodelor(de acelasi ordin de marime ca rezistenta interna a transformatorului).In acest caz

deci, diodele vor trebui sa suporte acest current(parametrul IFSM).

Alimentarea dubla simetrica.

Daca se analizeaza functionarea redresorului dubla alternanta cu priza mediana se observa ca fiecare

secundar debiteaza curent doar o singura alternanta.Cealalta alternanta va fi susceptibila de a furniza

un current negativ.Plecand de la aceasta constatare, se poate imagina usor o alimentare dubla, simetrica

, cu 4 diode dispuse in punte: doua diode vor conduce alternantele pozitive si celelalte doua,

alternantele negative.Priza mediana va fi potentialul comun al celor doua tensiuni(masa) si in acest fel se

vor obtine 2 tensiuni, una pozitiva fata de masa iar alta negativa fata de aceeasi masa.



Fig. 23. Alimentare dubla simetrica.

Se poate evident pune cate un condensator la bornele fiecarei sarcini pentru a filtra tensiunile redresate

obtinute.Aceste alimentari sunt de neevitat in montajelesimetrice(amplificatoare diferentiale

tranzistorizate, amplificatoare operationale).

Dublorul de tensiune.

In unele aplicatii, e posibil sa fie nevoie de tensiuni continue foarte ridicate( cateva mii de volti).Acestea

s-ar putea obtine si cu un transformator ridicator classic urmat de o redresare sio filtrare dar exista o

solutie mai simpla si mai ieftina, realizabila numai cu diode si condensatoare: acesta este asa numitul

dublor de tensiune.

Montajul din fig.24 se descompune in doua parti: redresare/filtrare prin celula D1/C1, apoi detectorul de

varf prin celula D2/C2.

Fig. 24 Dublor de tensiune Schenkel.

La bornele condensatorului C1, daca rezistenta de sarcina este infinita, tensiunea va ramane constanta si

egala cu amplitudinea din secundarul transformatorului.Dioda D1 va vedea la bornele sale tensiunea Vt +

Vc,

A carei valoare de varf este de doua ori mai mare decat tensiunea de varf a transformatorului.

Este sufficient sa se filtreze aceasta tensiune la valoarea sa de varf cu D2 si C2: se obtine astfel o

tensiune continua egala cu de doua ori tensiunea de varf a transformatorului.

Continuand rationamentul si adaugand alte cellule asemanatoare cu cea a dublorului, se pot

obtine dubloare , triploare etc. de tensiune.



Aceste montaje sunt utilizate, printre altele pentru generarea tensiunilor de accelerare la tuburile

cinescop(2-5kV).Este de remarcat ca aceste montaje nu pot furniza curenti mari deoarece tensiunile

mari puse in joc nu permit utilizarea unor condensatoare prea mari(condensatoarele chimice, care sunt

singurele ce pot avea valori mai mari de zeci de microfarazi nu functioneaza la tensiuni prea mari-de

regula sub 100V-) si deci sunt destinate unor aplicatii quasistatice, in care conteaza tensiunea si mai

putin curentul furnizat.

DIODE CU AVALANSA CONTROLATA.

Diodele redresoare standard nu sunt garantate pentru o functionare la tensiuni inverse mai mari decat

cele specificate.daca se utilizeaza diode standard in medii parasite, este posibil sa se depaseasca pe

perioade foarte scurte tensiunea inversa maxima si sa se distruga dioda.Unele aplicatii au nevoie de

diode care sa reziste la astfel de tensiuni inverse mari pe perioade foarte scurte.

Caracteristici fizice.

Cu avalansa controlata este fabricata din siliciu de o mai buna calitate decat diodele standard: o mai

buna omogenitate a cristalului, limitarea curentului de fuga prin prelucrarea ulterioara foarte

ingrijita.rezistivitatea siliciului este astfel mai omogenam si cand fenomenul de avalansa se produce

acesta se produce in tot volumul cristalului care astfel poate sa suporte puteri foarte ridicate timp de

cateva zecimi de microsecunda (µs. )

In plus, aceste diode sunt foarte sever selectate pentru a detecta eventualele defecte de fabricatie.Se

specifica de asemenea, in plus fata de IR si VR standard si tensiunea inversa maxima pentru un curent

invers maxim dat.

Protectia impotriva tensiunilor.

Una din aplicatiile diodei cu avalansa controlata este utilizarea in medii parasite: supratensiunile foarte

scurte(cateva µs. ) de o amplitudine superioara lui VR a unei diode poate aparea: dioda va trece prin

avalansa si va limita tensiunea parazita.Acest fenomen nu va fi destructive caci dioda este conceputa

pentru functionarea in avalansa fara sa se distruga.Exista o dubla functionare de autoprotectie(dioda nu

se distruge) si de protectie a mediului incare functioneaza aceasta dioda(eliminarea supratensiunilor).

Punerea in serie a diodelor.

Atunci cand este nevoie de diode cu tensiunea inversa mare si nu se doreste utilizarea unor diode

speciale (scumpe si dificil de procurat) se pot pune in serie mai multe diode astfel ca suma VR a acestora

sa depaseasca tensiunea inversa maxima necesara.Aceasta metoda nu trbuie insa folosita in orice

conditii deoarece uneori e nevoie de cunostinte avansate de electronica pentru a rezolva correct

problema(datorita dispersiei tehnologice a diodelor este posibil ca pe una din ele sa cada o tensiune mai

mare la acelasi current si sa apara avalansa care in cazul diodelor obisnuita este distructiva.)



DIODE REDRESOARE RAPIDE

Notiuni generale.

Noi am mentionat deja fenomenul de difuzie la traversarea jonctiunii PN: electronii majoritari din zona N

traverseaza jonctiunea si tind sa neutralizeze golurile din zona P si viceversa.

Cand onctiunea este polarizata direct, campul electric extern se opune campului electric intern creat de

ionii deposedati de electronul lor liber(zonaN) sau golul lor liber(zona P) si permit astfel o mai mare

difuzie a purtatorilor majoritari in regiunea de tip opusa unde ei devin minoritari.Ei se recombina atunci

cu o sarcina de semn opus.

Acest fenomen de recombinare nu este instantaneu: purtatorii au o durata de viata egala cu aproximativ

1ms in cazul siliciului.Exista deci in crystal sarcini in exces de o parte si de alta a jonctiunii de maniera

sarcinilor pe armaturilor unui condensatorSe asociaza astfel acestei sarcini, numita sarcina stocata, o

capacitate numita capacitate de difuzie.

Daca se inverseaza brusc polaritatea la bornele diodei pentru ao bloca, acesti purtatori se vor comporta

de aceeasi maniera ca si purtatorii minoritari in regimul invers stabilit:ei vor fi atrasi de partea cealalta a

jonctiunii de campul electric extern si vor forma un current intens care se va adauga curentului de

fuga Is pana cand sarcina stocata va disparea.

Acest current va descreste pana va deveni nul pe timpul unei perioade numita timp de reincarcare

invers.

Sarcina stocata este cu atat mai importanata cu cat dopajul este mai important.Dopajul interveninddirect in conductibilitatea cristalului, se pune problema pentru diodele de putere care necesita o

conductivitate si deci un dopaj important.Pentru a diminua sarcina stocata in aceste componente se

utilizeaza capcane recombinante, care sunt adesea atomi de aur.Ei diminuiaza durata de viata a

purtatorilor ceea ce induce o sarcina stocatamai slaba.

Utilizare.

Aceste diode sunt utilizate in electronica de putere peste tot unde trebuie comutati foarte rapid curenti

importanti.Ele sunt complemementul indispensabil al tranzistoarelor rapide.

Diodele standard sunt inutilizabile in acest caz caci ele sunt prea lente.in timpul comutariitranzistoarelor, ele se vor comportaca scurtcircuite ceea ce va antrena supracurenti in tranzistoare si

distrugerea lor mai mult sau mai putin rapida.

DIODE DE SEMNAL.

Diodele studiate pana acum sunt utilizatela curenti si tensiuni destul de mari.

Diodele de semnal sunt utilizate in aplicatii de nivel mic al curentilor si tensiunilor.



Caracteristici fizice .

Diodele de semnal nu au nevoie sa reziste la tensiuni mari inverse: din constructie ele vor putea avea o

capacitate parazita slaba si deci vor putea functiona la frecvente ridicate.

Aceste caracteristici sunt obtinute gratie unei suprafete a jonctiunii, reduse si datorita unui dopaj

foarte slab(diminuarea sarcinii stocate).

Detectorul de varf.

Acest dispozitiv permite memorarea valorii de varf a unui semnal.El este foarte utilizat in instrumentatie

in asa numitele circuite de esantionare-memorare.

Acesta este in fapt un redresor simpla alternanta ci filtraj a carui sarcina este quasinula(de obicei sarcina

o constituie o intrare de amplificator operational si aceasta fiind foarte mare, practice, descarcarea

condensatorului nu este facuta decat de curentul de polarizare al AO care poate fi de ordinul

picoamperilor, deci foarte mic.

Astfel, condensatorul se incarca la valoarea de varf(mai putin tensiunea de prag a diodei) si ramane

incarcata la aceasta valoare.

Rezistenta R serveste pentru limitarea curentului de incarcare a condensatorului la o valoare rezonabila

pentru generatorul care-l ataca.

Cand tensiunea este superioara tensiunii la bornele condensatorului U plus tensiunea de prag a diodei

aceasta conduce si incarca condensatorul prin rezistenta R.

Fig. 25. Detector de varf.

Detectie AM.



In radiodifuziune, nu se pot emite correct semnale audio(20Hz-20kHz) direct sub forma unei unde

radioelectrice: acest semnal audio trebuie modulat cu un semnal de inalta frecventa(fig.26.).

Fig. 26.Modulare semnal.

Fig. 27.Detector.

Semnalul de inalta frecventa(cateva sute de kHz) care se numeste purtator este modulat in amplitudine

de catre semnalul audio(joasa frecventa) de emis.La sosire (la receptor) aceste doua semnale trebuie

separate.Asta se face simplu cu o dioda si un condensator(fig.27).

Fig. 28.Semnal demodulat.

Fara rezistenta R, vom avea un detector de varf ca cel studiat anterior.Aceasta rezustenta se determina

astfel incat constanta de timp RC sa fie fata de perioada purtatoarei si mare fata de perioada semnalului

de joasa frecventa de emis: se ajunge astfel la reconstituirea semnalului de baza(curba groasa din

fig.28).

Termometre.Compensarea termica.

O utilizare importanta a diodei o constituie folosirea ei in realizarea traductoarelor de temperatura sau

pentru compensarea termica a derivelor unor montaje cu tranzistoare. Se stie ca tensiunea directa a

unei jonctiuni PN este afectata de un coefficient de temperatura negativ de aproximativ -2mV/°C.



Unele montaje cu tranzistoare necesita oderiva minima cu temperatura.Se poate ajunge la compensarea

acestei derive cu ajutorul unei diode cuplate termic cu tranzistorul si plasata judicios in circuitul de baza

.(acest mod de utilizare se va studia in capitolul despre tranzistoare.).

Aceasta deriva cu temperatura a tensiunii de prag a diodei poate de asemenea sa fie folosita pentru

realizarea traductoarelor de temperatura, utilizate la randul lor pentru realizareaunor termometre a unor termostatari sau in multe circuite integrate pentru realizarea autoprotectiei.

DIODE SPECIALE.

DIODE ZENER.

Caracteristica.

Fig. 29. Caracteristica unei diode Zener.

Noi am vorbit deja de efectul Zener.El priveste caracteristica inversa a unei diode.In direct o dioda Zener

se comporta ca o dioda normala de proasta calitate.

Invers, in cazul acestor diode se procedeaza prin constructia in asa fel incat efectul Zener sa nu fie

distructiv si in plus acesta sa se produca la o tensiune determinate.caracteristica inversa prezinta deci o

alura de generator de tensiune cu o slaba rezistenta interna(asa cum este de dorit).

In general, constructorii specifica:

-tensiunea de avalansa Vzt pentru curentul determinat Izt .

-in acest punct de functionareVzt / Iz, se da rezistenta dinamica a diodei rzt.

-Curentul Izm pentru care puterea disipata in componenta va fi maxim admisibila.

-se indica de asemenea coeficientul de variatie cu temperatura a tensiunii Vzt.

Schema echivalenta.

Pentru a simplifica calculele s pentru dioda se va defini o schema echivalenta care se apropie de

realitate.



Schema echivalenta este urmatoarea:

Fig. 30.Schema echivalenta a diodei Zener.

Se defineste o tensiune de prag Vzo si o rezistenta interna constanta Rz.

Aceasta schema va fi utilizata cu multa prudenta la zenerele de joasa tensiune(<5V): pragul lor este

rotunjit si rezistenta dinamica variaza mult cu curentul.Pentru tensiuni superioare lui 5V, nu vor fi in

general probleme.

Stabilizatorul de tensiune.

Pornind de la caracteristica generatorului de tensiune, aceste diode sunt ideale pentru stabilizarea

tensiunilor continue avand o ondulatie reziduala neneglijabila(cazul tensiunilor redresate si filtrate).

Fig. 31.Stabilizatorul de tensiune.

Este necesar de a intercala o rezistenta (ca in fig.31), sau un generator de curent(in cazul unor

stabilizatoare mai pretentioase intre generatorul de tensiune filtrata si dioda Zener: aceste doua

elemente(generator si dioda Zener) avand rezistente interne foarte mici bransarea directa poate duce la

distrugerea elementului mai slab.Pentru ca dioda Zener sa functioneze ca stabilizator trebuie sa treaca

prin ea un curent nenul Iz, in permanenta indiferent de variatiile de tensiune ale generatorului ce

furnizeaza tensiunea de stabilizat sau de sarcina.

Rezistenta R asigura rolul de polarizare a diodei zener. Iz nu trebuie sa depaseasca Izm, pentru a nu se

distruge componenta.

R=(Vc-Vz)/Iz cu Iz<Izm(Izm-din catalog)



Fig. 32. Schema echivalenta a stabilizatorului.

Atunci cand polarizarea este corecta, se poate face schema echivalenta a montajului.Tensiunea de

intrare a stabilizatorului a fost scindata intr-o tensiune continua(tensiunea medie la bornele

condensatorului) si o tensiune alternativa(riplul).Se pot defini doi coeficienti de stabilizare pentru a

caracteriza acest montaj.In sfarsit, stabilizatorul este departe de a fi perfect si tensiunea de iesire o sa

varieze atunci cand tensiunea de intrare si/sau sarcina vor varia.Se disting doi coeficienti:

Stabilizare in amonte: acest coeficient este reprezentativ pentru sensibilitatea montajului la variatii de

tensiune nestabilizate la sarcina constanta.Daca se utilizeaza notatiile din fig.32 este vorba

despre raportul( Vz/ Vc)Iu = cte.

Stabilizare in aval : acest coeficient este reprezentativ pentru variatia tensiunii de iesire cand variaza

curentul de sarcina(Ru variaza cu ± Ru), si tensiunea de intrare este constanta.Este vorba de raportul(

Vz/ Iu)Vc = cte, de fapt, impedanta de iesire.Acest parametru este foarte important in toate

regulatoarele de tensiune.

Pentru a calcula acesti coeficienti este mai simplu de a utiliza schema echivalenta de semnal mic.Se

elimina mai intai toate sursele de tensiune continua.

Fig. 33. Schema echivalenta de semnal mic.

Pentru coeficientul de stabilizare amonte rezulta:

Cum in general Ru >> Rz, aceasta formula devine:



se vede dilema: cu cat R este mai mare, cu atat stabilizarea amonte este mai buna, dar din pacate pentru

a mentine un curent suficient de mare prin Zener tensiunea filtrata trebuie sa fie mai mare si pe aceasta

rezistenta se va pierde multa energie.

Pentru a elimina si aceste inconveniente, de obicei in loc de rezistenta de polarizare R se foloseste un

generator de current constant care are o rezistenta interna foartemare(cel ideal o are chiar infinita).

Coeficientul de stabilizare aval este egal cu impedanta de iesire a montajului: asta este chiar

rezistenta generatorului Thévenin echivalent:

R fiind adesea mult mai mare decat Rz, se obtine:

In acest caz, nu exista mare lucru de sperat pentru a ameliora aceasta valoare in afara de a adauga altecomponente active ca tranzistoarele, de exemplu.

In general, se adauga uneori un condensator in paralel cu Zenerul: impedanta sa va diminua pe cea a

montajului le frecvente inalte.Este astfel avantajos daca montajul alimentat are un consum de curent cu

componente de inalta frecventa.Acest condensator diminueaza de asemeni zgomotul intern al zenerului

care este destul de important.

In practica, aceste regulatoare sunt utilizate in montaje simple necesitand un curent mic.

Documents

Dioda semiconductoare