of 85 /85
UNIVERSITATEA DIN CRAIOVA Facultatea de inginerie în electromecanică, mediu şi informatică industrială EUGEN SUBłIRELU DISPOZITIVE ELECTRONICE ŞI CIRCUITE ANALOGICE 2009

Dispozitive Electron Ice Si Circuite Analogice

Embed Size (px)

Text of Dispozitive Electron Ice Si Circuite Analogice

UNIVERSITATEA DIN CRAIOVA Facultatea de inginerie n electromecanic, mediu i informatic industrial EUGEN SUBIRELU DISPOZITIVE ELECTRONICE I CIRCUITE ANALOGICE 2009 DISPOZITIVE ELECTRONICE I CIRCUITE ANALOGICE - CURS 2 PREFA Materialul prezentat constituie o extensie a suportului de curs i se adreseaz studenilor anului II (FR) ai Facultii de Inginerie n Electromecanic, Mediu i Informatic Industrial din cadrul Universitii din Craiova.Domeniullacaresereferacestcursestecelalelectroniciianalogicengeneral,cu prezentareaprincipalelordispozitiveelectroniceialunoraplicaiialelorncircuiteanalogice curente. nprezentareafiecruidispozitivs-aurmritotratarepragmatic,insistndu-sepe aspectele practice-aplicative ale definirii i funcionrii acestuia, neintrnd n noiuni de definire lanivelulfiziciisemiconductoarelor.S-audescristotuiictevafenomenelanivelmicro pentruanelegeunelenoiunicarestaulabazafuncionriituturordispozitivelorelectronice 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).Capitolul2descrieprimuldispozitivelectroniccarefoloseteojonciune semiconductoareianumediodasemiconductoare(redresoare,stabilizatoare).Esteprezentat 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,tipurideconexiuni,schemedepolarizare,relaiifundamentale ntrecureniiteensiuni.Suntevideniateetapelecaretrebuiescparcurselaproiectarea, respectiv analiza circuitelor cu tranzistoare bipolare. Capitolul 4 este dedicat unor dispozitive electronice cu performane deosebite, folosite attncircuiteintegratectisubformdecomponentedistinctencircuitecarenecesit impedan mare de intrare, liniaritate bun, zgomot redus. Sunt prezentate tranzistoarele cu efect decmp(TEC)ianumecelecubazajonciune(TEC-J)icelecubazaizolat(TEC-MOS) mpreun cu cteva aplicaii representative. Capitolul5prezintaltedispozitiveelectronice,caicomponenteelementarefolosite naplicaiideelectronicdeputere(tiristorul,GTO-ul,triacul,etc.)precuminaplicaiicare folosesc radiaia luminoas, att pentru afiare ct i pentru transmiterea semnalelor (dispozitive optoelectronice). Capitolul6seocupdeuneledincelemaiutilizatecircuiteelectronice,realizaten tehnologie integrat azi i anume amplificatoarele operaionale. Este prezentat funcionarea lor, oseriedeparametriispecificiprecumiaplicaiiliniare:amplificatorulinversor,neinversor, sumator,diferenial,integrator,derivator.Suntprezentatecircuitelecarefactrecereadela domeniul analogic al valorilor continue la domeniul deciziilor, al valorilor binare: este vorba de comparatoarelesimple(cuunsingurprag)saucuhisterezis(cumemorie).Deasemeneasunt prezentateaplicaiineliniarealeAOianumeredresorulmonoalternaniredresorul bialternan. Ceiinteresainnelegereaaprofundatastructuriiinterne,aparametrilorelectrici precumiaaltorperformanealediverselordispozitiveelectronice,precumiaunorrelaiide calcul mai complexe necesare n cercetarea funcionrii circuitelor electronice analogice trebuie s consulte bibliografia prezentat. Craiova, 30 ianuarie 2009 Autorul Cuprins 1. INTRODUCERE N ELECTRONICA ANALOGIC .............................................................. 6 1.1. Semnale analogice ................................................................................................................ 6 1.2. Elemente pasive de circuit .................................................................................................... 8 2. DIODA SEMICONDUCTOARE ............................................................................................. 12 2.1. Dioda redresoare ................................................................................................................ 12 2.1.1. Caracteristica tensiune curent a diodei redresoare ...................................................... 12 2.1.2. Rezolvarea unui circuit simplu cu diod. Dreapta de sarcin i punctul de funcionare al diodei ................................................................................................................................. 13 2.1.3. Modele aproximative ale caracteristicii diodei ........................................................... 15 2.1.3.1. Dioda ideal (modele de semnal mare) ................................................................... 15 2.1.3.2. Comportarea diodei la semnal mic. Rezistena dinamic (modelul de semnal mic) 16 2.2. Dioda stabilizatoare ............................................................................................................ 17 2.3. Aplicaii ale diodelor semiconductoare .............................................................................. 18 2.3.1. Circuite de redresare .................................................................................................... 18 2.3.1.1. Redresorul monoalternan...................................................................................... 18 2.3.1.2. Redresorul dubl alternan n punte ...................................................................... 20 2.3.1.3. Sursa dubl de tensiune ............................................................................................ 20 2.3.1.4. Multiplicatorul de tensiune ...................................................................................... 21 2.3.2. Circuite de stabilizare .................................................................................................. 21 2.3.3. Alte aplicaii ale diodelor semiconductoare ................................................................ 22 2.3.3.1. Circuite de limitare .................................................................................................. 22 2.3.3.2. Circuite formatoare de impulsuri ............................................................................. 23 2.3.3.3. Circuite pentru refacerea componentei continue ..................................................... 23 3. TRANZISTORUL BIPOLAR................................................................................................... 24 3.1. Structura i funcionarea TB .............................................................................................. 24 3.2. Relaii fundamentale; modelul static al TB ........................................................................ 25 3.3. Conexiunile i caracteristicile TB ...................................................................................... 26 3.4. Dreapta de sarcin static, punctul de funcionare static i regiunile de funcionare ale TB ................................................................................................................................................... 28 3.5. Circuite de curent continuu cu TB ..................................................................................... 30 3.6. Comportarea TB la semnal mic. Modele dinamice ............................................................ 35 3.7. Funcionarea TB ca amplificator de semnal mic ................................................................ 39 3.8. Comportarea TB la nalt frecven ................................................................................... 41 DISPOZITIVE ELECTRONICE I CIRCUITE ANALOGICE - CURS 4 4. TRANZISTORUL CU EFECT DE CMP (TEC) ................................................................... 42 4.1. Tranzistoarele TEC-J ......................................................................................................... 42 4.1.1. Structura i funcionarea TEC-J .................................................................................. 42 4.1.2. Tranzistoarele TEC-J. Aplicaii .................................................................................. 44 4.1.2.1. Divizor rezistiv controlat n tensiune ....................................................................... 45 4.1.2.2. Sursa de curent constant .......................................................................................... 45 4.1.2.3. Repetor de tensiune compensat termic..................................................................... 45 4.1.2.4. Amplificator de semnal mic cu TEC-J ..................................................................... 46 4.2. Tranzistoarele TEC-MOS .................................................................................................. 47 4.2.1. Structura i funcionarea TEC-MOS ........................................................................... 48 4.2.2. Tranzistoarele TEC-MOS. Aplicaii ........................................................................... 50 4.2.2.1. Inversorul CMOS ..................................................................................................... 51 4.2.2.2. Amplificator cu TEC - MOS ..................................................................................... 52 5. ALTE DISPOZITIVE ELECTRONICE ................................................................................... 53 5.1. Alte dispozitive semiconductoare cu jonciune ................................................................. 53 5.1.1. Tiristorul...................................................................................................................... 53 5.1.1.1. Funcionareatiristorului......................................................................................... 53 5.1.2. Tiristorul cu blocare pe poart (GTO-Gate Turn Off) ................................................ 55 5.1.3. Triacul ......................................................................................................................... 56 5.1.4. Diacul .......................................................................................................................... 56 5.1.5. Tranzistorul unijonciune (TUJ) .................................................................................. 57 5.2. Dispozitive optoelectronice................................................................................................ 59 5.2.1. Fotodetectori i fotoelemente ...................................................................................... 59 5.2.1.1. Fotorezistor (LDR Light Dependent Resistor) ...................................................... 59 5.2.1.2. Fotoelementul (celula fotovoltaic) ......................................................................... 60 5.2.1.3. Fotodiod ................................................................................................................. 61 5.2.1.4. Fototranzistorul ....................................................................................................... 62 5.2.2. Fotoemitori ............................................................................................................... 62 5.2.2.1. Dioda electroluminiscent ....................................................................................... 62 5.2.2.2. Afioare cu diode electroluminiscente ..................................................................... 64 5.2.3. Alte dispozitive de afiare ........................................................................................... 65 5.2.3.1. Afiaje (display-uri) cu cristale lichide .................................................................... 65 5.2.3.2. Afiaje (display-uri) cu plasm ................................................................................ 67 5.2.4. Optocuploare ............................................................................................................... 68 6. AMPLIFICATOARE OPERAIONALE (AO) ....................................................................... 69 6.1. Funcionare. Parametrii specifici. AO ideal ....................................................................... 69 6.2. Aplicaii liniare ale AO ...................................................................................................... 73 DISPOZITIVE ELECTRONICE I CIRCUITE ANALOGICE - CURS 56.2.1. Circuitul repetor de tensiune ....................................................................................... 73 6.2.2. Amplificator neinversor .............................................................................................. 73 6.2.3. Amplificator inversor .................................................................................................. 74 6.2.4. Amplificator sumator .................................................................................................. 75 6.2.5. Amplificator diferenial ............................................................................................... 76 6.2.6. Circuit integrator ......................................................................................................... 77 6.2.7. Circuit derivator .......................................................................................................... 79 6.2.8. Circuit comparator ....................................................................................................... 80 6.2.8.1. Comparatoare simple (fr memorie)...................................................................... 81 6.2.8.2. Comparatoare cu histerezis (cu memorie) ............................................................... 82 6.3. Aplicaii neliniare ale AO .................................................................................................. 84 6.3.1. Redresor monoalternan ............................................................................................. 84 6.3.2. Redresor bialternan ................................................................................................... 85 BIBLIOGRAFIE ........................................................................................................................... 85 DISPOZITIVE ELECTRONICE I CIRCUITE ANALOGICE - CURS 6 1. INTRODUCERE N ELECTRONICA ANALOGIC nacestcapitolsuntprezentatectevanoiunielementaredespresemnaleanalogice, elemente de circuit pasive i active, circuite electrice i circuite electronice. 1.1. Semnale analogice Prin semnal se nelegeo anumit form de variaie n timp a unei mrimi electrice.n continuare se vor prezenta cteva noiunigenerale desprecele mai ntlnite semnale n practica electronic. Convenie de notare a semnalelor ngeneral,unsemnalesteexprimatcaomrimeinstantaneeiesteformatdintr-o mrime continu plus o mrime variabil. Dinnotaiaunuisemnaltrebuiesrezultedacestevorbadecomponentasacontinu (constant) , de componenta variabil sau de mrimea instantanee (total) a acestuia. n (fig.1.1) este prezentat un semnal oarecare (de exemplu: curentul din colectorul unui tranzistor). Notaiile folosite n continuare n curs vor exprima: -valorile instantanee (totale) vor fi notate cu litere mici i indici formai din litere mari (Expl: iB, uBE, iC, etc.). -componentele continue i valorile medii ale diferitelor mrimi se noteaz cu litere mari iindiciformaidinliteremari(Expl:IB,UBE,IC,etc.);parteadreaptafigurii.Componentele continuecorespunztoarepunctelorstaticedefuncionare(frsemnal)PFSaledispozitivelor electronice se marcheaz i cu un indice superior zero (Expl: I0C, U0CE); partea stng a figurii. -variaiile n jurul valorii medii sau n jurul unor nivele de referin continue se noteaz culiteremiciiindiciformaitotdinliteremici,plussufixulvdelavariabil(Expl:icvar, ubevar, icvar, etc.). Cu aceste notaii, valoarea instantanee a semnalului din (fig. 1.1) se scrie: cv C Ci I i + =(1.1) unde: t I icvM cv sin = (1.2) iC 0 Tranzistor fr semnal (polarizat) I0C iC icv IcvM Tranzistor cu semnal t IC Fig. 1.1 Convenii de notare a semnalelor DISPOZITIVE ELECTRONICE I CIRCUITE ANALOGICE - CURS 7este componenta variabil, cu evoluie sinusoidal i care are valoarea maxim cvMI . Semnale sinusoidale Suntfrecventutilizateattndescrierileteoretice,ctinexperimentelepractice privind dispozitivele i circuitele electronice. Un semnal sinusoidal are expresia general dat de relaia: ) sin( ) ( + = t A t s (1.3) unde: A este amplitudinea semnalului; (t+) este faza semnalului Tf 22 = = estepulsaia[rad/sec];festefrecvena[Hz];Testeperioada semnalului [sec] este faza iniial a semnalului [rad] Dac semnalele sunt tensiuni sau cureni, amplitudinea se msoar n voli sau amperi. Semnalelesinusoidalesuntutilizatepelargdeoarecerspunsulunuisistemliniarla semnalsinusoidalestetotunsemnalsinusoidal,darcuamplitudineifazdiferitefade semnaluldeintrare(deexcitaie).Pentruadeterminacomportareasistemuluiliniarlaaplicarea unui semnal sinusoidal, deci cum i modific amplitudinea i faza se utilizeaz caracteristicile de frecven. Frecvena semnalelor sinusoidale este cuprins de obicei ntre civa heri (Hz) i civa megaheri (MHz).Expl: - frecvene audio corespund undelor acustice care pot fi auzite de om: 20Hz20kHz(practic16kHz);microunde:sutedeMHz,cuparticularitireferitoarela generare, amplificare, radiaie, propagare i recepie a oscilaiilor.

Celmaiadeseaamplitudineaseexprimprinvaloareaefectiv.ngeneral,valoarea efectiv a unui semnal este egal cu valoarea tensiunii (curentului) continuu care dezvolt ntr-o rezisten dat aceeai putere ca i tensiunea (curentul) periodic considerat. n cazul semnalelor sinusoidale, ntre valoarea efectiv efUi amplitudinea mU a unei tensiuni exist relaia: mmefUUU 707 . 02 = (1.4) Puterea disipat pe o rezisten, n regim sinusoidal este dat de expresia: 2m mef efI UI U P= =(1.5) Semnale rectangulare (dreptunghiulare) Deoarecesuntspecificeelectroniciidigitale,nuvominsistapreamultasupralorn cursuldefa.Suntdenumiteiimpulsuri,fiinddefiniteprindurat(limeaimpulsului)i amplitudine.Funcionareacircuitelordigitaleestecaracterizatdesecvenedeimpulsuri,deregul neperiodice.Acestecircuitelucreazcusemnale(tensiuni)avnddounivelelogice:1logic (nivel superior, HIGH) i 0 logic (nivel inferior, LOW). Alte tipuri de semnale sunt: -semnal treapt unitate; -semnal dinte de ferstru; -semnal triunghiular, etc. DISPOZITIVE ELECTRONICE I CIRCUITE ANALOGICE - CURS 8 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. Simbolul este prezentat n (fig. 1.2) Relaiadeproporionalitatedintretensiuneaaplicatlabornelerezistoruluiicurentul care l strbate este dat de legea lui Ohm: I R U = (1.6) Principalul parametru al unui rezistor este rezistena nominal.n circuitele electrice se folosesc rezistoare legate n serie sau paralel. Trebuie reinut c lalegareanserie,rezistenaechivalentestemaimaredectceamaimaredinrezistenele individuale, n timp ce la conectarea n paralel se obine o rezisten echivalent a circuitului mai mic dect cea mai mic din rezistenele individuale.Prin conectarea rezistoarelor n serie sau paralel se obin divizoare de tensiune, respectiv curent.(fig. 1.3) n (fig. 1.3 a) este prezentat un divizor de tensiune la care una din rezistene este legat la mas. Relaia dintre tensiuni este: 2 12R RRE U+ = (1.7) Dacniciunadinrezisteneledivizoruluinusuntlegatelamas(fig.1.2b)atunci scriind T2K pe ochiul mic i pe cel mare: 0i (1.8) Dac se nlocuiete valoarea curentului n prima ecuaie rezult relaia ntre tensiuni: 2 1122 121R RRER RRE U+++= (1.9) E R1 R2U a) R1 R2 U E1 E2 b) R2 R1 I I1I2c) Fig. 1.3 Divizoare de tensiune i curent realizate cu rezistoare RI U Fig. 1.2 Rezistorul simbol i relaia U/IDISPOZITIVE ELECTRONICE I CIRCUITE ANALOGICE - CURS 9n(fig.1.3c)celedourezistenesuntlegatenparalel,obinndu-seastfelundivizor de curent; relaiile ntre cureni sunt: ; ; rezult (1.10) nlocuind tensiunea n ecuaiile curenilor rezult relaiile dintre acetia: i (1.11) Se observ c tensiunea divizat este proporional cu valoarea rezistenei de pe care seculege(relaia1.7)ntimpcecurentuldivizatesteproporionalcuvaloareaceleilalte rezistene a divizorului (relaiile 1.11). Condensatorul este elementul care are proprietatea de a acumula (nmagazina) sarcina electricQ (msurat n coulombi C) atunci cnd i se aplic la borne o tensiune U (V). CelmaiimportantparametrualunuicondensatorestecapacitateaC.CapacitateaCse definete ca raportul dintre sarcina electric Q nmagazinat i tensiunea aplicat la bornele sale: U C Q sauUQC = = (1.12) unde C este capacitatea condensatorului i se msoar n farazi (F). Deoarece n practic coulombul i faradul sunt uniti foarte mari, principalul parametru al condensatorului este capacitatea nominal, exprimat n F(10-6), nF(10-9) sau pF(10-12). Conformlegiiconservriisarciniielectrice,curentuliCprincondensatoreste determinatdevariaiantimpasarciniielectricedepearmturilecondensatoruluiconform relaiei: dtdQiC=(1.13) Derivndrelaia(1.12)seobinelegturadintretensiuneicurentncazulunui condensator: tUC IdtduC idtdUCdtdQ = = = ; ; (1.14) Seobservcvaloareacurentuluiprincondensatoresteproporionalcuvitezade variaie a tensiunii la bornele sale. Expl: Dac avem un condensator de 1F care se ncarc cu uncurentconstantde10mAatuncintr-unintervaldetimpt=1mstensiunealabornelesale crete cu U=10 V. Laconectareacondensatoarelornseriesauparalelseobincapacitiechivalentecu formule invers ca la rezistene (serie capaciti cu paralel rezistene i invers). Fig. 1.4 Condensatorul - Simbol i relaia U/I DISPOZITIVE ELECTRONICE I CIRCUITE ANALOGICE - CURS 10 Pelngcapacitateanominal,aliparametricaracteristicicondensatoarelorsunt: tolerana,coeficientuldetemperatur,tensiuneanominal,rezistenadeizolaie,curentulde fug. Definirea acestora se va face n cadrul laboratorului. ncrcarea condensatorului la un curent constantAcestmontajcarefolosetencrcarea/descrcareaunuicondensatorseutilizeazn circuitedetemporizare,ntrziere,oscilatoarederelaxare,etc.pentrustabilireaunoranumite intervale de timp. Se folosete schema din (fig. 1.5 a), unde condensatorului C i se aplic un curent constantIdelaosursdecurentcontinuu.ncrcareasepoatefaceidelaosursde tensiune continu, constant prin intermediul unei rezistene. Rezult: dtCIdu sau ct IdtduCdtdQiCC= = = = = . (1.15) Integrnd rezult: tCIuC = (1.16) Aceasta reprezint ecuaia unei drepte de pantC I tg / = Bobina Un alt element de circuit fundamental, pasiv este bobina (fig. 1.6). Cel mai important parametru al bobinei este inductana L care se msoar n Henry (H), respectiv mH sau H. Inductana L se definete ca raportul dintre fluxul magnetic al bobinei Li intensitatea curentului prin bobin: LLiL= (1.17) Relaiadintretensiunealabornelebobineiicurentrezultdinlegeainduciei electromagnetice: Fig. 1.6 Bobina Simbol i relaia U/I uC i a) I C I iC, uC t uC tg=I/C b) iC Fig. 1.5 Creterea tensiunii pe un condensator sub un curent continuu constant DISPOZITIVE ELECTRONICE I CIRCUITE ANALOGICE - CURS 11= = = dt uLi sautIL UdtdiL u1;(1.18) DacseaplicotensiuneU constant(delaosursdetensiunecontinu)labornele bobinei se constat o cretere liniar a curentului prin bobin, de la zero ctre infinit.(fig. 1.7) Bobinaidealnupermitesalturidecurentlabornelesaledeoarecei(t)trebuiesfieo 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: t I i sin =(1.19) Derivnd i nlocuind n relaia (1.18) se obine expresia tensiunii la bornele bobinei: ||

\|+ =||

\|+ =||

\|+ =2sin2sin2sin t U t I X t I L uL(1.20) Seobservctensiuneaestedefazatcu/2naintea curentuluicarestrbatebobina. Se spune c o bobin ntrzie curentul care o strbate. ncurentalternativbobinaestecaracterizatprintr-orezistenaparentnumit reactan inductiv XL (exprimat n ohmi): L f L XL = = 2(1.21) Se observ c la frecvene mari (f) bobina ideal se comport ca un circuit deschis (XL,IL0).Bobinaidealnudisipenergie;eapoatetransmiteinmagazinaenergie electric.CantitateadeenergieelectricacumulatdeobobinprincaretrececurentuliLeste dat de relaia: 22LLi LW = (1.22) U iL, uL t i tg=U/L b) U i L uL a) Fig. 1.7. Creterea curentului ntr-o bobin sub o tensiune continu constant DISPOZITIVE ELECTRONICE I CIRCUITE ANALOGICE - CURS 12 2. DIODA SEMICONDUCTOARE Diodasemiconductoareesteprivitdinpunctdevederealcomportriilaborneial aplicaiilor; de asemenea sunt menionate cteva noiuni de fizica jonciunii semiconductoare. 2.1. Dioda redresoare Este un dispozitiv electronic cu dou terminale, anod (A) i catod (K) (fizic, catodul este marcatprintr-obandcolorat)(fig.2.1c).ninterior,diodaredresoareestedefaptojonciune pn.(fig. 1.a) Prinjonciunesenelegezonadetreceredelasemiconductorul(dopat)detippla semiconductorul de tip n, n aceeai reea cristalin continu. Purttorii mobili de sarcin (goluri +ielectroni-)segsescntr-omicarecontinu,aleatoareprintreatomiireelei.Odat jonciuneaformat,opartedinelectroniiliberidinzonadetipntraverseazjonciuneaise combincugoluriledinzonadetipp.Aceastmicarearecarezultatfaptulcnimediata apropiere a jonciunii, n zona de tip n rmne o poriune cu sarcin fix pozitiv +, iar n zona de tip p se formeaz o poriune cu sarcin fix negativ -. ntre aceste dou zone se formeaz, laniveluljonciuniiobarierdepotenialcare,laechilibruseopunemigrriincontinuarea electronilor din dreapta spre stnga. Aceast barier de potenial poate fi controlat prin tensiunea aplicat din exterior ntre terminalelediodei.AstfeldactensiuneaUDareplusullaanodA(terminalulaferentzoneide tip p) i minusul la catod K (terminalul aferent zonei de tip n), bariera de potenial scade i prin diodtreceuncurentIDcarecretecutensiuneaaplicat.Spunemcdiodaestepolarizat direct.Dependenacurentuluidirectdetensiuneadirectaplicatesteneliniar.Odiodcu siliciuncepesconduc(sedeschide,intrnconducie)pentruUD>0.450.6V.(Diodelecu germaniu conduc la tensiuni directe mici de aprox. 0.2 V). Dactensiuneaaplicatdinexteriorareplusullacatodiminusullaanod,barierade potenialcrete,mpiedecndtrecereasemnificativacurentuluiprindiod(tipicaprox.1nA). Spunem c dioda este polarizat n sens invers sau c este blocat. Dioda este deci un dispozitiv electronic unidirecional, pasiv, care conduce curentul ntr-un singur sens, de la anod spre catod.2.1.1. Caracteristica tensiune curent a diodei redresoare Semainumeteicaracteristicastaticdeoarecepentrufiecarepereche(UD,ID) determinat, UD i ID sunt mrimi constante. Relaia care modeleaz aceast caracteristic este: ||||

\| = 1TDmUUS De I I (2.1) Fig. 2.1 Jonciunea pn i simbolul diodei semiconductoare AK ID UD b) a) ioni fixi in retea purtatori mobili de sarcina A K c) DISPOZITIVE ELECTRONICE I CIRCUITE ANALOGICE - CURS 13Unde: ISeste curentul de saturaie (rezidual) al diodei polarizat invers (0 pentru dioda ideal;nanoamperipentrudiodecuSi;miliamperipentrudiodedeputere);UT estetensiunea termiciareovaloarede25mVla25C;mesteuncoeficientdependentdetehnologiade realizare a diodei, cuprins ntre 1 i 2. Considernd m=1, relaia (2.1) poate fi aproximat pe poriuni astfel: -dac TDUUT De c rezult V U U 1 . 0 4 = 1iatuncicomportareadiodeinstare de conducie estedat de relaia: TDUUS De I I (2.2) -dac DU < -0.1 Vrezult c TDUUe 1 i atunci comportarea diodei n stare de blocare este dat de relaia: S DI I (2.3) n aceste condiii caracteristica static a diodei reale este prezentat n (fig. 2.2). Seconsiderclafiecarecretereatemperaturiicu10C,curentulrezidualse dubleaz. De asemenea se observ c dac temperatura crete, acelai curent direct prin diod ID corespundeuneitensiuniUDmaimic.Aceastcomportaresereflectprintr-uncoeficientde temperatur negativ pentru Si: C mVTUct I laDD ==5 , 2 (2.4) 2.1.2. Rezolvarea unui circuit simplu cu diod. Dreapta de sarcin i punctul de funcionare al diodei Presupunem circuitul simplu cu o diod alimentat de la o baterie sau surs electric de tensiune constant E printr-unrezistor R (fig. 2.3). Valorile numerice sunt orientative. Comportareadiodeiestedescrisprincaracteristicaneliniartensiunecurent(relaia 2.1);sepoatespuneastfelcdispozitivul(dioda)impuneodependenntretensiuneaUDi curentul ID. Datorit caracteristicii neliniare, dioda este un element de circuit neliniar. Fig. 2.2 Caracteristica static a diodeiDISPOZITIVE ELECTRONICE I CIRCUITE ANALOGICE - CURS 14 Pedealtparte,scriindteoremaadouaaluiKirchhoff(T2K)de-alungulconturului ochiului de reea din figur rezult relaia: 0 = + E U I RD D(2.5) Dependena dintre tensiunea UD i curentul ID impus de circuitul electronic se numete dreapta de sarcin i are ecuaia: D DU I R E + = (2.6) Deoarececurentulprindioditensiunealaborneleeitrebuiessatisfacsimultan relaiile2.1i2.6rezultcacestevalorisuntsoluiasistemuluiformatdinceledouecuaii. Acest sistem poate fi rezolvat prin dou metode: -grafic; -numeric. Pentru rezolvarea grafic, se ridic experimental caracteristica tensiune curent a diodei isetraseazdreaptadesarcinprintieturilaceledouaxe(pentruID=0rezultUD=E,iar pentruUD=0rezultID=E/R).DeoarecemrimileUDiIDnuvariaz,dreaptadesarcinse numete static. Punctul de intersecie) , (0 0D DI U Pse numete punct de funcionare static (PFS) al diodei. (fig. 2.4). Analiznd graficul se observ c: -valoarea rezistenei R este panta dreptei de sarcin a diodei i 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 determin o translatare a dreptei paralel cu ea nsi. Ridicareaexperimentalacaracteristiciistaticeadiodeipresupunedeterminarea valorilor ID0 i UD0 pentru PFS obinute la diferite valori ale tensiunii E. Pentru rezolvarea numeric ecuaiile sistemului se transform devenind: -din caracteristica diodei: |||

\|+ = 1 lnSDT DIIU U (2.7) UD ID [mA] EE1 E/R1 E/R E1/R caracteristica diodei dreaptade sarcin UD0 ID0 0 Fig. 2.4 Dreapta de sarcin i PFS al diodei E UD ID R 2 k 10 V Fig. 2.3 Circuit simplu cu diod DISPOZITIVE ELECTRONICE I CIRCUITE ANALOGICE - CURS 15-din ecuaia dreptei de sarcin: RU EIDD=(2.8) Se folosete o metod iterativ de calcul, parcurgndu-se pas cu pas urmtorul algoritm: -pasul 1: se consider iniial UD=0 V i rezult din relaia (2.8) curentul prin diod ID ; -pasul2:senlocuieteacestcurentnrelaia(2.7),inndcontdetipuldiodeii temperatur(prinISiUT),rezultndonouvaloarepentrutensiuneapediodUD;aceast valoare devine valoarea iniial pentru pasul urmtor. Calcululiterativesterapidconvergentdatoritfuncieilogaritmice,astfelcdup4-5 iteraii valorile pentru UD i ID se stabilizeaz, fiind reinute ultimele valori obinute. Rezolvareagraficsefolosetencazulcndnusecunoscvalorileexacteale elementelordinschem;rezolvareanumericsefoloseteatuncicndsuntcunoscutevalorile elementelordinschemiesteometodrapidiprecisdarrezultatelesuntdependentede variaia temperaturii ambiante. 2.1.3. Modele aproximative ale caracteristicii diodei Scopulrealizriiacestormodeleesteaceladeaanalizarapidcomportareadiodelorn diferite circuite electronice pentru aaprecia funcionareacorecta acestora. Cu ajutorul acestor modelesesimplificschema,obinndu-serapidinformaiifrsseincontdeparametrii diodei sau de rezolvarea sistemului de ecuaii. Deoarecepentrusimplificareaanalizeicircuitelor,caracteristicilediodelorsunt aproximate prin segmente de dreapt, modelele obinute se numesc liniare pe poriuni. 2.1.3.1. Dioda ideal (modele de semnal mare) O diod ideal are caracteristica tensiune curent prezentat n (fig. 2.5 a). Diodaidealesteasimilatunuicomutatorcomandatdepolaritateatensiuniiaplicate diodeiUD.Cnddiodaconduce,tensiuneaUD=0isecomportcaunscurtcircuit,curentul fiind limitat de circuitul exterior (comutator nchis). Cnd dioda este blocat (UD < 0),curentul ID = 0 (comutator deschis). Spre deosebire de un comutator, dioda fiind un dispozitiv electronic unidirecional conduce curentul ntr-un singur sens, de la anod la catod. Deoarecenuneleaplicaiinusepoateneglijacdereadetensiunedirectpediod numittensiunedepragUD0(aprox.0,20,4VpentruGe,respectiv0,60,8VpentruSi), caracteristicadiodeiesteprezentatn(fig.2.6a).Aceasttensiuneseconsidernseriecu dioda ideal (fig. 2.6 b). 0 UD ID a) AK ID K(UD) UD b) Fig. 2.5 Caracteristica tensiune curent i simbolul diodei ideale DISPOZITIVE ELECTRONICE I CIRCUITE ANALOGICE - CURS 16 2.1.3.2. Comportarea diodei la semnal mic. Rezistena dinamic (modelul de semnal mic) Prin semnal mic se nelege acel semnal la carevariaia curentului sau tensiunii vrf la vrf este mic n raport cu componenta continu (valoarea medie) a acestei mrimi. n (fig. 2.7) este prezentat caracteristica unei diode polarizat direct de ctre un astfel de semnal. Daclipsescmicilevariaii,diodalucreaznpunctuldefuncionarestabil(PFS)de coordonate(UD0,ID0)(punctulP).SeobservcnjurulPFScaracteristicastaticadiodeise aproximeazprintr-odreapt;decieasecomportcaorezistenisenumeterezistena dinamic a diodei. Dac se scriu componentele variabile ale tensiunii i curentului prin diod: t U I i I i t I U u U ud D d D D d D d D D sin ; sinmax0 0max0 0 + = + = + = + = (2.9) rezistena dinamic se determin cu formula: maxmaxdddddIUiur = = (2.10) Se observ c rezistena dinamic depinde de poziia PFS. Dac se ine cont de definiia panteiuneidrepteidefaptulceaaratctdenclinatestenraportcuabscisarezult relaia: DDDRIUtg == (2.11) Dac m este panta dreptei de aproximare, rezistena dinamic este inversul pantei: mR rezultUImDDD1== (2.12) Fig. 2.7 Comportarea diodei la semnal mic 0 UD ID a) UD0 b) ID UD0 UD Fig. 2.6 Caracteristica tensiune - curent a) imodelul diodei cu considerarea tensiunii UD0 b) DISPOZITIVE ELECTRONICE I CIRCUITE ANALOGICE - CURS 17n(fig.2.8)esteprezentatmodeluldiodeicucaracteristicaliniarizat.nconducie dioda este echivalent cu o surs de tensiune UD0 n serie cu rezistena RD. 2.2. Dioda stabilizatoare Dacseaplicuneidioderedresoareotensiuneinversmare,datoritmultiplicriin avalan a purttorilor de sarcincurentul invers crete brusc ducnd la distrugerea diodei prin strpungere.DeasemeneastrpungereadiodeisemaipoateproducedatoritefectuluiZener (interaciuneadirectdintrecmpulelectricinterncuelectroniidinlegturilecovalente).Acest efect d i numele folosit deseori (impropriu*) pentru dioda stabilizatoare i anume diod Zener. Tensiunea la care se produce acest fenomen se numete tensiune de strpungere sau de avalan. (*)-efectul Zener apare la tensiuni inverse ntre 2,7 i 5 V; -efectul multiplicrii n avalan apare la diode cu dopri reduse, la tensiuni peste 7V. Spredeosebiredediodaredresoare,ladiodastabilizatoareseproducefenomenulde strpungere nedistructiv, caracterizat prin creterea brusc acurentului invers (Iz) n condiiile meninerii aproape constante a tensiunii inverse (Uz) pe diod.(fig. 2.9) ValoareatensiuniiUzpoateficontrolatprintehnologie,avndodispersiemare.De aceeancataloageestedatvaloareamaxim,miniminominalpentruaceasttensiune.La funcionareanregiuneaZenernutrebuiedepitcurentulmaximIZM.DeasemeneaUzeste dependentdetemperaturprincoeficientuldetemperaturaltensiuniiZener,VZprevzutn cataloage. Pentru diodele cu UZ < 5V, VZ este negativ, adic UZ scade cu creterea temperaturii. Pentru diodele cu UZ > 5V, VZ este pozitiv i tensiunea Zener UZ crete cu temperatura. Pentru diodele cu UZ cuprins ntre 5.8V coeficientul VZ poate fi negativ sau pozitiv. n (fig. 2.10) 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. ID a) UD [V] [mA] UZ IZ[mA] [V] AK ID UD AK AK b) Uz Iz Fig. 2.9 Caracteristica i simbolurile diodei Zener 0 UD ID a) UD0 P tg=RD b) ID UD0 UD RD Fig. 2.8 Caracteristica liniarizat i schema echivalent a diodei DISPOZITIVE ELECTRONICE I CIRCUITE ANALOGICE - CURS 18 2.3. Aplicaii ale diodelor semiconductoare 2.3.1. Circuite de redresare Redresoarele intr n componena surselor de alimentare, asigurnd conversia puterii de curent alternativ n putere de curent continuu. 2.3.1.1. Redresorul monoalternann(fig.2.11)esteprezentatunredresormonoalternan,frfiltru(a)icufiltruRC (b), precum i formele de und ale tensiunilor de intrare i ieire (c). Laanalizafuncionriisefolosetemodeluldiodeiidealecarefuncioneazcaun ntreruptor nchis-deschis, dup cum tensiunea din secundarul transformatorului de reea Tr este pozitiv sau negativ. Din formele de und (c) se observ c alternana pozitiv a tensiunii u2 se regsete pe rezistena de sarcin Rs. n alternana negativ, dioda fiind blocat, prin Rs nu circul curent, deci tensiunea us este zero. Dac tensiunea u2 este de forma: t U t u sin ) (max 2=(2.13) iareovaloaremedieegalcuzero,tensiuneausperezistenadesarcinvaaveao component continu (valoare medie) de forma: = = 0maxmax) ( sin21 Ut d t U US(2.14) Decireprezintaproximativotreimedinvaloareamaximatensiuniidinsecundarul transformatorului.Tensiuneapesarcinusesteotensiunecontinu(nsensulcnuare componente negative) dar nu este constant (este pulsatorie). Pentru a deveni constant se face o D D RS u1u2 RSu2 C R uSuS a)b)c) u2 uS t[ms] t[ms] 2040 fr C cu C Fig. 2.11 Redresorul monoalternan b) ID UD0 UD RD UZ iZ 0 UD ID a) UD0 UZ0 IZ iD uD uZ RZ=uz/iz RD=uD/iD IZ UZ0 UZ RZ Fig. 2.10 Caracteristica liniarizat i schema echivalent a diodei stabilizatoare DISPOZITIVE ELECTRONICE I CIRCUITE ANALOGICE - CURS 19filtrarecuajutoruluiunuicondensatorCieventualorezistenR,nparalelcusarcina. Condensatorul C este electrolitic i trebuie respectat polaritatea din figur. ntr-unintervaldetimpt(relativmicfadeperioadaTatensiuniiu2)diodaesten conducie, tensiunea pecondensatorul C i pe sarcina Rs urmrete tensiunea u2. Condensatorul Csencarclavaloareamaximatensiuniiu2.ntotrestulintervalului,deoareceu2vafimai micdectusrezultcdiodaseblocheazicondensatorulCsedescarcexponenialpe rezistenadesarcin.TensiuneausscadedelavaloareaUmaxcuus.Variaiaussenumete tensiune de ondulaie. npracticsepuneproblemacalculriivaloriicondensatoruluicareasiguroanumit tensiune de ondulaie us . Pentru aceasta se pornete de la sarcina acumulat n condensator pe timpul t cnd conduce dioda: Su C Q = (2.15) Conformteoremeiconservriisarcinii,sarcinaacumulatdecondensatorntimpult cnd dioda conduce este egal cu sarcina evacuat de acesta n timpul (T-t)Tcnd dioda este blocat: SS SRUI unde T I Qmax (2.16) Egalnd cele dou relaii de mai sus rezult: f u RUC iarf RUu CS S SS = = max max1 (2.17) Cuajutorulacesteiformulesepoatecalculaivaloareaondulaieitensiuniipentruo valoaredat a condensatorului C: f C RUuSS = max(2.18) Cu ct RS i 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=22 F, Rs=5 k,Umax=30 V, f=50 Hz rezultus 5,5 V. Invers, dac se impune tensiunea de ondulaie us =1 V rezult condensatorul de 120 F. Pe lng valoarea C, la alegerea condensatorului trebuie precizat tensiunea nominal i curentul de ondulaie. inndcontdeus,valoareacomponenteicontinueatensiuniipesarcinaRSla redresorul monoalternan prevzut cu filtru capacitiv este dat de formula: C R fUUuU USSScont 2 2maxmax max .(2.19) Atunci cnd se aleg diodele redresorului trebuie inut cont c o diod suport periodic o tensiuneinversegalcu2Umax(deoarecenalternananegativtensiuneadinsecundarulTr ajungela-Umax ntimpcecondensatorulrmnepracticncrcatla+Umax).nproiectarese impune condiia ca VRRM >4Umax. Deasemeneapentrureducereaondulaiilorsemaifolosescnpracticbobinedeoc sau filtre LC i RC trecejos. DISPOZITIVE ELECTRONICE I CIRCUITE ANALOGICE - CURS 20 2.3.1.2. Redresorul dubl alternan n punte nredresorulmonoalternandin(fig.2.11)estefolositnumaialternanapozitiva tensiunii alternative u2. Pentru a utiliza ambele alternane se folosete redresorul dubl alternan n punte. (fig. 2.12) SeobservcnalternanapozitivatensiuniidinsecundarulTrintrnconducie diodele D2 i D4, n timp ce D1, D3 sunt blocate. n alternana negativ se schimb starea diodelor darsensultensiuniipesarcinrmneacelai.Dactensiuneadealimentareestede50Hz,se observ c frecvena tensiunii redresate este dublu acesteia i anume de 100 Hz. Conform acestei observaii, nlocuind frecvena cu dublul acesteia se obine:

f C RUuSS2max = (2.20) deci ondulaia scade la jumtate fa deredresorul monoalternan.ValoareacomponenteicontinueatensiuniipesarcinaRSlaredresorulmonoalternanprevzut cu filtru capacitiv este dat de formula: C R fUUuU USSScont 4 2maxmax max .(2.21) La valori mici ale amplitudinii Umax nu se poate neglija cderea de tensiune pe cele dou diode aflate n conducie (aprox. 2x 0,6 V = 1,2 V). Deci US va fi cu aprox. 1,2 2 V mai mic dect tensiunea Umax.

2.3.1.3. Sursa dubl de tensiune nmulteaplicaiisuntnecesaresursedubledetensiunecaresasiguretensiuni simetricefadezero.Astfeldesursesepotobinedactransformatoruldealimentareeste prevzut cu priz median ca n (fig. 2.13). Cele dou tensiuni simetrice din secundarul Tr sunt exprimate prin relaia (2.13). u1 u2 C2 u2 C10 V Tr +Umax -Umax D1 D2 D3 D4 Fig. 2.13 Surs dubl de tensiune RS u1u2 uS a) R C b) u2 uS t[ms] t[ms] 2040 fr C cu C Fig. 2.12 Redresorul dubl alternan n punte DISPOZITIVE ELECTRONICE I CIRCUITE ANALOGICE - CURS 212.3.1.4. Multiplicatorul de tensiune n alte aplicaii sunt necesare surse care s furnizeze tensiuni mari la cureni de sarcin mici(expl.:alimentareatuburilorcatodice;ionizatoaredeaer;contoaredeparticule,etc.). Acesteasenumescmultiplicatoaredetensiuneiaucaschemdebazdubloruldetensiune format,pelngtransformatoruldetensiunedincondensatoareleC1,C2idiodeleD1,D2. (fig.2.14). Pe condensatorul C2, dup cteva perioade ale tensiunii u2 se regsete o tensiune egal cu2Umax.Dacserepetschemadublorului(nfig.2.14odat)seobineomultiplicaredeun 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). 2.3.2. Circuite de stabilizare O surs de tensiune continu, pe lng transformator, redresor i filtru trebuie s conin i un stabilizator care s asigure o tensiune pe sarcin ct mai stabil (constant), dac tensiunea de intrare Ui , curentul de sarcin IS sau temperatura variaz ntre anumite limite. Cel mai simplu stabilizator de tensiune este prezentat n (fig. 2.15) Funcionareaacestuicircuitsebazeazpeproprietateadiodeistabilizatoaredea menine constant tensiunea la borne UZ=US pentru variaii largi ale curentului IZ, cu condiia ca dioda s fie polarizat n regiunea Zener. Astfel curentul prin diod trebuie s fie cuprins ntre IZmin (tipic 5 mA) i IZmax. DacsenlocuietediodaZenercumodelulsuliniarizatpeporiuniprezentatn(fig. 2.10) aceasta va fi caracterizat de sursa UZ0 n serie cu rezistena dinamic RZ. Dac se scrie T2K se obine: S ZZ Z Z iRZ iZ R iI IR I U UIU UR rezult U RI U++ == + =) (0 (2.22) Dac se traseaz prin tieturi la axe dreapta de sarcin, aceasta are coordonatele: R RS IR IZ IS US Ui UZIZmax UZ IZ IZmin P a) b) Fig. 2.15 Stabilizatorul de tensiune a), caracteristica static i dreapta de sarcin pentru dioda Zener Ui/R Ui(RS/R+RS) u1 u2 C2 C1Tr 2Umax Umax D1 D2 D3 D4 C3 C42Umax Fig. 2.14 Multiplicator de tensiune ( x 4Umax) DISPOZITIVE ELECTRONICE I CIRCUITE ANALOGICE - CURS 22 -cu axa Ox: (SSiR RRU+ , 0); -cu axa Oy: (0, RUi) Dac 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 PFS. 2.3.3. Alte aplicaii ale diodelor semiconductoare ncontinuaresuntprezentatectevadintreaplicaiilediodelorsemiconductoarei anumeutilizarealorncircuiteelectronicedelimitare,formatoaredeimpulsuriipentru refacerea componentei continue a unui semnal rectangular. 2.3.3.1. Circuite de limitare Semainumescilimitatoaredeamplitudinedeoarecelimiteaztensiuneadeieirela anumite valori precizate.n (fig. 2.16) 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.2.16a) limita superioar este la aproximativ 0,6V.n(fig.2.16b)limitasuperioaresteextinsprinnseriereacudiodaauneitensiunide 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 , adicpentrulimitareasuperioariinferioarlaanumitetensiunisefoloseteodiod stabilizatoare .(fig. 2.17) Pentruscderealimiteiinferioareseintroducenserieinopoziiecudioda stabilizatoare o a doua diod stabilizatoare. Astfel se poate obine un limitator simetric.Ui Uo R a) -UD0 b) Uo Ui UZ0 UZ0 c) t Ui U0 -UD0 UZ0 Fig. 2.17 Circuit limitator bilateral cu diod Zener RR Ui Ui t Uo a) Uo Ui 5 V b) Uo Ui UD0 UD0 c) U0 d) Fig.2.16Circuitlimitatorcudioda).extinderealimiteisuperioareb). caracteristica de transfer c). forme de und d)DISPOZITIVE ELECTRONICE I CIRCUITE ANALOGICE - CURS 23n(fig.2.18)esteprezentatschemaunuiastfeldelimitator.Acestasefolosetela protejarea instrumentelor de msur i a intrrii amplificatoarelor cu amplificare mare. 2.3.3.2. Circuite formatoare de impulsuri npracticdiodelesemaifolosescncircuiteformatoaredeimpulsuri,cuajutorul croraseobinimpulsuriascuite,pozitivepentrufiecarefrontcresctoralunuisemnal rectangular de intrare. (fig. 2.19) Circuitul este format dintr-un derivator (filtrul RC trece-sus). Dac se mai monteaz i o diodcucatodulspreU2,aceastavalsastreacnumaiimpulsurilenegative.Amplitudinea impulsurilorlaieireaacestorcircuiteestecuaproximativ0,6Vmaimicdectaimpulsurilor de intrare datorit cderilor de tensiune pe diode. 2.3.3.3. Circuite pentru refacerea componentei continue n(fig.2.20)esteprezentatuncircuitcudiodfolositpentruobinereaunuitrende impulsuricuovaloaremediepozitivU0,dintr-untrendeimpulsuriaplicatlaintrarecareeste axat fa de zero Ui. DacseinverseazpolaritateadiodeiD,seobinelaieireuntrendeimpulsuricuo valoaremedienegativ.(Expl.:D=1N4148;C=0,1F).Valoareamedieestedependentde amplitudinea semnalului de la intrare. 0 U2 0 US t t b) Fig. 2.19 Circuit formator de impulsuri Ui USR D C U2 Ui Uo R D1D2 Fig. 2.18 Limitator simetric cu diode RS a) Ui D C U0 t Fig. 2.20 Circuit pentru refacerea componentei continue a unui semnal DISPOZITIVE ELECTRONICE I CIRCUITE ANALOGICE - CURS 24 3. TRANZISTORUL BIPOLAR Tranzistorulbipolar(TB)afostdescoperitnanul1948.Spredeosebiredediodcare esteunelementpasiv,TBesteunelementactivdeoarecepermiterealizareafuncieide amplificare.3.1. Structura i funcionarea TB Esteundispozitivelectroniccutreiterminale:emitor(E),baz(B)icolector(C). Structuralesteformatdintreizonesemiconductoare,dopatediferitcupurttoridesarcin (pozitivi i negativi). Zona central baza este mult mai subire n comparaie cu celelalte dou regiuni(aprox.1m).nfunciedepoziionareaacestorzone,tranzistoarelesuntdedou categorii: de tip npn i de tip pnp. (fig. 3.1.a i b) Celetreizonesuntseparatededoujonciuni,jonciuneaemitor-baz(jBE)i jonciuneacolector-baz(jBC).Astfelstructuratranzistoruluipoatefireprezentatprindou 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. Totuifuncionareatranzistoruluicadispozitivelectronicestediferitdeceaadou diode montate n opoziie; funcionarea se bazeaz pe efectul de tranzistor.Dacseconsideruntranzistordetipnpnpolarizatconform(fig.3.3).Tensiunea EC>EB. Cele dou zone ale emitorului i colectorului sunt puternic dopate cu impuriti de tip n (donoaredeelectroni).Regiuneabazeiesteslabdopatcuimpuritidetipp(acceptoarede electroni). Cmpul electric creat de sursa EB injecteaz electroni din emitor n regiunea bazei, la felcancazuluneidiodepolarizatdirect.Datoritngustimiiiaslabeidopriabazei,puini electroniliberiinjectaidinemitorserecombinnbaz,ceimaimulidifuzndnzona colectorului. Jonciunea CB nu se comport ca o diod, ci las s treac un curent important spre B C E pnp B C E npn Fig. 3.2 Structura tranzistorului cu dou diode n opoziie Fig. 3.1 Structura i simbolul tranzistoarelor npn (a), pnp (b) i identificareaterminalelor pentru capsula TO-92 plastic DISPOZITIVE ELECTRONICE I CIRCUITE ANALOGICE - CURS 25colector,curentdeelectroniliberi(curentuldecolector).Acestaestenprincipalefectulde tranzistor sau de baz subire. Electroniirecombinainbazarducetreptatlanegativareaacesteiaidecila modificareapolarizriijonciuniiEB.AcestlucrunusentmpldeoareceplusulsurseiEBva 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.nmodnormaljonciuneaemitor-bazestepolarizatdirect,iarjonciuneacolector-bazestepolarizatinvers.Sespunectranzistorulbipolarestepolarizatnregiuneaactiv normal(RAN)ifuncioneazcaamplificator.Cuajutorulunuicurentdebazmicsepoate 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. Cunotaiiledinfigur,mrimilecarecaracterizeazfuncionareatranzistoruluinpn sunt: -VE,VB,VCsuntpotenialeleemitorului,bazeiicolectoruluifadeunpotenialde referin (masa circuitului); -IE, IB, IC sunt curenii prin terminalele emitorului, bazei i colectorului; -UBE, UBC, UCE sunt tensiunile dintre terminale, exprimate prin relaiile: = = =E C CEC B BCE B BEV V UV V UV V U(3.1) nsimbolultranzistorului,printr-osgeatesteindicatsensulrealalcurentuluide emitor, atunci cnd acesta funcioneaz n regiunea activ.CurentuldeemitorIEsedatoreazelectronilorinjectaidinemitornbaziconform convenieiprincares-aalescasensalcurentuluisensuldemicarealpurttorilorpozitividesarcin (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.CurentuldecolectorICestedatdeelectroniicare,datoritbazeisubiriautrecutdin baz n colector. (la fel sensul este contrar deplasrii electronilor) C E B IC IB IE UCE UBE VB VE VC Fig. 3.3 Simbolul i notaiile mrimilor curenilor i tensiunilor pentru tranzistorul npn DISPOZITIVE ELECTRONICE I CIRCUITE ANALOGICE - CURS 26 CurentuldebazIBesteformatdingolurilecarenlocuiescelectroniicarese recombinisefixeaznbaz.Cureniidebazicolectorintrntranzistor.Astfeldacse consider tranzistorul ca un nod i se scrie T1K rezult: C B EI I I + = (3.2) Dacsedefinetectigulstaticncurentsauraportulstaticdetransferalcurentului h21E sau prin relaia: BCEIIh = = 21(3.3) Acest parametru se mai noteaz cu hFE sau Fi se numete factor de amplificare n curent continuu (DC current gain) i are valori uzuale cuprinse ntre 10..1000. Rezult:

B CI I = (3.4) Seobservcncolectortranzistorulsecomportcaungeneratordecurentlacare curentul de colector este comandat (este dependent) de curentul de baz.nlocuind n (3.2) rezult c: ) 1 ( + = + =B B B EI I I I(3.5) n practic se poate aprecia c: E CI I (3.6) Cumjonciuneaemitor-bazsecomportcaodiodidacsenlocuietediodacu modelul su pentru polarizare direct se obine modelul static pentru tranzistorulfuncionnd n regiunea activ (fig. 3.4): Tensiunea UBE este de 0,6 V n cazul tranzistoarelor cu siliciu. n cazul tranzistoarelor pnpse 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). E BC IB IC IE IB a) UBE0 E BC IE IB ICIB b) Fig. 3.4 Modelul static pentru tranzistorul npn DISPOZITIVE ELECTRONICE I CIRCUITE ANALOGICE - CURS 27Terminalulcomunaparineattcircuitelordeintrarecticircuitelordeieire. Semnalul(tensiunea)deintrareseaplicprinparteastng,iarceldeieireseobinenpartea dreapt. n(fig.3.5)suntprezentatetipuriledeconexiunincarepoatefuncionauntranzistor npn. n cazul tranzistorului tip pnp se inverseaz sensurile tensiunilor i curenilor. Pentru a aprecia comportarea n curent continuu a unui tranzistor bipolar trebuie trasate caracteristicile acestuia, n funcie de tipul conexiunii. Acestea sunt: -caracteristicideieireprezintdependenadintremrimiledeieire;aceast dependen este parametrizat n funcie de una din mrimile de intrare; pentru fiecare valoare a parametruluirezultocaracteristic,astfelnctnfinalrezultofamiliedecaracteristici. Aceste caracteristici de ieire fac parte din specificaiile de catalog ale tranzistoarelor. Expl:-pt. conexiunea EC avem ct I CE CBU f I== ) (unde IB este parametru; -pt. conexiunea BC avem ct I CB CEU f I== ) ( unde IE este parametru; n(fig.3.6)suntprezentatecaracteristiciledeieire ct I CE CBU f I== ) ( pentru tranzistoare npn (a) respectiv pnp (b), n conexiune EC. ncazulmodeluluiidealizatdin(fig.3.6b)curentulIC=IBnudepindedetensiunea UCE i caracteristicile de ieire ar trebui s fie paralele cu axa tensiunilor. n realitate ele prezint o uoar cretere. Caracteristicilesuntreprezentatencadranulntipentrutranzistoruldetipnpnin cadranultreipentrutranzistoruldetippnp.LatranzistorulpnpUCEIB1 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 UBC UBE INTRAREINTRAREIEIREIEIRE IE IB UBC IEIRE a) b) c) UCE UEC IC IB UBE DISPOZITIVE ELECTRONICE I CIRCUITE ANALOGICE - CURS 28 referinstandardizatcarespunecuncurentestepozitivdacintrntranzistorinegativ dac iese. n cataloage se reprezint i caracteristicile de ieire pentru tranzistoarele pnp tot n cadranul nti deoarece sunt reprezentate n coordonate (-IC, -UCE).-caracteristicideintrareprezintdependenadintremrimiledeintrare;aceast dependen este parametrizat n funcie de una din mrimile de ieire. Expl:-pt. conexiunea EC avem ct U BE BBCU f I== ) (unde UBC este parametru; -pt. conexiunea BC avem ct U CB EBCU f I== ) ( 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) . Sunttrasatetreicaracteristici,pentrutreivalorialecurentuluidebazIB.Legturaimpusde circuitul exterior mrimilor IC i UCE este dat de dreapta de sarcin care se obine scriind T2K n ochiul EC: CE C C CU R I E + = (3.7) Particularizndecuaiadrepteidesarcin(3.7)pentruUCE=0iIC=0seobin interseciile cu axele (Oy) respectiv (Ox) (dreapta prin tieturi) (fig. 3.6 b). 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 DISPOZITIVE ELECTRONICE I CIRCUITE ANALOGICE - CURS 29Punctuldefuncionarestatic(PFS)decoordonate(UCE0,IC0)seobinelaintersecia dintre dreapta de sarcin i caracteristica de ieire a tranzistorului. Pentru a afla valoarea curentului de baz fixat se scrie T2K n ochiul bazei: BE B B BU R I E + = (3.8) Rezult: BBE BBRU EI= (3.9) 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: C CcR UItg1 == (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 (760U