ELECTRONICA APLICATA

Componente pasive si active

COMPONENTE ELECTRONICE •Componente mecanice si electrice (carcase, radiatoare, elemente de asamblare, socluri, conectori, sigurante fuzibile, sigurante termice, swiciuri, caburi de legatura etc)

•Componentele pasive pot conduce curentul electric, pot disipa sau înmagazina energie electrică sau magnetică. Ele pot face şi prelucrări simple a semnalelor electrice (mediere, filtrare, integrare, derivare etc.)

Tipuri: rezistoare, condensatoare, bobine si (diode).

•Componentele active pot realiza o prelucrare superioară a semnalelor electrice cum sunt amplificarea sau redresarea. Sunt reprezentate în circuit printr-un cvadripol având în majoritatea cazurilor 3 (în unele cazuri 4) terminale, spre deosebire de componentele pasive care sunt reprezentate în general printr-un dipol (uniport cu 2 terminale).

Tipuri: diode, tranzistoare, tiristoare, triace, IGBT etc.

Compnentele pasive reduc energia semnalelor electrice din circuit spre deosebire de componentele active care cresc energia semnalelor (pe seama energiei preluate de la sursele de alimentare).

•Circuite integrate (analogice, digitale, interfatare, conversie etc.)

REZISTOARE

• Rezistorul este prin definiţie componenta de circuit

care limitează trecerea curentului electric.

• Principala sa caracteristică este rezistenţa electrică

ce se masara în ohmi (Ω) cu multipli şi submultipli săi.

• Cele mai utilizate simboluri sunt: KΩ, MΩ, GΩ şi mΩ.

• Inversurl rezistentei se numeste conductanta (G=1 / R)

şi se măsoară în Siemens (S)

Simboluri grafice pentru rezistoare

RR iRu RR uGi

Clasificare rezistare

• Criteriul constructiv: fixe şi variabile (liniare, logaritmice etc.);

• Puterea disipată: de mică putere (Pn≤1W) şi de putere (zeci sau sute de W);

• Comportarea în circuit: liniare şi neliniare (termistoare, varistoare etc.);

• Criteriul tehnologic: peliculare (peliculă metalică sau peliculă de carbon), de volum şi bobinate (cementate, glazurate etc.);

• Conectarea în circuit: TH (Through Holes – rezistoare cu terminale axiale) şi SM (Surface Mounted – rezistoare cu montaj pe suprafaţă).

Parametri rezistoarelor

• Rezistenţa nominală Rn – valoarea rezistenţei electrice marcată pe corpul rezistorului (în clar sau codul culorilor). – Marcarea se face prin două sau trei cifre şi un

multiplicator.

– Valoarea se obţine în ohmi prin înmulţirea numărului cu multiplicatorul, de exemplu roşu, roşu şi portocaliu reprezintă o valoare 22 kΩ (22·103=22000 Ω). Pentru marcarea în text R sau E reprezintă valori în ohmi, k reprezintă valori în kΩ iar M reprezintă valori în MΩ (1R=1Ω, 0E1=0,1Ω, 2k7=2,7kΩ, 22M=22MΩ).

– În cazul marcării cu cifre, primele 2 sau trei cifre reprezintă valoarea iar a treia sau a patra reprezintă puterea la care este ridicat multiplicatorul (100=10Ω, 102=1kΩ, 105=1MΩ, 4754=4,754MΩ).

– La marcarea în clar de cele mai multe ori în locul virgulei (punctului) se trece multiplicatorul (prin 2k2 se marchează o rezistenţă de 2,2 kΩ iar prin 1R5 se marchează o rezistenţă de 1,5 Ω).

• Toleranţa – abaterea maximă admisibilă a valorii rezistenţei faţă de rezistenţa nominală. – În procesul de fabricaţie sunt fabricate rezistoare cu

anumite valori standardizate.

– În funcţie de toleranţă acestea se împart în următoarele serii de valorii: E6 (20%), E12 (10%), E24 (5%), E48 (2%), E96 (1%) şi E192 (0,5%), conform standardului IEC-63.

– Toleranţa se marchează în codul culorilor sau în clar prin litere (după multiplicator) astfel: M – ±20%, K – ±10%, J – ±5%, H – ±2,5%, G – ±2%, F – ±1%, D – ±0,4%, C – ±0,25% şi B – ±0,01%.

• Tensiunea nominală – tensiunea

maximă continuă sau valoarea maximă

efectivă a tensiunii alternative ce poate fi

aplicată la bornele unui rezistor.

• Puterea disipată nominală – puterea electrică maximă ce poate fi dezvoltată de rezistor în regim de funcţionare continuă, la o temperatură ambiantă dată (de obicei 70°C) fără ca acesta să-şi modifice caracteristicile. Puterile uzuale standardizate sunt: 50, 100, 125, 250, 500 mW şi 1, 2, 5, 10 W etc. Pentru rezistoarele de putere este marcată şi puterea nominală disipată, de cele mai multe ori în clar (3W).

• Coeficientul de temperatură – reprezintă variaţia relativă a rezistenţei, raportat la diferenţa de temperatură care a determinat această variaţie. În funcţie de tipul constructiv, acesta poate avea valori de 5÷15·10-4 /°C pentru rezistoarele cu peliculă de carbon şi 50÷200·10-

6 /°C pentru cele cu peliculă metalică. Coeficientul de temperatură este marcat pentru rezistoarele de precizie (a şasea bandă colorată).

• Alti parametri: factorul de zgomot, stabilitatea în timp şi fiabilitatea (valori tipice: 0,5÷3μV/V, 50÷100 ppm/an şi respectiv 1÷2·10-6 /h)

– Zgomotul rezistoarelor are două componente:

• o componentă ce depinde de tipul materialului, de impurităţi şi neregularităţile din material ,

• o componentă independentă de tipul de rezistor (proporţională cu valoarea rezistenţei şi a benzii de frecvenţă).

E3 – 50%

1,0 2,2 4,7

E6 – 20%

1,0 1,5 2,2 3,3 4,7 6,8

E12 – 10%

1,0 1,2 1,5 1,8 2,2 2,7 3,3 3,9 4,7 5,6 6,8 8,2

E24 – 5%

1,0 1,1 1,2 1,3 1,5 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,7 3,0

3,3 3,6 3,9 4,3 4,7 5,1 5,6 6,2 6,8 7,6 8,2 9,1

E48 – 2%

100 105 110 115 121 127 133 140 147 154 162 169

178 187 196 205 215 226 237 249 261 274 287 301

316 332 348 365 383 402 422 442 464 487 511 536

562 590 619 649 681 715 750 787 825 866 909 953

Valorile standardizate pentru E3 – E48.

Codul culorilor pentru marcarea rezistoarelor Culori Valoare

(primele două

sau trei

benzi)

Multiplicator

(a treia sau a patra

bandă)

Toleranţa

(a patra sau

a cincea bandă)

Coeficient de

temperatură

(a şase bandă)

±ppm/ºC

Negru 0 100 1 20% 200

Maro 1 101 10 ±1% 100

Roşu 2 102 100 ±2% 50

Portocaliu 3 103 1000 ±3% 15

Galben 4 104 10000 0...+100% 25

Verde 5 105 100000 ±0,5% -

Albastru 6 106 1000000 ±0,25% 10

Violet 7 107 10000000 ±0,1% 5

Gri 8 10-2 0,01 - 1

Alb 9 10-1 0,1 - -

Auriu - 10-1 0,1 ±5% -

Argintiu - 10-2 0,001 ±10% -

Fără culoare - - - ±20% -

Verde gălbui - - - Clasă pro-

fesională

-

Rezistoarele variabile

• Sunt cunoscute şi sub denumirea de potenţiometre.

• Au in majoritatea cazurilor 3 terminale

• Aceste au în general toleranţe de 10% sau 20%.

• Potenţiometrele pot fi de panou, semni-reglabile şi

multi-tur (pentru ajustări de precizie).

• Pot avea o variatie liniara sau logaritmica a

rezistentei

Rezistoarele neliniare

V t

VDR

t-

Rezistoarele neliniare sunt de 2 tipuri: termistoare si varistoare

Rezistenţa varistoarelor se modifică odată cu variaţia căderii de

tensiunii de la bornele lor iar rezistenţa termistoarelor se modifică

(semnificativ) cu temperatura.

Există termistoare la care rezistenţa scade cu temperatura (NTC) şi

termistoare la care rezistenţa creşte cu creşterea temperaturii (PTC).

Rezistenta termistoarelor este specificata pentru temperatura de 25ºC

Pentru termistoarele NTC rezistenţa se modifică cu temperatura

exponenţial putându-se stabili următoarea relaţie:

)0/1/

01

TBTB

TT eRR

Conectarea rezistoarelor

• Rezistoarele se conecteaza in serie, paralel si

mixta.

• In electronica este folosit foarte des montajul

divizor de tensiune

21 RRRSERIE 21

21PARALELR

RR

RR

21

2IESU

RR

RU IN

UIES

UIN

R2

R1

Condensatoare • Condensatorul este componenta de circuit folosită de

obicei la prelucrarea semnalelor electrice. Condensatoarele pot inmagazina energie.

• Caracteristica sa electrică principală este capacitatea electrică.

• Capacitatea electrica se măsoară în farazi (F).

• În majoritatea cazurilor se utilizează submultipli acestuia şi anume: pF, nF, μF şi mF.

• Simbolizare condensatoarelor este urmatoarea

+

Parametrii condensatoarelor • Capacitatea nominală Cn – valoarea capacităţii

condensatorului marcată pe corpul condensatorului. Măsurarea capacităţii nominale se face la frecvenţa de 1KHz sau 1MHz, la temperatura de 25ºC, având aplicată la borne o anumită tensiune. Condiţiile de măsură sunt de regulă specificate de producători în foile de catalog.

• Toleranţa – abaterea maximă admisibilă a valorii capacităţii faţă de capacitatea nominală. În funcţie de toleranţă sunt fabricate condensatoare ale căror capacitate face parte din una din următoarele serii valorice: E6 (20%), E12 (10%), E24 (5%), E48 (2%) şi E96 (1%).

• Tensiunea nominală – reprezintă tensiunea continuă sau alternativă maximă ce poate fi aplicată timp îndelungat fără a modifica caracteristicile condensatorului. În general această tensiune este standardizată şi face parte din următorul şir de valori: 3,3V, 5V, 6,3V, 10V, 16V, 25V, 35V, 40V, 63V, 100V, 160V, 200V, 250V, 350V, 400V, 630V, 1000V, 1500V etc.

• Rezistenţa de izolaţie – reprezintă raportul dintre tensiunea continuă aplicată condensatorului şi curentul ce-l străbate la 1 minut după aplicarea tensiunii. Valorile rezistenţei de izolaţie sunt în domeniu MΩ, GΩ. Pentru condensatoarele electrolitice se utilizează aşa numitul curent de fugă care este curentul ce trece prin condensator la aplicarea unei tensiuni egală cu tensiunea nominală după ce acesta s-a încărcat.

• Tangenta unghiului de pierderi – reprezintă raportul între puterea activă ce se disipă pe condensator şi puterea reactivă măsurate la frecvenţa la care se determină şi capacitatea nominală.

• Coeficientul de variaţie a capacităţii cu temperatura - parametru important pentru condensatoarele utilizate în oscilatoare, circuite de temporizare etc.

• Gama temperaturilor de funcţionare – domeniu de temperatură în care condensatorul îşi păstrează caracteristicile.

Codul culorilor pentru marcarea condensatoarelor Culori Coeficient

temperatură

(bandă iniţială)

[10-6 / ºC]

Prima cifră

semnific

a-tivă

(prima

bandă)

A doua cifră

semnifica-

tivă

(a doua bandă)

Multipli-cartor

(a treia bandă)

Toleranţa

(a patra bandă)

Negru 0 0 0 1 ±20%

Maro -33 1 1 101 ±1%

Roşu -75 2 2 102 ±2%

Portocali

u

-150 3 3 103 -

Galben -220 4 4 104 -

Verde -330 5 5 105 ±5%

albastru -470 6 6 0 -

Violet -750 7 7 - -

Gri - 8 8 10-1 -

Alb - 9 9 10-2 ±10%

Auriu +100 - - - -

Domeniul frecvenţelor de lucru pentru diverse tipuri de

condensatoare (electrolitice, ceramice, pliester, etc)

Tip

condensator

Electro-

litic

Hârtie Poliester Ceramică Polistiren Policarbonat

Frecvenţe de

lucru

c.c –

1KHz

100Hz –

100KHz

1KHz –

1MHz

1KHz –

1GHz

c.c. –

2GHz

c.c. –

100KHz

Condensatorul în curent continuu se comportă ca un circuit

deschis iar la frecvenţe mari ca un scurtcircuit.

În curent alternativ, în regim armonic, condensatorul este

caracterizată de reactanţa capacitivă notată XC exprimată

în ohmi .

Reactanta capacitiva, energia inmagazinata, precum si

calculul capacitatii echivalente la cuplarea in paralel sau

serie se calculeaza cu formulele de mai jos:

CfC

2

11XC

2W

2

C

CuC 21 CCCPARALEL

21

21SERIEC

CC

CC

BOBINE

• Bobina este componenta de circuit caracterizată prin inductanţa sa, notată cu L.

• Unitatea de măsură pentru inductanţe este henry (H).

• Bobinele se obţin prin bobinarea unui fir conductor (în majoritatea cazurilor cu izolaţie) pe un suport, de obicei izolator.

• Pentru circuitele de înaltă frecvenţă bobinele se obţin direct pe circuitul imprimat.

• Inductanţa L se defineşte ca raportul dintre fluxul magnetic propriu şi curentul electric ce străbate bobina.

• Pentru creşterea inductivităţii bobinei de obicei se foloseşte un miez magnetic (tole la frecvenţe joase şi ferite la frecvenţe înalte).

L

Parametrii bobinelor • Inductivitate sau inductanţa L – definită ca raportul

dintre fluxul magnetic şi curentul care parcurge bobina.

• Rezistenţa totală de pierderi – determinată atât de pierderile în conductor cât şi de cele din materialul magnetic.

• Factorul de calitate Q (adimensional) – definit la o anumită frecvenţă de lucru, ca raport dintre puterea reactivă şi puterea activă consumată de bobină.

– Datorită diversităţii, seriilor mici şi dimensiunilor mari nu s-a ajuns la o standardizare a bobinelor ca şi în cazul rezistoarelor şi condensatoarelor. La bobine sunt standardizate miezurile magnetice (tole şi ferite) ce se utilizează la fabricarea acestora. În multe cazuri bobinele sunt simulate cu alte componente de circuit. Se fabrică în serie mare bobine de filtrare (1nH - 1mH) ce sunt intercalate în serie pe traseele de alimentare.

• Bobina ideală în curent continuu se comportă ca un scurtcircuit iar la frecvenţe mari ca un circuit deschis. În curent alternativ, în regim armonic, bobina este caracterizată de reactanţa inductivă notată XL exprimată în ohmi.

• În cazul bobinelor cu miez magnetic se va ţine seama de valoarea curentului la care se saturează miezul magnetic, valoare la care inductanţa se modifică semnificativ. Depasirea curentul maxim suportat de bobină poate sa produca transformări ireversibile în bobină (defectare).

• Două sau mai multe bobine parcurse de acelaşi flux magnetic formează un ansamblu de bobine cuplate. Două bobine cuplate, pe lângă inductivităţile proprii (L1 şi L2), sunt caracterizate de inductivitatea mutuală M numită şi inductanţă de cuplaj LC

LfL 2XL2

W

2

L

LiL 21CL LLkM

DIODA semiconductoare • Dioda este un dispozitiv electronic format, în majoritatea

cazurilor, dintr-o joncţiune pn, având proprietatea de conducţie unilaterală a curentului electric.

• În zona p purtătorii majoritari de sarcină sunt golurile iar în zona n electronii.

• În apropierea zonei de contact dintre cele două structuri semiconductoare, purtătorii majoritari de sarcină difuzează dintr-o zonă în alta, se formează o regiune de sarcină spaţială numită regiune de barieră care se opune difuziei în continuare a purtătorilor majoritari între cele două structuri. Această structură dă diodei proprietatea de conducţie unilaterală.

• Dioda este un dispozitiv cu 2 electrozi. Cei doi electrozi ai diodei se numesc anod (A) şi respectiv catod (K).

• Sensul de conducţie al curentului este de la anod spre catod.

A K

p n

A K

Structura unei diode semiconductoare şi simboluri grafice.

Caracteristica statică a unei diode

• Aplicând o tensiune în sens direct (vD=vF ≥ 0) dioda intră în conducţie, practic pentru valori mai mari decât o tensiune de prag (0,2÷0,3 pentru diode de Ge şi 0,5÷0,7 V pentru diode de Si), rămânând aproximativ la aceleaşi valori (0,3÷0,5 pentru germaniu şi 0,7÷1 pentru siliciu) pentru variaţia curentului prin diodă în limite foarte largi.

• Dependenţa iD(vD) este exponenţială conform relaţiei:

unde IR este curentul rezidual, VT=kT/e este tensiunea termică (VT=26mV la

300K), T temperatura absolută, k constanta lui Boltzman iar e sarcina electronului.

• Aplicând o tensiune în sens invers (vD=vR ≤ 0) lăţimea zonei de barieră creşte, prin diodă circulă un curent rezidual iR de aproximativ 100.000 ori mai mic decât curentul iF. Acest curent, numit şi curent de saturaţie, se modifică puţin cu creşterea tensiunii inverse vR, dar depinde mult de temperatură. În această stare dioda este blocată.

• Dacă tensiunea inversă aplicată diodei creşte peste limita de străpungere, curentul prin diodă are o creştere accentuată (multiplicarea purtătorilor de sarcină prin avalanşă). Pe acest fenomen de străpungere nedistructivă sunt construite diodele Zener.

)1(/

TD Vv

RD eIi

Tipuri de diode • Diodele redresoare sunt construite în general din siliciu,

având curentul de conducţie directă cuprins între 1 şi 350 A iar tensiunea inversă cuprinsă între 50V şi 1300V.

– Principalii parametrii pentru o diodă redresoare sunt: curentul de conducţie directă (iF), tensiunea maximă de blocare la polarizare inversă (URRM), curentul direct maxim repetitiv, curentul maxim de vârf (IFSM), tensiunea în conducţie directă (VF), curentul la polarizare inversă (IR) şi timpii de comutaţie.

– Pentru redresarea bialternanţă a tensiunilor alternative (redresarea în punte) se folosesc punţi redresoare cum sunt: B380C800 (0,8A, 380V), 1PM1 (1A, 200V), B380C1500A (1,5A, 380V), 3PM4 (3 A, 400V), FBI4V440 (4A, 400V), SB104 (10A, 400V), SB154 (15A, 200V), SB258 (25 800V), B500C25000DR (25A, 500V) etc.

• Diodele de comutaţie sunt realizate cu

joncţiuni, tehnologie planar-epitaxială, cu contact

metal-semiconductor (diode Schottky) sau cu

contact punctiform.

– Prin particularităţile de realizare tehnologică, pentru

diodele de comutaţie sunt reduşi timpii de trecere din

starea de conducţie în blocare şi invers.

– Datorită timpilor mici de comutaţie (nanosecunde)

diodele de comutaţie se folosesc în circuitele de

detecţie, la modularea şi demodularea semnalelor

electrice, la redresarea în sursele în comutaţie etc.

• Diodele Schottky sunt diode ce se

formează la joncţiunea metal-

semiconductor.

– Au avantajul unei tensiuni directe mici

(0,50,6V la curenţi de ordinul amperilor) şi

dezavantajul unei tensiuni inverse de maxim

100V.

– Exemple de diode Schottky: BZS10-45 de

1,5A, 30BQ100 de 3A, SQ806 de 8A,

SR1640PT două diode de 16A, MBR3045WT

două diode de 30A, MBR6045WT două diode

de 60A etc.

• Diodele stabilizatoare (Zener) sunt diode de siliciu, care utilizează ramura caracteristicii curent-tensiune, corespunzătoare polarizării inverse în zona de străpungere (nedistructivă). – Principalii parametrii ai diodelor Zener sunt: tensiunea

nominală de stabilizare UZ, puterea nominală, curentul minim şi maxim (Izmin, Izmax) pentru care tensiunea pe diodă are valori în jurul tensiunii nominale, rezistenţa dinamică în zona de stabilizare (RZ) şi coeficientul de variaţie cu temperatura a tensiunii stabilizate.

– Coeficientul de variaţie cu temperatura a tensiunii stabilizate pentru tensiuni de stabilizare mici (2,7 – 6,3V) este negativ iar pentru tensiuni mai mari de 6,3V este pozitiv. Această proprietate este exploatată la realizarea referinţelor de tensiune de precizie.

– Tensiunile nominale pentru care sunt realizate diodele Zener sunt cuprinse între 2,5 V şi 180 V.

• Diodele varicap sunt diode utilizate în

oscilatoare şi circuite de acord datorită variaţiei

capacităţii cu tensiunea inversă aplicată. BB121,

BB122, BB221, BB222 sunt câteva exemple de

diode varicap.

• Diodele tunel se bazează pe fenomenul de

trecere a purtătorilor de sarcină prin regiunea de

barieră formată la contactul celor două regiuni

semiconductoare p şi n puternic dopate.

Caracteristica directă are o porţiune de

rezistenţă negativă şi datorită acestui fapt acesta

poate fi utilizată în circuitele de comutaţie şi

oscilatoare.

• Diodele electroluminescente (LED-uri) au proprietatea de a emite radiaţii electromagnetice în spectrul vizibil. Astfel avem LED-uri de culoare roşie, portocalie, galben, verde, albastru şi indigo, în funcţie de lungimea de undă a radiaţiei emise. Există diode în infraroşu şi ultraviolet

– Aceste diode sunt conectate în circuit cu anodul la plus şi cu catodul la minus.

– Căderea de tensiune pe diodele electroluminescente este mai mare decât în cazul diodelor obişnuite şi este dependentă de culoare radiaţiei emise. Astfel, căderea de tensiune pentru un LED de culoare roşie este de aproximativ 1,8V, pentru culoarea galbenă este 2V, pentru culoarea verde este 2,2V iar pentru albastru este 3,5V. Aceste tensiuni depind de curentul ce trece prin LED, valorile menţionate fiind obţinute pentru un curent de 5 mA.

– Aplicatii: afisoare cu 7 segmente, optocuploare etc.

Caracteristicile unor diode redresoare normale Tip IF IF SM VF URRM IR Capsulă

1N4001 1 A 75 A 1,1 V 100 V 5 μA DO41

1N4003 1 A 75 A 1,1 V 200 V 5 μA DO41

1N4004 1 A 75 A 1,1 V 400 V 5 μA DO41

1N4007 1 A 75 A 1,1 V 1000V 5 μA DO41

BZM10-600 1 A 1,1 V 600 V 10μA DO213AB

FS3D 3 A 100A 1,15V 200 V 10μA DO213AB

BZ252 3 A 1V 400V 5 μA DO201AD

1N5404G 3 A 200A 1V 400V 5 μA DO201AD

BY255 3A 100A 1V 1300V 5 μA DO

P600G 6 A 400A 1,1 V 400 V 5 μA P6

6 Si 5 6 A 20A 1,2 V 500 V 3 mA TO220

6A100 6A 250A 1,0V 1000V 10 μA

SR806 8A 175A 0,55V 60V 1mA DO

D10N4 10A 210A 1,4 V 800 V 12 mA DO-4

16FR80 16A 295A 1,23V 800V

D25N6 25 A 400A 1,4 V 600 V 5 mA DO5

25FR60 25A 300A 1,3V 600V 12mA DO/4

D50N8 50 A 550A 1,55 V 800 V 10 mA DO5

Caracteristicile unor diode de comutaţie rapide Tip IF VF URRM Timp de

comutaţie

Capsulă

1N4148 0,2 A 1,1 V 75 V 4ns DO35

1N4448 0,2 A 1,1 V 100 V 4ns DO35

BA158 1 A 600V 250 ns DO41

BA159 1 A 1000V 500 ns DO41

UF4007 1 A 1,7 V 1000V 75 ns DO41

EPG10G 1 A 1,25V 400V 50 ns DO41

BYD37M 1,5A 1,3V 1000V 50 ns SOD80

EPG10G 2 A 1,25 V 400V 50 ns DO15

EPG50G 5 A 1,25 V 400V 50 ns DO201AD

8ETH06/IR 8A 1,2V 600V 25 ns TO220

BZW29-200 8 A 1,05 V 200V 35 ns TO220AC

10ETF08/IR 10A 1,2V 800V 160 ns TO220

20ETF12/IR 20A 1,31V 1200V 400 ns TO220

30CPF02/IR 30A 1,41V 200V 160 ns TO247

4CPF06/IR 40A 1,25V 600V 180 ns TO247

60CPF10/IR 60A 1,4V 1000V 480 ns TO247

Caracteristicile unor diode Zener

Tip VZ RZ Putere disipată Capsulă

DZ5V1 4,8...5,1 V 60 0,4 W DO35

DZ7V5 7,1...7,9 V 7 0,4 W DO35

BZX83V010 9,4...10,6 V 5,2 0,5W DO35

PL5V6 5,2...6 V 2 1 W DO41

PL12 11,4..12,7 V 7 1 W DO41

TRANZISTOARE BIPOLARE • Tranzistoarele bipolare sunt elemente de circuit cu rol de

amplificare a semnalelor şi de comutaţie.

• Sunt realizate prin alăturarea a trei regiuni alternative de material semiconductor n şi p.

• Cele trei regiuni de material se numesc emitor, bază şi colector şi formează două joncţiuni semiconductoare de tip np sau pn (joncţiunea bază-emitor şi joncţiunea bază-colector).

• Sunt posibile două astfel de structuri şi anume structura npn şi cea pnp.

Tip tranzistor VBE IB VCE IC

Npn VBE>0 IB>0 VCE>0 IC>0

Pnp VBE<0 IB<0 VCE<0 IC<0

• Prin tranzistorul de tip npn cirulaţia curentului este de la bază la emitor şi

din colector spre emitor pe când la tranzistoarele pnp circulaţia curentului

este de la emitor spre bază şi colector.

• Zona de bază este foarte subţire şi mult mai slab dopată decât zona

emitorului. La funcţionare normală, când joncţiunea bază-emitor (numită şi

joncţiune de comandă) este polarizată direct, emitorul “emite” în bază

purtători de sarcină, iar aceştia, în majoritatea lor sunt “colectaţi” de

colector.

• Cu un curent de bază mic este comandat curentul de colector, a cărui

valoare este de zeci sau sute de ori mai mare decât valoarea curentului de

bază.

• Aceste tipuri de tranzistoare se numesc bipolare deoarece la conducţie

participă ambele tipuri de purtători de sarcină (atât electronii cât şi golurile).

• Funcţionarea celor două structuri (npn şi pnp) este identică, diferind doar

sensul tensiunilor de polarizare şi al curenţilor.

• Sunt posibile trei combinaţii de polarizare ale celor două joncţiuni (VBE<0 şi VBC<0, VBE>0 şi VBC<0, VBE>0 şi VBC>0) rezultând astfel trei regimuri de funcţionare ale unui tranzistor şi anume: blocat, activ şi saturat.

• Deoarece din punct de vedere constructiv atât emitorul cât şi colectorul sunt realizaţi din acelaşi tip de material semiconductor (n sau p) rolul lor poate fi schimbat (funcţionare în regim activ inversat).

• Datorită faptului că nivelul de impurităţi este diferit pentru zona de emitor şi cea de colector parametri de funcţionare ai tranzistorului în regiunea activă inversă vor fi diferiţi faţă de regiunea activă normală unde aceştia au valori optime.

• Regimul blocat. Tranzistorul se află în regim blocat dacă ambele joncţiuni sunt polarizate invers. În situaţiile practice tranzistorul este în regim blocat şi în cazul în care tensiunea aplicată pe joncţiunea de comandă (de obicei bază-emitor) este zero.

• Regimul activ. În situaţia în care o joncţiune este polarizată direct iar cealaltă invers tranzistorul este în regimul de funcţionare activ. Dacă joncţiune polarizată direct este bază-emitor atunci aven regim activ normal iar dacă joncţiunea polarizată direct este bază-colector avem regim activ inversat. – Cea mai simplă descriere a funcţionării unui tranzistor în regim

activ este următoarea: prin joncţiunea bază-emitor, polarizată direct, se injectează un curent de comandă iB, curent ce determina circulaţia prin joncţiunea bază-colector, polarizată invers, a unui curent de β ori mai mare decât curentul de comandă. Prin emitor vor circula atât curentul din bază cât şi cel din colector. Factorul β se numeşte factor de amplificare în curent şi are valori uzuale de la câteva zeci până la sute. La funcţionarea în regim inversat factorul de amplificare are valori mult mai mici.

– Ce mai simplă modelare a unui tranzistor bipolar este aceea a unei surse comandate de curent. Curentul de colector este de β ori mai mare decât curentul de colector (tranzistorul este polarizat în regiunea activă), conform relaţiei de mai jos

BC ii

• Relaţia din slid-ul precedent este valabilă dacă circuitul exterior poate asigura un curent de colector care să satisfacă această relaţie . Dacă curentul furnizat de circuitul exterior este mai mic atunci tranzistorul iese din regimul activ şi intră în saturaţie, tensiunea colector-emitor scade aproape de zero şi practic joncţiunea bază-colector este polarizată şi ea direct.

• Funcţionarea unui tranzistor, în realitate, este mult mai complicată decât cea descrisă anterior. O descriere completă se poate realiza utilizând modelul Ebers-Moll, model descris în literatura de specialitate. În multe cazuri trebuie avut în vedere faptul că, prin joncţiune colector-bază polarizată invers circulă un curent rezidual, dependent semnificativ de temperatura joncţiunii. Acest curent în cazul tranzistoarelor cu germaniu (Ge) are valori semnificative şi poate produce aşa numita ambalare termică.

• Regimul saturat. În situaţia în care ambele

joncţiuni sunt polarizate direct tranzistorul se află

în regim saturat. În regim saturat, de obicei,

joncţiunea de comandă este joncţiunea bază-

emitor. Există situaţii în care joncţiunea de

comandă este joncţiunea bază-colector, situaţii

în care spunem că tranzistorul se află în regim

saturat inversat.

• Un tranzistor se află în regim saturat atunci când

curentul generat de circuitul exterior prin

colectorul tranzistorului (UCE≈0) este mai mic

sau egal cu produsul dintre curentul de bază şi β

(IC≤IB·ß).

• În aplicaţiile practice în care tranzistoarele se folosesc ca elemente de comandă este utilizat montajul cu emitor comun. Această tensiune de comandă trebuie să asigure în baza tranzistorului un curent de β ori mai mic de decât curentul care trebuie să fie comandat în colector. În aceste condiţii rezistenţa din bază poate fi calculată cu relaţia de urmatoare:

• unde UOH este tensiunea de comandă (de obicei ieşirea unui circuit integrat digital), UBE este tensiunea bază-emitor (0,6-0,7V), IC este curentul din colector iar β este factorul de amplificare în curent pentru tranzistorul ales.

• Circuitul din colectorul tranzistorului pot fi alimentate cu tensiune diferită faţă de cea a circuitelor de comandă.

• Curentul de colector se calculează ca raport dintre tensiunea de alimentare a circuitului de colectorul şi rezistenţa din colector (luam în calcul o tensiune de saturaţie de 0,2 – 05V).

C

BEOH

BI

UUR

• Regimul blocat. Tranzistorul se află în regim blocat dacă ambele joncţiuni sunt polarizate invers. În situaţiile practice tranzistorul este în regim blocat şi în cazul în care tensiunea aplicată pe joncţiunea de comandă (de obicei bază-emitor) este zero. Acest fapt este deosebit de important în realizarea schemelor în care tranzistorul este folosit pentru comanda unor elemente de execuţie (relee, servomotoare, valve etc.) a căror tensiune de alimentare este diferită de tensiunea de alimentare a circuitului care generează semnalul de comandă.

• Mentionam ca tensiunea inversa ce poate fi aplicata jonctiunii baza-emitor este de maxim 5V (a se vedea foia de catalog pentru fiecare tranzistor)

• Clasificare tranzistoare:

– Tranzistoare de mica putere: BC107, BC109, BC177, BC253

– Tranzistoare de medie putere: BD139, BD140

– Tranzistoare de putere: 2N3055, 2N3442

– Tranzistoare de joasa frecventa: BC171, BC173, BC251, BC253

– Tranzistoare de inalta frecventa: BF200, BF199 – Tranzistoare de ultrainalta frecventa: BFR90, BFR193

– Tranzistoare de comutatie: 2N2369A, 2N2222, 2N2905

– Tranzistoare de comutatie de putere: BUR608, BUR608D, BU205

• În procesul de fabricaţie tranzistoarelor bipolare sunt

sortate in funcţie de factorul de amplificare în curent β.

Astfel ele se împart pe mai multe clase cum sunt spre

exemplu cele pentru tranzistoare BC si BD:

– BC547A – cu factor de amplificare între 110 – 220 ,

– BC547B – cu factor de amplificare între 200 - 450

– BC547C – cu factor de amplificare între 420-800

– BD139-6 – cu factor de amplificare între 40 -100

– BD139-10 – cu factor de amplificare între 63-160

– BD39-16 – cu factor de amplificare între 100-250.

• Tranzistoare Darlington. Pentru a creşte curentul de

colector în condiţiile unui curent de bază foarte mic pot fi

legate două tranzistoare în cascadă obţinându-se o

structură de două tranzistoare numite Darlington. Se pot

realiza teoretic patru structuri Darlington. Sunt fabricate

în mod obişnuit doar două structuri şi anume: structura

cu tranzistoare npn şi cea cu tranzistoare pnp.

• Factorul de amplificare în curent este egal cu produsul

dintre factorii de amplificare în curent ai celor două

tranzistoare din structură.

• Exemple: BC517, BD681, BDX33C, TIP122, BC516,

BD682, TIP 127, BDX34C

• Precizari privind tranzistoarele bipolare: – Factorul de amplificare în curent β nu este un parametru

constant. Acesta este influenţat de mai mulţi factori, în principal având o variaţie importantă cu temperatura, curentul de colector şi frecvenţa. Dacă trebuie asigurată trecerea în saturaţie a tranzistorului se va lua în calcul valoarea minimă pe care o va lua factorul de amplificare în curent.

– Alegerea unui tranzistor pentru utilizare intr-o schemă electronică se face după consultarea foilor de catalog, pentru a ne asigura că sunt îndepliniţi toţi parametrii de proiectare. Printre parametri importanţi ce trebuie luaţi în calcul, în aplicaţii, sunt: tensiunea de alimentare, curentul de colector, factorul de amplificare şi timpi de comutaţie.

– În multe cazuri la depanarea montajelor electronice se pune problema diagnosticării stării în care se află componentele de circuit. Verificarea (sumara) tranzistoarelor bipolare se poate face cu un multimetru cu funcţie de măsurare a diodelor. Având în vedere că tranzistorul are două joncţiuni semiconductoare o verificare sumară a tranzistoarelor constă în verificarea celor două joncţiuni (care practic formează fiecare câte o diodă. Valorile obţinute pentru joncţiunile din componenţa tranzistoarelor sunt mai mari decât în cazul diodelor. Poate fi măsurat şi factorul de amplificare dacă multimetru are funcţia de măsurare a factorului de amplificare (h21).

TRANZISTOARE CU EFECT DE CAMP • Tranzistoarele cu efect de câmp TEC sau FET (Field

Effect Transistor) sunt dispozitive semiconductoare cu un singur tip de purtători de sarcină, fiind denumite şi tranzistoare unipolare.

• Sunt construite dintr-un canal semiconductor, a cărui rezistenţă este controlată prin câmpul electric produs de tensiunea aplicată terminalului de comandă denumit poartă sau grilă G (Gate).

• Celelalte două terminale se numesc drenă D şi sursă S.

• Aceste tranzistoare sunt utilizate în majoritatea circuitelor digitale moderne de consum redus.

• Sunt afectate mai puţin de temperatură iar schemele electronice cu aceste tipuri de tranzistoare sunt mai simplu de proiectat.

• Există două categorii de tranzistoare cu efect de câmp:

– tranzistoare cu efect de câmp cu joncţiune JFET

– tranzistoare cu efect de câmp de tip MOSFET (Metal-Oxid-Semiconductor).

a) JFET (canal n şi p), b) NMOS şi PMOS cu canal iniţial si

c) NMOS şi PMOS cu canal indus.

Date de catalog importante pentru tranzistoarele JFET sunt:

- curentul de saturaţie IDSS(mA),

- amplificarea g [mS] numită transconductanţă,

- tensiunea drenă sursă VDS,

- tensiune de prag VP,

- capacitatea de intrare şi de transfer,

- frecvenţa maximă de lucru etc.

Tip tranzistor UGS UDS ID ID(UGS=0)

JFET canal n UGS<0 VCE>0 IC>0 ID=IDSS>0

JFET canal p UGS>0 VCE<0 IC<0 ID=IDSS<0

NMOS canal iniţial Bipolară VCE>0 IC>0 ID=IDSS>0

PMOS canal iniţial Bipolară VCE<0 IC<0 ID=IDSS<0

NMOS canal indus UGS>0 VCE>0 IC>0 ID=0-Blocat

PMOS canal indus UGS<0 VCE<0 IC<0 ID=0-Blocat

Polarizarea tranzistoarele cu efect de câmp.

• Tranzistoare JFET. Tranzistoarele cu grilă joncţiune JFET pot avea canalul din material semiconductor de tip n sau p care formează o joncţiune pn cu electrodul de comandă (grila).

• Tranzistoarele JFET funcţionează cu joncţiunea grilă-sursă polarizată invers.

• Dacă tensiunea grilă sursă este zero prin tranzistor (drenă-sursă) trece un curent IDSS numit curent de saturaţie.

• Prin creşterea tensiunii de polarizare inversă secţiunea canalului se îngustează, conducţia scade, iar la atingerea tensiunii VP numită şi tensiune de prag canalul se obturează, prin tranzistor circulând doar un curent rezidual foarte mic.

• Se disting două regimuri de funcţionare şi anume: – regimul în care tensiunea drenă sursă este mică caz în care

tranzistorul se comportă ca o rezistenţă comandată

– regimul de saturaţie în care curentul prin tranzistor este stabilit în principal de tensiunea aplicată pe grilă fiind practic independent de tensiunea drenă sursă.

• Deoarece la tranzistoarele JFET comanda curentului de drenă se face prin tensiunea grilă-sursă este foarte important de cunoscut caracteristica de transfer.

• Caracteristică se ridică pentru tensiuni de drenă mai mari decât tensiunea de saturaţie iar curentul de drenă poate fi aproximat prin relaţia:

• Tranzistoarele JFET se folosesc în circuitele de amplificare, oscilatoare, modulatoare etc, atat în etajele de amplificare cât şi în circuitele de reglare a amplificării sau pentru stabilizarea amplitudinii oscilaţiilor.

• Se folosesc foarte puţin ca dispozitive de comandă (on/off) deoarece necesită tensiuni cu polaritate opusă în circuitul de comandă faţă de cel comandat, iar în lipsa tensiunii de comandă (uGS=0) tranzistorul este deschis.

2

1

P

GS

DSSDV

uIi

• Tranzistoare cu poartă izolată (MOSFET). Tranzistoarele MOSFET au grilă de comandă izolată faţă de canalul semiconductor printr-un strat izolator de dioxid de siliciu (de aici venindu-i şi numele Metal-Oxid-Semiconductor). În funcţie de doparea canalului semiconductor putem avea două tipuri de tranzistoare MOSFET şi anume cu canal iniţial şi cu canal indus.

• Tranzistoarele MOSFET cu canal iniţial au o comportare asemănătoare tranzistoarelor JFET. – Deosebirea esenţială între cele două tipuri este aceea că la

tranzistoarele MOSFET tensiunea de comandă poate avea atât valori pozitive cât şi valori negative.

– Tranzistorul poate fi adus în regim de blocare prin aplicarea unei tensiuni de comandă mai mari (mici) decât tensiunea de prag.

– De asemenea prin tranzistor poate fi comandat un curentul de drenă mai mare decât curentul obţinut pentru tensiunea grilă-sursă egală cu zero. În acest caz tensiunea grilă-sursă are polaritate opusă celei cu care tranzistorul se blochează.

– Tranzistoare MOSFET cu canal iniţial au în mare aceleaşi domenii de utilizare ca tranzistoarele JFET.

– Se utilizează rar ca dispozitiv de comandă de tip on-off datorită curentului de drenă important la tensiune de comandă zero, ceea ce necesită componente suplimentare în schemele electronice.

• Tranzistoarele MOSFET cu canal indus au stratul de conducţie slab dopat şi practic în absenţa unei tensiuni de comandă pe grilă acestea sunt în stare de blocare. Prin drenă începe să circule curent după ce pe grilă se aplică o tensiune mai mare decât o tensiune de prag (în jur de 2 - 4V).

• Prin creşterea în continuare a tensiunii pe grilă creşte şi curentul de drenă, dependenţa dintre aceste două mărimi fiind dată de relaţiile urmatoare.

VDS>VDSsat

unde m este un coeficient cuprins între 1 şi 2.

• Acest tip de tranzistoare se utilizează în circuitele integrate CMOS. Prin scăderea tensiunii de prag, în jur de 1,5V, s-a ajuns la o funcţionare a circuitelor integrate CMOS cu tensiuni de alimentare cuprinsă între 2,7V şi 3,3V.

m

TGSD VVi

• Modul de comandă a tranzistoarelor MOSFET cu canal indus le face ideale ca elemente de comandă în schemele electronice.

• Au o comportare apropiată de un comutator de tip on-off ideal (mai ales în starea de conducţie în care rezistenţa drenă sursă poate fi de doar câţiva miliohmi).

• Sunt utilizate în special în sursele în comutaţie şi în industria auto.

• În absenţa tensiunii de comandă (vGS=0) aceste tranzistoare sunt în starea de blocare, iar trecerea lor în starea de saturaţie se face prin aplicarea unei tensiuni mai mari decât tensiunea de prag.

• O tensiune de 5V este în majoritatea cazurilor suficientă pentru a comanda curenţi de drenă de ordinul amperilor sau zecilor de amperi. Tensiunea de comandă poate fi obţinută direct din ieşirea unui circuit integrat digital.

• Grila poate fi cuplată direct la ieşirea unui microcontrolerului şi nu sunt necesare calcule pentru proiectarea rezistenţele de comandă ca şi în cazul tranzistoarelor bipolare.

• Din raţiuni de protecţie, în serie cu grila tranzistoarelor, este conectată o rezistenţă care asigură protejarea circuitului de comandă în cazul unor defecte ale tranzistorului. Grosimea stratul de oxid este foarte mică şi se străpunge la tensiuni de poartă relativ mici (VGS≈60V). Pentru protecţia tranzistorului (dacă acesta nu are prevăzută din fabricaţie) se conectează în paralel cu terminalele grilă-sursă o diodă Zener.

Alte dispozitive semiconductoare • Tranzistorul unijoncţiune sau dioda cu două baze (TUJ) este realizată

dintr-o bară de siliciu uniform dopate tip n, iar la mijlocul ei fiind realizată o joncţiune pn. Contactele de la extremităţii poartă numele de baze iar electrodul sudat la regiunea p de la mijloc formează emitorul.

• Tiristorul este un comutator electronic comandat, realizat dintr-o succesiune de patru straturi semiconductoare, ce permite trecerea curentului într-un singur sens. Are trei terminale: anod A, catod K şi poartă sau grilă G. Trecerea în starea de conducţie se face cu un semnal electric aplicat între grilă şi catod. Ieşirea tiristorului din conducţie se face în momentul în care curentul prin tiristor scade sub valoarea o valoare numită de menţinere. În curent alternativ stingerea tiristorului se face automat în momentul trecerii acestuia prin zero iar în curent continuu pentru stingere sunt necesare circuite auxiliare care să reducă curentul prin tiristor la o valoare mai mică decât valoarea de menţinere.

• Triacul este un dispozitiv semiconductor cu 5 straturi ce permite trecerea curentului în ambele sensuri. Întrarea în conducţie a triacului se face prin aplicare unui semnal electric pe intrarea de poartă. Polaritatea tensiunii aplicată pe poartă poate fi pozitivă sau negativă. Comanda optimă a triacului se realizează cu impuls pozitiv pentru alternanţa pozitivă şi impuls negativ pentru alternanţa negativă. Ieşirea din conducţie se face în momentul în care curentul prin triac scade la zero (sub valoarea de menţinere).

• Fototranzistorul este un dispozitiv comandat printr-un fascicol de lumina.

Probleme • Să se calculeze rezistenţa echivalentă a circuitului din

figura. Ştiind că rezistenţele R1, R2 sunt de 0,5W iar

R3, R4, R5, R6 sunt de 0,25W se poate aplica la

bornele A-B o tensiune de 1KV?

• În cât timp un condensatorul C de valoare 10 nF în

serie cu o rezistenţă R de 22 kΩ se va încărca la 63%

din valoarea tensiunii de alimentare.

• Să se dimensioneze un divizor rezistiv pentru

măsurarea tensiunii reţelei de curent alternativ.

Domeniul de intrare al convetorului analog-digital

(CAN) de 10 biţi este de ±2,5V. Precizia de masură să

fie mai bună de 1% iar domeniul de măsură să fie cu

cel puţin 25% mai mare decât tensiunea nominală.

Curentul de intrare în convertor este de 100pA.

• Ce rezistenţă trebuie montată în serie cu un voltmetru

analogic pentru ai creşte domeniul de măsură de la 10

la 100V. Rezistenţa internă a voltmetrului este de 200k

• Ce rezistenţă trebuie să aibă o rezistenţă montată în

paralel cu un ampermetru pentru măsurarea unui

curent de 20A. Domeniul de măsură al ampermetrului

este 1A iar rezistenţa acestuia este de 0,1Ω.

• Ce curent maxim va trece printr-o bobină de 100 μH

dacă se conectează, la bornele ei pentru o durată de

100 μs, o tensiune constantă de 5V?

• Atenţie! La decuplarea tensiunii de la bornele bobinei trebuie luate măsuri pentru supresarea curentului din bobină (realizarea unei căi pentru închiderea curentului de exemplu prin conectarea unei diode), în caz contrar tensiunea autoindusă în bobină putând creşte la valori periculoase (sute de volţi). Dioda montată în schema de teste trebuie să fie o diodă rapidă cu un curent direct mai mare de 5A iar sursa de alimentare trbuie să genereze un curent în ieşire peste valoarea calculată.

• Un curent de 0,5 mA este neperceput de organismul uman, un curent de 15 mA produce crampe musculare, 30 mA produce modificarea ritmului cardiac şi creşterea presiunii sanguine iar expunerea la un curent de 80 mA mai mult de 0,5-1 secundă produce decesul imediat!

• Ce curent va trece prin dioda D1 din circuitul din figura.

• Să se calculeze rezistenţa serie a stabilizatorului

parametric din figura, realizat cu diodă Zener.

Tensiunea de intrare variază între 9V şi 12V, curentul

maxim de sarcină este de 15mA, curentul minim de

stabilizare pentru dioda Zener este de 5mA şi curentul

maxim prin diodă este de 80mA.

• Să se determine factorul de amplificare în curent β

pentru tranzistoarele bipolare de tip npn şi pnp din

figura, ştiind că indicaţia voltmetrului este 2V.

• Să se determine punctul static de

funcţionare (PSF) pentru

tranzistorul din figura, ştiind că

factorul de amplificare în curent

este 100.

• Să se determine ce valoare trebuie

să aibă rezistenţa R1 din baza

tranzistorului T1 din figura pentru

ca acesta să comande releul din

colectorul acestuia. Tensiunea de

comandă este 5V, rezistenţa

releului din colector este de 120Ω

iar factorul de amplificare în curent

este mai mare de 100.

• Să se proiecteze un circuit de

comandă care realizează comanda

unui releului care are unul dintre

terminalele bobinei conectat la

masă. Tensiunea de comandă este

5V şi este generată faţă de masă.

Se va lua în calcul un factor de

amplificare al tranzistoarelor de

minim 50.

• Să se calculeze puterea disipată

pe tranzistorul de putere cu efect

de câmp T1, din figura, folosit

pentru comanda unei rezistenţe de

încălzirea de 4,7Ω, alimentată la

24V.