Home - Rasfoiesc.com
Educatie Sanatate Inginerie Business Familie Hobby Legal
Meseria se fura, ingineria se invata.Telecomunicatii, comunicatiile la distanta, Retele de, telefonie, VOIP, TV, satelit




Aeronautica Comunicatii Constructii Electronica Navigatie Pompieri
Tehnica mecanica

Electronica


Index » inginerie » Electronica
Lucrare de atestat Clasa XII-a Electrotehnica - Scheme electronice de comanda


Lucrare de atestat Clasa XII-a Electrotehnica - Scheme electronice de comanda




Lucrare de atestat

Clasa XII-D

Specializare: Electrotehnica

Filiera: Tehnologica

Tema de paroiect: Scheme electronice de comanda




Scheme electronice de comanda

Capitolul I - Notiuni HTML de baza

Redus la esenta, Limbajul de Marcare HiperText (HyperText Markup Language-HTML) este un set de coduri speciale care se insereaza intr-un text, pentru a adauga informatii despre formatare si despre legaturi. HTML se bazeaza pe Limbajul Generalizat Standard de Marcare (Standard Generalized Markup Language-SGML). Prin conventie, toate informatiile HTML incep cu o paranteza unghiulara deschisa (<) si se termina cu o paranteza unghiulara inchisa (>) - de exemplu, <HTML>. Acest control - sau marcaj HTML, cum mai este numit - comunica unui interpretor HTML (program de navigare) ca documentul este scris si formatat in limbajul HTML standard. Exemple de interpretoare HTML ar putea fi programul Internet Explorer al companiei Microsoft, program de explorare web inclus atat in pachetul Microsoft Plus! pentru Windows 95, inclus in Windows 98, 2000, Millenium si XP SP1 si SP2, cat si in pachetul Internet Connection Kit al firmei Apple.

HTML, la fel ca oricare alt limbaj de mrcare, prezinta unele probleme. Sa presupunem, de exemplu, ca doriti sa includeti cuvantul <HTML> - inclusiv parantezele unghiulare - intr-un document. Trebuie sa dispuneti de o modalitate de a impiedica interpretarea acestui cuvant drept control HTML.

HTML si programe de navigare

Ce se intampla daca un program care interpreteaza html, cum ar fi Internet Explorer, citeste un fisier care nu contine nici un control HTML? Ceea ce trebuie facut este sa adaugati cateva controale HTML - numite informatii pe care programele de explorare Web le poate utilizapentru a pagina si formata informatia continuta in document. Informatiile de formatare implicite din fisierul respectiv sunt valabile (din punct de vedere vizual) pentru un cititor uman, dar programele de navigare Web le vor ignora deoarece nu fac parte din limbajul HTML. Cu alte cuvinte, daca noi vedem un caracter cu alineat ca primul caracter dintr-o propozitie, aceasta fiind indicatia ca propozitia este inceputul unui nou paragraf, dar acest lucru nu este realizat astfel in limbajul HTML.

Fara controalele HTML, fisierul nu este deloc ceea ce a fost intentionat, fiind destul de confuza pentru cititor. De aceea, recomandarea specialistilor este sa testati intotdeauna documentele HTML, prin vizualizarea lor intr-unul sau mai multe programe de exploatare Web, pentru a va asigura ca totul arata corect. De asemenea, daca va loviti de situtia in care programul de exploatare afiseaza toate controalele de formatare, in loc sa le interpreteze, inseamna ca ati denumit probabil fisierul cu extensia ".txt" sau ".doc", in loc de ".html". Programele Web sunt destul de marginite - dati-le un fisier text si il vor afisa exact asa cum este. Pentru a rezolva problema, pur si simplu redenumiti fisierul.

Impartirea in paragrafe si linii

Cele mai importante marcaje pe care le folositi probabils cel mai des - specifica faptul ca doriti trecerea la paragraf nou sau la linie noua. Exista diverse variante ale acestor controale, dar puteti crea documente lizibile si utile folosind doar cele doua marcaje <P> si <BR>.

Pentru a specifica trecerea la un paragraf nou, utilizati controlul <P>, (controlul este mnemonic, P de la paragraf).

Desi documentul arata relativ bine, in cazul in care este necesara semnatura, cum ar fi scrisori mai mult sau mai putin oficiale sau note standard de afaceri, aceasta trebuie sa fie indentata la dreapta cu cativa centimetri. Aceasta ramane o problema, in programul de navigare fiind mentinuta marginea stanga a documentului.

Pentru remedia problema, puteti utiliza marcajul de informatie preformatata: <PRE>. Marcajul <PRE> este de tip pereche, deci actioneaza fara probleme asupra oricarui numar de linii este nevoie, si trebuie incheiat cu </PRE>. Dupa adaugarea controlului <PRE>, ati ajuns la formatarea dorita, dar acum a aparut alta problema: textul din blocul preformatat (materialul dintre <PRE> si </PRE>) apare scris cu un corp de litera diferit, de tip monospatiu (courier).

Corpul de litera se refera la un anumit stil al caracterelor, avand diverse dimensiuni. Spre deosebire de aceasta, un font este un corp de litera cu o anumita dimensiune si stil. Times New Roman este un corp de litera, iar Times New Roman 12 bold italic este un font. Intr-un corp de litera monospatiu, fiecare litera are exact aceeasi latime. Cinci caractere "i" mic (iiiii) au aceeasi latime ca si, spre exemplu cinci caractere "m" mic (mmmmm).

Motivul pentru care Explorer a modificat corpul de litera este faptul ca programul de navigare a presupus ca textul preformatat este un listing de cod sau alta informatie tehnica. Aceasta este contextul cel mai uzual al marcajelor <PRE>. In concluzie, a functionat oarecum, dar nu este chiar ceea ce ati dorit.

Impartirea documentului in sectiuni

Daca aruncati o privire atenta supra unui document HTML complet specificat, veti observa ca este impartit in doua sectiuni: ceea ce poate fi numit sectiunea stationara si corpul propriu-zis al mesajului.

Cele mai utilizate elemente de informatie de la inceputul unei note ("catre.", "de la.", "data.", "subiect."), iar in continuare exista de obicei o rigla (o linie) urmata de spatiu gol, in care scrieti continutul propriu-zis al mesajului.

In mod similar, fisierele HTML sunt de obicei impartite in doua sectiuni: antetul (sau headerul) care contine informatia introductiva de formatare a paginii, si corpul. Pentru a delimita fiecare sectiune, se utilizeaza marcajele pereche <HEAD> </HEAD> si <BODY> </BODY>.

Un lucru de retinut este ca programele de explorare Web ignora caracterele Enter, taburile si spatiile multiple, atunci cand documentul este reformatat pentru afisare, economisind mult spatiu si puand afisa o mai mare portiune din document.

La sfarsit, pentru a adauga informatii despre adresa si autor, se foloseste marcajul <ADDRESS>. Aceasta se incheie cu marcajul de inchidere </ADDRESS>.

Inserarea de imagini

Cele doua formate permise de limbajul HTML sunt:

GIF: Graphics Interchange Format introdus de Compuserve

JPEG: formatul introdus de Joint Photographic Expert Group

Se pot insera si grafice in alt format - de exemplu TIFF, BMP, PCX sau PICT - un utilizator ar putea fi in masura sa afiseze aceste imagini, dar numai in cadrul unei aplicatii separate, care ar putea fi lansata automat sau nu de catre programul de explorare.

Diferenta dintre formatul GIF si JPEG, este ca imaginile GIF pot utiliza doar 256 de culori, pe cand JPEG permite milioane de culori distincte intr-o imagine. Trebuie facuta o mentiune speciala despre asa-numitele GIF-uri animate. Acestea se bazeaza pe o procedura foarte simpla: o secventa de imagini grafice cu treceri line de la una la alta poate fi rulata in asa fel incat sa apara ca o imagine animata.

Includerea imaginilor intr-un document Web este imediata, utilizand marcajul de formatare <IMG> (imagine).

Capitolul II - Dispozitive semiconductoare

2.1. Procese fizice in semiconductoare

Functionarea dispozitivelor semiconductoare se bazeaza pe conductibilitatea prin electroni sau goluri a materialelor semiconductoare. Semiconductoarele constitui din punct de vedere al conductivitatii o categorie intermediara intre metale si izolatoare. Conductivitatea lor variaza puternic cu temperatura: la temperaturi foarte coborate ele sunt izolatoare, iar la temperaturi foarte inalte pot deveni conductoare destul de bune. Semiconductoarele cele mai des folosite in dispozitive semiconductoare sunt cristalele elementelor tetravalente, Ge si Si. Legatura dintre atomii constitutivi ai cristalului fiind covalenta. Aceasta legatura are un caracter directional. Deoarece fiecare atom are 4 electroni de valenta, el va fi legat cu 4 atomi vecini uniform distribuiti in spatiu.

Proprietatile electrice ale unui corp solid sunt determinate de structura benzilor de energie corespunzatoare ultimei orbite a atomilor(fig 3.1).

Benzile apar prin modificarea energiei electronilor din acelasi strat fata de nivelul initial al atomului izolat. Modificarea cea mai pronuntata a energiilor se produce la electronii de pe ultima orbita. Nivelele energetice ale electronilor de pe orbitele inferioare e modifica practic putin din cauza legaturii mai puternice a electronilor fata de nucleu.

3.1.1. Semiconductoare intriseci si extrinseci

Intr-un semiconductor, purtatorii de sarcina mobili sunt electronii si golurile. Daca un electron de valenta poseda energie suficienta , el poate trece din BV in BC, lasand in urma sa nivel energetic neocupat (o legatura covalenta libera) sau un "gol". Ia nastere astfel in semiconductor o pereche electron-gol. Golul poate fi considerat ca un purtator de sarcina mobil in BV, care contribuie la existenta curentului electric . Conductia prin goluri sub actiunea unui camp electric are loc prin ocuparea golului dintr-o legatura covalenta vecina unde se formeaza tot un gol. In acest fel, "golul" se deplaseaza in camp producand un curent electric.

Semiconductoarele pot fi intrinseci si extrinseci. Primele sunt pure din punct de vedere chimic. In acestea, la temperatura obisnuita se formeaza perechi electron-gol pe cale termica. In semiconductorul pur, numarul electronilor este egal cu acela al golurilor si conductibilitatea este atat electronica cat si prin goluri. Aceasta conductibilitate este de valoare redusa. Semiconductorii extrinseci au impuritati special introduse, pentru marirea conductibilitatii.

Daca intr-un semiconductor tetravalent (Ge) se introduce o impuritate pentavalenta (As, Sb, P) cel de-al cincelea electron de pe ultima orbita a atomului de impuritate nu participa la formarea legaturilor covalente. Nivelul energetic al acestui electron (WD) din BV a impuritatii este plasat in dreptul benzii interzise al semiconductorului, mai aproape de BC.

La temperatura obisnuita, acest electron de valenta al atomului impuritatii devine electron de conductie al semiconductorului. In urma eliberarii acestui electron, nu se formeaza un gol, ci un ion pozitiv de impuritate fix in reteaua cristalina a semiconductorului. Aceste impuritati se numesc "donoare". La semiconductoarele cu impuritati donoare, conductia se face prin electroni si de aceea se numesc semiconductoare de tip "n".

Daca intr-un semiconductor tetravalent se introduc impuritati trivalente (In, Al) atunci o legatura covalenta dintr-un atom de impuritate si un atom de semiconductor este incompleta. Un nivel energetic WA neocupat din BV a atomului de impuritate este plasat in dreptul BI a semiconductorului in apropierea BV(fig 3.3).

La temperatura obisnuita, un electron de valenta al semiconductorului, dintr-o legatura vecina, completeaza legatura covalenta nesatisfacuta a atomului de impuritate si in urma lui ramane un gol. Atomul de impuritate devine un ion negativ fix in retea, iar electronul raman prins in legatura sa covalenta. Aceste impuritati se numesc "acceptoare", air semiconductoarele cu impuritati acceptoare se numesc semiconductoare de tip "p", deoarece conductia are loc prin goluri.

2.2. Jonctiunea p-n

2.2.1. Comportarea jonctiunii la echilibru termic

Jonctiunea p-n reprezinta un cristal semiconductor format din doua regiuni de tip p si n. Dupa modul de variatie a concentratiei la limita comuna a celor doua regiuni, jonctiunea poate fi "abrupta" sau "gradata". Se va studia jonctiunea abrupta, avand concentratiile de impuritati Na si Nd (impuritati acceptoare sau donoare).

Datorita concentratiei neuniforme a purtatorilor in cele doua regiuni, apare fenomenul de difuziune: golurile din regiunea p vor difuza in regiunea n, iar electronii din regiunea n vor difuza in regiunea p. Purtatorii de tip opus din apropierea suprafetei de separatie a celor doua regiuni se recombina intre ei. In acest fel, ramane o sarcina spatiala negativa fixa in regiunea p, formata din ioni negativi de impuritate acceptoare si o sarcina spatiala pozitiva fixa in regiunea n, formata din ionii pozitivi de impuritate donoare. Regiunea de sarcina a jonctiunii se mai numeste "regiune de trecere". Sarcinile formate sunt egale si de semn contrar. Din aceasta cauza, regiunea de trecere patrunde mai adanc in semiconductorul cu dotare mai slaba de impuritati. Daca dotarea celor doua regiuni este puternica, regiunea de trecere este ingusta.

Intre limitele regiunii de trecere apare, datorita sarcinilor spatiale, o diferenta de potential(fig3.4.g) care reprezinta o "bariera de potential" pentru purtatorii ce difuzeaza dintr-o regiune in alta. Astfel, se produce un camp electric E, dirijat dinspre regiunea n spre regiunea p, care se opune patrunderii purtatorilor majoritari in regiunea de trecere. Campul provoaca insa deplasarea purtatorilor minoritari (ce patrund in regiunea de trecere) dintr-o regiune in alta a semiconductorului ("curenti de camp"). Numai purtatorii majoritari cu energie suficient de mare pot invinge actiunea de franare a campului electric si traverseaza regiunea de trecere ("curenti de difuziune"). In regiunea opusa ei, devin purtatori minoritari.

In figura 3.5 se prezinta curentii prinjonctiunea pn (fara tensiune aplicata din exterior) si bariera de potential. Curentii purtatorilor majoritari sunt notati cu indicele "M, iar cei ai purtatorilor minoritari cu indicele m.

Curentul prin jonctiune, in lipsa unei tensiuni exterioare este egal cu 0.

2.2.2. Comportarea jonctiunii p-n la aplicarea unei tensiuni exterioare

Polarizarea in "sens direct" (borna pozitiva a sursei la regiunea p). Deoarece, la echilibru termic, in jonctiunea pn s-a format o regiune de trecere de mare rezistivitate (din cauza ca este lipsita practic de purtatorii mobili), prin aplicarea unei tensiuni de polarizare in sens direct, intreaga tensiune se regaseste distribuita de-a lungul regiunii de trecere micsorand bariera de potential(fig 3.6). Acest lucru determina stricarea echilibrului dintre curentii de difuzie si cei de camp, si anume: cei de difuzie vor creste iar cei de camp raman practic la valoarea lor de echilibru. Prin urmare, prin jonctiune circula un curent de la p la n.

Polarizarea inversa a jonctiunii pn (borna pozitiva la regiunea n si borna negativa la regiunea p).

Tensiunea din exterior se regaseste distribuita de-a lungul regiunii de trecere marind bariera de potential(fig 3.7). In acest caz, curentii de difuziune scad (putini purtatori au energia suficienta pentru traversarea regiunii de trecere) si devin neglijabili, in timp ce curentii minoritari raman practic la valoarea de echilibru. Curentul ce trece prin jonctiune are deci o valoare redusa, fiind format din curentul de purtatorii minoritari, dirijat de la regiunea n la regiunea p.

In concluzie, jonctiunea pn permite trecerea curentului doar intr-o singura directie.

2.2.3 Caracteristica tensiune-curent a jonctiunii pn

Relatia dintre curentul iA prin jonctiune si tensiunea uA aplicata jonctiunii se poate exprima prin ecuatia jonctiunii ideale:

(2)

in care: UT = reprezinta tensiunea termica (UT = 26 mV la T = 300oK)

K = constanta lui Boltzman

T = temperatura jonctiunii in grade K

q = sarcina electronului

I0 = curentul de saturatie sau curentul rezidual al jonctiunii si reprezinta valoarea constanta catre care tinde iA la tensiuni uA negative.

Caracteristica tensiune-curent a unei jonctiuni pn reale difera de caracteristica trasata conform relatiei 2, atat in sens direct cat si in sens invers. In fig 3.8 s-a reprezentat cu linie continua caracteristica reala si cu linie intrerupta caracteristica jonctiunii pn ideale.

Se poate constata ca cele doua caracteristici corespund acceptabil doar in sens direct. In sens invers curentul prin jonctiunea reala nu este constant si ceea ce este mai important este faptul ca la depasirea unei valori a tensiunii inverse, Ustr, se produce strapungerea ei. Cresterea curentului invers la marirea tensiunii inverse se datoreaza generarii de purtatori de sarcina in zona de trecere iar strapungerea inversa a jonctiunii se produce datorita efectului multiplicarii in avalansa a purtatorilor de sarcina si efectului Zener.

Efectul Zener este rezultatul actiunii directe a unui camp electric puternic (105 V/cm) asupra retelei cristaline din zona de trecere. Electronii de valenta sunt smulsi din legaturile covalente si iau nastere perechi electron-gol.

Efectul de multiplicare in avalansa consta in:

prin accelerarea purtatorilor din regiunea de trecere, si castiga energie cinetica suficienta pentru ca ciocnind un electron de valenta sa-l poata elibera din legatura covalenta, realizand o pereche electron-gol

purtatorii formati sunt de asemenea accelerati si pot produce alte perechi electron-gol. Ca urmare, are loc o crestere insemnata a curentului prin jonctiune.

Caracteristicile jonctiunilor sunt puternic influentate de temperatura. Aceasta influenta se explic prin modificarea concentratiei purtatorilor minoritari cu temperatura, fapt care face ca I0 sa se modifice. Curentul rezidual I0 se dubleaza la fiecare variatie cu 10oC a temperaturii pentru jonctiunile pn cu Ge, iar pentru cele cu Si la fiecare variatie cu 6,5 oC. Cu toate ca variatia relativa a curentului prin jonctiunile cu Si este mai importanta, caracteristicile acestora sunt mai putin afectate de temperatura decat cele ale diodelor cu Ge, datorita valorii initiale mai mici a curentului invers.

2.2.4. Jonctiunea pn in regim dinamic

Daca peste tensiunea continua aplicata unei jonctiuni pn se suprapune o tensiune alternativa de frecventa inalta si amplitudine redusa (semnal mic), atunci jonctiunea prezinta pentru semnal o impedanta formata dintr-o rezistenta in paralel cu o capacitate. Rezistenta opusa de jonctiune se numeste "rezistenta interna" si se determina cu relatia:

Ea reprezinta inversul pantei caracteristicii curent-tensiune in punctul static de functionare si depinde de pozitia acestui punct deoarece caracteristica este neliniara.

Capacitatea diodei este compusa din capacitatea de difuzie Cd si capacitatea barierei Cb.

Capacitatea de difuzie corespunde acumularilor de sarcina din regiunile neutre, creata de difuzia purtatorilor minoritari. Valoarea capacitatii de difuzie depinde de punctul de functionare al jonctiunii, crescand cu marirea curentului direct. Cand jonctiunea este polarizata invers Cd are o valoare mica.

Capacitatea bariera corespunde sarcinii acumulate in zona de trecere si depinde de tensiunea aplicata conform relatiei:

unde Cb0 este capacitatea bariera pentru uA = 0, iar U0 inaltimea barierei de potential la echilibru termic.

2.3. Diode semiconductoare

2.3.1 Dioda redresoare

Dioda redresoare este o jonctiune de tip pn. Se foloseste pentru transformarea tensiunii de joasa frecventa in tensiuni continue.In fig 3.9 se prezinta comparativ caracteristicile curent-tensiune ale unei diode redresoare de germaniu si ale unei diode redresoare de siliciu. La dioda cu Si, curentul invers are o valoare mult mai mica, iar caderea de tensiune directa la un anumit curent este mult mai mare decat la dioda cu germaniu.

Diodele cu Si rezista la tensiuni inverse mai ridicate decat diodele cu Ge.

La aceeasi dimensiune cu diodele cu Ge, diodele cu Si admit o putere disipata mai mare, datorita temperaturii mai mari pe care o suporta jonctiunea.

Tensiunea de deschidere a diodelor cu Si este de aproximativ 0.5 V, iar la cele cu Ge in jur de 0.2 V.

Rezistenta in sens direct a diodelor cu Ge este de ordinul zecilor de W, iar a celor cu Si de ordinul sutelor de W



Rezistenta in sens invers a diodelor cu Ge este de ordinul sutelor de kW, iar a celor cu Si de ordinul MW

Curentul rezidual I0 este la diodele cu Si de mica putere d ordinul sutelor de nA, iar la cele de putere de ordinul mA, pe cand la cele cu Ge de mica putere este de ordinul zecilor de mA, iar la cele d putere in ordinul mA.

Principalii parametrii ai diodelor redresoare sunt:

curentul mediu redresat admis pentru diferite moduri de racire I0

curentul direct de varf repetitiv admis Imax

curentul direct de soc nonrepetitiv admis (pentru un interval de timp scurt, de obicei 10 ms) Ids

tensiunea inversa maxima admisibila Uim

puterea de disipatie maxim admisibila pe jonctiune in sens direct.

2.3.2. Diode cu contact punctiform

Utilizarea diodelor cu jonctiune la frecvente de lucru inalte nu este posibila datorita valorii relativ mari a capacitatii parazite. Micsorarea capacitatii diodelor, si in special a capacitatii bariera, se poate realiza prin micsorarea substantiala a jonctiunii pn. Astfel se realizeaza diode cu o micro-jonctiune a carei suprafata nu depaseste 10-4 mm2. In fig 3.10 se arata o varianta constructiva a acestui gen. La montare cristalul 6 de tip n se pune an contact cu varful firului de wolfram 3. Aplicand un impuls de curent se modifica tipul de conductibilitate in jurul varfului de wolfram, realizandu-se o microjonctiune p-n. In acest mod se realizeaza diode cu o capacitate de bariera mai mica de 1 pF.

Caracteristica tensiune-curent a acestei diode nu difera ca forma de caracteristica unei DR, insa valoarea maxima admisibila a curentului la polarizare directa este mult mai mica datorita suprafetei mici a jonctiunii.

Dioda cu contact punctiform se utilizeaza foarte mult in circuite de detectie si in circuite de comutatie rapida.

Principalii parametrii sunt:

caderea de tensiune directa la un curent dat

curentul direct continuu maxim

curentul mediu redresat admis I0

curentul direct de varf repetitiv Im

curentul direct de pe soc pentru un timp scurt (10 ms) IdB

tensiunea inversa maxima Uim

capacitatea jonctiunii si frecventa maxima de lucru

timpul de comutatie inversa al diodei (pentru diodele de comutatie)

2.3.3. Dioda cu bariera Schottky

Functionarea acesteia se bazeaza pe fenomenele ce apar la contactul dintre un metal si un semiconductor. Dioda cu bariera Schottky se utilizeaza in tehnica microundelor in locul diodelor cu contact punctiform obisnuit, avand un nivel de zgomot mai redus decat acestea, frecvente mai mari de lucru (sute de GHz)

2.3.4 Dioda parametrica ("varicap")

Este o dioda cu jonctiune pn cu siliciu ce se polarizeaza invers in scopul modificarii capacitatii barierei in functie de tensiunea inversa. Aceasta dioda se utilizeaza in acordul automat al circuitelor, modulatoare de frecventa, convertoare tensiune-frecventa.

Principalii parametrii sunt:

domeniul tensiunilor de lucru

factorul de calitate Q, dat de relatia unde Cb este capacitatea bariera, Ri rezistenta interna a jonctiunii polarizata invers. Frecventa pentru care Q = 1 este denumita frecventa limita de functionare. Acestea sunt de ordinul GHz

variatia capacitatii cu tensiunea inversa

variatia capacitatii cu temperatura: varicapul are un coeficient de modificare a capacitatii cu temperatura foarte mic (la 100oC variatia capacitatii nu depaseste 1%).

2.3.5. Dioda tunel

Aceasta consta dintr-o jonctiune pn realizata din Ge sau Si foarte puternic dotata cu impuritati. Datorita dotarii puternice, bariera de potential si zona de trecere sunt foarte inguste si se produce un camp electric deosebit de intens (106 V/cm) (dirijat de la regiunea n la regiunea p). Ca urmare, exista posibilitatea trecerii purtatorilor de sarcina prin bariera de potential prin efect tunel.

Caracteristica este prezentata in fig 3.11. Se remarca faptul ca intre punctele P si V rezistenta dinamica a diodei este negativa (curentul scade cu cresterea tensiunii). Aceasta portiune a caracteristicii face posibila utilizarea diodeiin circuite de comutatie, oscilatoare, amplificatoare, modulatoare si detectoare, memorii rapide pentru calculatoare, circuite logiceetc. In circuitele de comutare, logice si de impuls ele asigura un timp de comutare de ordinul picosecundelor.

Capacitatea diodelor tunel de a functiona la frecvente foarte mari se explica prin viteza mare cu care se deplaseaza electronii prin jonctiune.

Principalii parametrii sunt:

curentul de varf IP

tensiunea de varf UP

curentul de vale IV

tensiunea de vale UV

tensiunea de varf avansat UFP

capacitatea jonctiunii C

rezistenta interna negativa Ri

2.3.6. Dioda stabilizatoare (Zener)

Aceasta functioneaza in zona de strapungere nedistructiva a diodelor semiconductoare cu Si. Prin urmare, in functionare normala ea este polarizata invers.

Functionarea diodei Zener este cuprinsa intre IZmin si IZmax. Depasirea lui IZmax poate avea ca urmare trecerea punctului de functionare in zona strapungerii ireversibile, ceea ce echivaleaza cu distrugerea diodei.

Functionarea la un curent mai mic decat IZmin face ca tensiunea la bornele diodei sa nu mai ramana constanta. Dioda Zener se utilizeaza foarte mult in circuite electronice pentru stabilirea unei tensiuni continue pe o sarcina si la realizarea unui cuplaj in curent continuu cu o rezistenta dinamica redusa intre doua puncte ale unui curcuit intre care exista o diferenta mare de potential.

Principalii parametrii ai diodei Zener sunt:

tensiunea de stabilizare UZ la un anumit curent invers IZ

curentul invers minim si maxim IZmin, IZmax

rezistenta dinamica in regiunea de stabilizare Ideal ar fi ca    rZ = 0. In realitate, are valori de ohmi sau zeci de ohmi, fiind minima pentru diode cu

coeficientul de variatie cu temperatura al tensiunii stabilizate

La modificarea temperaturii, se modifica tensiunea de strapungere (Ust), astfel ca se schimba si tensiunea de stabilizare (UZ). Acesta este un dezavantaj al diodelor Zener.

La diodele cu dotare mai puternica cu impuritati (UZ<6V) unde predomina efectul Zener, numarul de perechi electron-gol creste cu temperatura, strapungerea are loc la o tensiune mai mica, deci KZ este negativ. La diodele cu dotare slaba cu impuritati unde predomina efectul de multiplicare in avalansa (UZ=6 200 V). Din cauza cresterii temperaturii creste numarul de ciocniri, fiind necesar un camp electric mai puternic pentru a produce strapungerea. Prin urmare, KZ > 0. Coeficientul KZ are valori cuprinse intre 0,01 0,1 [%/oC], fiind minim pentru diode cu UZ=5 6 V.

O compensare termica se poate face conectand in serie cu dioda stabilizatoare cu KZ > 0 o dioda de siliciu in sens direct care are un coeficient de temperatura negativ.

2.4. Tranzistorul bipolar

2.4.1. Principiul de functionare

Tranzistorul bipolar consta din doua jonctiuni pn realizate in acelasi cristal. Exista tranzistoare de tipul pnp si npn. Aceasta notatie indica sugestiv faptul ca un tranzistor este format din 3 regiuni semiconductoare, cea mijlocie fiind intotdeauna de tip contrar celor marginale. Regiunea mijlocie contribuie simultan la formarea cate unei jonctiuni cu fiecare din regiunile marginale: emitor-baza si baza-colector(fig 3.13). Cele 3 regiuni se formeaza jonctiunea se numesc emitor, baza, colector.

In functionarea normala, jonctiunea EB este polarizata direct, iar jonctiunea BC este polarizata invers.

Daca se alimenteaza doar jonctiunea baza colector (uEB=0) se constata ca prin circuitul de colector trece numai curentul rezidual ICB0 (curent invers al jonctiunii baza-colector)

In cazul in care se polarizeaza direct jonctiunea EB, ca urmare a scaderii barierei de potential din dreptul acestei jonctiuni, din emitor se vor injecta in baza goluri. Golurile se deplaseaza in baza datorita difuziei si ajungand in dreptul jonctiunii colector-baza sunt accelerate de campul existent aici si trec instantaneu in circuitul colectorului formand impreuna cu componenta ICB0 curentul de colector. O mica parte a golurilor injectate se recombina in baza si contribuie impreuna cu ICB0 la formarea curentului de baza iB.

Din cele prezentate rezulta ca pentru producerea efectului de tranzistor este necesar ca grosimea bazei (W) sa fie mult mai mica decat lungimea de difuzie a golurilor (LP). In caz contrar, toate golurile se vor recombina inainte de a ajunge in apropierea jonctiunii baza-colector si efectul de tranzistor nu se mai produce.

Raportul dintre componenta curentului de colector produsa de curentul de goluri provenit din emitor si curentul de emitor iE se noteaza cu a si reprezinta factorul static de amplificare in curent emitor-colector.

Se mai defineste factorul static de amplificare in curent baza-colector, b, ca raportul dintre componenta curentului colector produsa de curentul de emitor si al componentei curentului de baza produsa de curentul de emitor.

Factorul a este intotdeauna subunitar, cuprins intre 0.95 - 0.995, iar b=20 - 200 pentru tranzistoarele cu Ge si peste 200 pentru tranzistoarele cu Si.

2.4.2. Moduri de conectare. Caracteristici.

In schemele practice, tranzistorul poate fi privit ca un cuadripol activ, la care circuitul de intrare si circuitul de iesire au o borna comuna. Dupa cum aceasta borna este baza, emitorul sau colectorul exista 3 moduri de conectare a tranzistostoarelor si anume: cu baza comuna(BC), emitor comun (EC), cu colector comun (CC)(fig 3.14).

In schemele de amplificare cu tranzistoare este important sa se cunoasca rezistenta de intrare, rezistenta de iesire, precum si amplificarea de tensiune si curent in cele 3 conexiuni.

Caracteristicile statice reprezinta dependenta intre curentii si tensiunile din tranzistor. Acestea se utilizeaza pentru calculul circuitelor de polarizare care sa asigure tranzistorului un punct de functionare dat intr-un anumit mod de conexiune.

In conexiunea baza comuna (fig 3.15) caracteristicile principale sunt:

ic= f(uCB) la iE=ct; caracteristica de iesire

iE= f(uEB) la uCB=ct; caracteristica de intrare

Se disting urmatoarele regiuni de functionare:

regiunea activa: uCB<0; iE>0; uEB>0; care corespunde functionarii uzuale a tranzistorului cu jonctiunea EB polarizata direct si cu jonctiunea BC polarizata invers;

regiunea de blocare: uCB<0; uEB0; iE<0; care corespunde functionarii tranzistorului cu ambele jonctiuni polarizate invers

regiunea de saturatie: uCB<0; iE<0 care corespunde functionarii tranzistorului cu ambele jonctiuni polarizate direct.

In conexiunea emitor comun (fig 3.16) caracteristicile principale sunt:

caracteristica de iesire ic=f(uCE) la iB=ct



caracteristica de intrare iB= f(uBE) la uCE= ct

Din relatiile scrise anterior a rezultat curentul de colector

Pentru iB=0 rezulta

Deoarece (1- ) este un numar subunitar, rezulta ca: ICE0ICB0.

Aparitia curentului rezidual ICE0 se explica astfel: datorita tensiunii uCE(negativa), care se distribuie pe tranzistor, punctele din baza au un potential negativ fata de amitor si apare o polarizare directa (in interiorul tranzistorului) a jonctiunii emitoare. Aceasta se deschide si lasa sa treaca un curent iE = iC = ICE0.

In caracteristica de intrare se observa ca la valori mici ale tensiunii uBE curentul de baza isi schimba semnul, deoarece:

iB )iE - ICB0, iar (1- )iE devine mai mic decat ICB0.

In practica se utilizeaza uneori si caracteristici de transfer, cu:

ic= f(UBE) ; uCE=ct

ic= f(iB)    ; uCE=ct

In fig 3.17 se prezinta dependenta factorilor statici de amplificare in curent in functie de curentul de colector.

2.4.3. Limitari in functionarea tranzistoarelor

Functionarea corespunzatoare a tranzistorului se asigura daca nu se depasesc urmatoarelemarimi: puterea disipata maxima (Pdmax), tensiunea inversa maxima (UCEmax), curentul maxim admisibil (Icmax), frecventa limita de functionare (f

Puterea disipata maxima are doua componente, si anume: puterile disipate in cele doua jonctiuni ale tranzistorului. Puterea disipata pe jonctiunea emitoare este neglijabila in regiunea activa fata de cea pe jonctiunea colectoare. Puterea disipata pe jonctiunea colectoare duce la cresterea temperaturii acesteia si prin aceasta se poate degrada structura semiconductorului (b se micsoreaza, "imbatranirea" tranzistorului). Temperatura maxima admisa a jonctiunii, tjmax, este de 70 - 80oC pentru germaniu si 140 - 190oC pentru siliciu.

Pentru studierea comportarii termice a tranzistorului se utilizeaza un model termic. La acesta s-a echivalat fluxul de caldura (dat de Pd) printr-un curent electric, temperaturile prin potentiale electrice, rezistentele termice cu rezistente electrice(fig 3.18).

Astfel, Rjc reprezinta rezistenta termica intre jonctiune si capsula, Rca rezistenta termica intre capsula si mediu ambiant, tj, tc,ta reprezinta temperatura jonctiunii, respectiv a capsulei si a mediului ambiant.

Curentul limita maxim Icmax se stabileste pe baza unuia din criteriile:

distrugerea instantanee a jonctiunii la stingerea unor densitati locale extrem de mari in dreptul neregularitatilor suprafetei jonctiunii

puterea medie disipata in regim de impuls cand se traverseaza curba Pdmax

puterea de disipatie in regiunea de saturatie la curenti mari.

Tensiuni inverse maxime: UCEmax, UCBmax, UEBmax. Depasirea acestor valori face posibila distrugerea jonctiunii prin multiplicarea in avalansa. Nu trebuie sa se depaseasca UCEmax deoarece depasirea acestei valori face sa creasca curentul rezidual prin multiplicarea in avalansa si in final are loc distrugerea tranzistorului.

Frecvente limita de functionare. Prin aceasta se intelege calitatea tranzistorului de a mentine o valoare mare a factorului de amplificare in curent la frecvente ridicate.

2.4.4. Functionarea tranzistorului la joasa frecventa.

Parametrii de semnal mic ai tranzistorului.

Se considera ca peste componente continua, care caracterizeaza punctul static de functionare, se aplica componente variabile in timp de joasa frecventa. In practica, apar doua situatii:

a)       semnalele variabile aplicate in circuitul de intrare al tranzistorului sunt atat de mici incat caracteristicile se pot aproxima prin tangentele la ele in punctul static de functionare, deci caracteristicile pot fi echivalat cu un cuadripol liniar activ. Aceasta situatie este specifica amplificatoarelor de semnal mic.

b)      semnalele aplicate la circuitul de intrare al tranzistorului sunt mari si tranzistorul se comporta ca un cuadripol neliniar. Aceasta situatie este specifica amplificatoarelor de putere. In fig 3.30 este prezentat cuadripolul echivalentpentru semnale mici, unde u1, u2, i1, i2 sunt variatii ale tensiunilor, respectiv curentilor de intrare si iesire. In aceasta schema nu intervin componente continue. Comportarea cuadripolului este complet determinata de doua ecuatii liniare care fac legatura intre cele patru marimi de intrare si iesire, dintre care doua sunt variabile independente.

Pentru scrierea ecuatiilor se folosesc diferiti parametrii ai tranzistorului, cum ar fi: parametrii impedanta Z (sau rezistenta r); parametrii admitanta Y (sau conductanta g) si parametrii hibrizi h. La frecvente joase si medii, in practica proiectarii circuitelor electronice se utilizeaza parametrii h, care au avantajul unei determinari experimentale relativ simple fata de ceilalti. Utilizand parametrii hibrizi pentru cuadripolul echivalent se pot scrie ecuatiile:

Aceste ecuatii permit reprezentarea tranzistorului printr-o schema echivalenta la semnale mici (fig 3.31). In aceasta schema termenul h12u2 este reprezentat printr-un generator de curent. Parametrii h depind de modul de conexiune al tranzistorului, de pozitia punctului de functionare cat si de temperatura. Din cauza influentei modului de conexiune asupra parametrilor h, schema echivalenta pentru cele trei conexiuni: EC, BC, CC va fi diferita. Pentru exemplificare se reprezinta in fig 3.32 schema echivalenta pentru conexiunea EC.

In mod similar se pot reprezenta schemele echivalente si pentru conexiunea BC si CC tinand cont de modificarea marimilor de intrare sau iesire precum si de faptul ca se schimba indicele parametrilor.

2.4.5. Functionarea tranzistorului la inalta frecventa.

Parametrii de semnal mic. Frecventele caracteristice.

Cand tranzistorul functioneaza la frecvente ridicate la care influenta capacitatilor sale parazite nu mai poate fi neglijata se utilizeaza circuitul echivalent natural Giacoletto. Se prezinta schema pentru conexiunea EC (fig 3.33) in care elementele au rumatoarea semnificatie:

rbb' : rezistenta extrinseca a bazei

gb'e : conductanta baza-emitor

gce : conductanta colector-emitor

gb'c : conductanta baza-colector

gm : panta intrinseca

cb'e : capacitatea baza-emitor

cb'c : capacitatea baza-colector

Comportarea tranzistorului la inalta frecventa se poate stabili cu ajutorul circuitului sau echivalent folosind parametrii la inalta frecventa. Performantele tranzistorului cu amplificator de inalta frecventa se pot aprecia si cu ajutorul frecventelor caracteristice.

Frecventa la care modulul factorului de amplificare in curent cu iesirea in scurtcircuit scade la 0.707 (3 dB) din valoarea sa de la joasa frecventa se numeste frecventa de taiere a amplificarii de curent pentru conexiunea respectiva. Pentu conexiunea BC frecventa de taiere se mai numeste frecventa limita, si se noteaza cu fh21b. Pentru conexiunea EC frecventa de taiere se noteaza cu fh21E.

Pentru caracterizarea amplificarii in curent a tranzistorului la inalta frecventa se foloseste produsul banda-amplificare. Pentru conexiunea EC produsul banda amplificare este:

unde fT reprezinta frecventa de tranzitie.

O alta frecventa caracteristica a tranzistorului este frecventa maxima de oscilatie la care amplificarea de putere maxima intr-un circuit specificat scade la unitate.

2.4.7. Metoda de imbunatatire a performantelor tranzistoarelor

Tranzistoarele trebuie sa aiba frecventa limita, amplificarea de putere si puterea disipata cat mai mari.

Realizarea unei frecvente fa mare inseamna mentinerea la o valoare ridicata a factorului de amplificare dinamic in curent h21b. Acesta scade cu frecventa din urmatoarele motive:

suntarea intrarii tranzistorului de catre capacitatea de difuziune a jonctiunii emitoare Cde si pentru reducerea ei trebuie micsorata suprafata jonctiunii emitoare

timpul de trecere prin difuziune a purtatorilor prin baza devine mai lung decat semiperioada semnalului de inalta frecventa aplicat, astfel ca o parte din purtatorii ce difuzeaza spre colector nu mai ajung la el si sunt culesi de baza. Scurtarea timpului de trecere se poate face prin ingustarea grosimii bazei.

Puterea disipata maxima este cu atat mai mare cu cat posibilitatile de racire sunt mai mari (adica dimensiuni mari ale colectorului), cu cat tensiunea inversa intre colector si baza sau emitor este mai mare (deci rezistivitate si grosime cat mai mare a bazei) si cu cat curentul maxim prin jonctiune este mai mare (deci cu cat suprafata celor doua jonctiuni este mai mare).

Se constata insa ca solutiile preconizate mai sus sunt contradictorii, adica nu pot fi realizate simultan cele trei cerinte. O serie de solutii tehnologice de fabricatie a tranzistoarelor realizeaza acest compromis.

a)      Fabricarea tranzistoarelor prin metode electrochimice

Aici se realizeaza micsorarea grosimii bazei si reducerea suprafetei jonctiunilor. Se obtine astfel tranzistorul microaliat (MAT).

Placuta de germaniu de tip n, ce constituie baza, este corodata chimic pe ambele parti cu jeturi de electrolit foarte subtiri pana la grosimea dorita. Se depune pe cale electrochimica o pelicula subtire de indiu care formeaza regiunile marginale.

Puterea disipata maxima a acestui tranzistor, este insa redusa (50 mW) dar frecventa limita fa suficient de mare (400 MHz).

b)      Realizarea unui camp intern in baza

Pin acest procedeu se obtine tranzistorul drift.

Acesta se realizeaza prin crearea unui camp electric intern in baza care sa scurteze timpul de trecere al purtatorilor in baza. Campul este orientat de la emitor la colector si prin aceasta creste viteza de deplasare a purtatorilor si se mareste frecventa limita a tranzistorului. Pentru realizarea unui camp electric intern se introduc in baza impuritati astfel incat concentratia acestora in apropierea emiterului sa fie mai mare decat cea din apropierea colectorului(fig 3.34). Se obtine o structura "pn'+np" unde prin n'+ se intelege o baza de tip n cu concentratie sporita si gradata, in timp ce n reprezinta o baza uniforma de tip n. Realizarea tranzistoarelor drift se face prin difuzarea placutelor bazei numai pe o fata si apoi prin aliere.

Principalele avantaje ale tranzistoarelor drift fata de tranzistoarele obisnuite sunt: frecventa limita fa ridicata (25 150 MHz); tensiunea de strapungere UCbmax mai mare, datorita rezistivitatii mari a regiunii "n".

c)      Realizarea tranzistorului microaliat cu baza difuzata (MADT)

Prin combinarea procedeului de fabricare electrochimica cu realizarea unui camp intern in baza se obtine tranzistorul microaliat cu baza difuzata. Se realizeaza astfel performante deosebit de bune, ca de exemplu fa³800 MHz.

d)      Folosirea tehnologiei "mesa"

Prin aceasta metoda se obtin tranzistoare de putere mare (pana la 1W), frecventa limita ridicata (fa = 200     300 MHZ), tensiune de strapungere a jonctiunii colectoare mare (60 V) si zgomot propriu foarte mic.

e)      Folosirea tehnologiei planare

La realizarea tranzistorului se pleaca de la o placheta de Si de tip n (pentru un tranzistor de tip npn). Se formeaza pe o parte a plachetei un strat de oxid de Si (SiO2) de circa 1 micron. Prin metode speciale se inlatura oxidul pe o suprafata unde se difuzeaza baza si apoi pe aceasta se formeaza oxidul. Similar pentru difuzia emiterului. Cu ajutorul mastilor de oxid se obtine suprafata dorita a jonctiunii colectoare.

Tehnologia este mai simpla decat cea "mesa" si performantele tranzistoarelor sunt mai bune.

fa = 1000 MHz pentru Pdmax = 100 mW

fa = 400 MHz pentru Pdmax = 20 W

zgomotul si ICB0 mult mai mic.

f)        Folosirea procedeului de crestere epitaxial

Structura tranzistorului epitaxial este redata in fig 3.35. Colectorul tranzistorului este compus din semiconductor de tip p puternic dotat (p+) peste care se suprapune acelasi tip de structura.

Dupa realizarea colectorului, printr-un procedeu similar ca la tranzistorul planar se realizeaza baza si emitorul. Se realizeaza tranzistoare epitaxiale cu Pdmax = 1     10 W si fa = 300 - 500 MHz.

2.5. Tranzistorul unijonctiune

Acesta consta dintr-o bara de Si de tip "n" uniform dotata, avand la extremitati doua contacte ohmice, denumite baze, B1 si B2. La mijlocul ei se realizeaza jonctiunea "pn" prin difuzarea unui cristal de Si de tip "p" ce formeaza E(fig 3.36).

Intre cele doua baze se aplica o tensiune de ordinul a 10V care se distribuie uniform de-a lungul bazei, iar in dreptul jonctiunii exista un potential in jur de +5V fata de B1.

Daca tensiunea uEB1 este mai mica de 5V, jonctiunea pn este polarizata invers si curentul iE are o valoare redusa [mA]. Cand uEB1 depaseste valoarea UE de 5V jonctiunea se polarizeaza direct si din emitor se injecteaza goluri in reagiunea "n" dintre emitor si baza B1, goluri care sunt culese de B1 producand un curent iE marit. Rezistenta regiunii dintre B1 si E scade brusc si se micsoreaza caderea de tensiune pe ea. Acesta este un fenomen cumulativ si prin urmare are loc o trecere rapida din regimul de blocare in regimul de conducere. In felul acesta, iE creste considerabil, spre portiunea MV a caracteristicii, in care rezistenta intre E si B1 este negativa.

Dupa punctul V, punct in care uEB1 atinge valoarea minima UV, se obtine caracteristica directa a unei jonctiuni obisnuite.

Rezistenta RE are rolul de a limita curentul iE la o valoare maxima cand in circuitul de intrare se aplica o tensiune EE mai mare decat UM. Marimile importante ale unui tranzistor unijonctiune sunt curentii si tensiunile din punctele M si V.

Tranzistorul unijonctiune se utilizeaza ca generator de tensiune in forma de dinti de fierastrau, in circuite de comutatie, oscilatoare nesinusoidale, pentru circuitele de comanda ale tiristoarelor.

2.6. Tranzistoare cu efect de camp (TEC)

Acestea se bazeaza pe controlul efectuat de un camp electric asupra curentului electric ce trece prin dispozitiv. Curentul electric trece printr-un canal conductor a carui conductanta depinde de valoarea campului electric de control. Acest curent este transportat de un singur tip de purtatori mobili, care se deplaseaza de la un capat al canalului numit sursa catre celalalt capat numit drena; deplasarea are loc datorita diferentei de potential aplicate intre drena si sursa.

Campul electric care moduleaza conductanta acestui canal provine din tensiunea aplicata pe un al treilea electrod de control, numit grila sau poarta.

Tranzistoarele cu efect de camp se mai numesc si tranzistoare unipolare deoarece la conductia curentului electric participa un singur tip de purtatori mobili, si anume purtatorii majoritari de canal. La tranzistoarele bipolare la conductia curentului electric participa atat purtatorii majoritari cat si purtatorii minoritari.

La dispozitivele unipolare nu se vor mai manifesta o serie de fenomene asociate purtatorilor minoritari (recombinarea acestora, dependenta puternica de temperatura a concentratiei acestora, etc.).

Dupa tipul de purtatori care transporta curentul, tranzistoarele cu efect de camp se impart in doua categorii : TEC cu canal "n" (curentul transportat de electroni) si TEC cu canal "p" (curentul transportat de goluri).

Dupa modul in care se face controlul conductiei canalului exista: TEC cu jonctiuni (TECJ) si TEC cu poarta izolata.

In unele carti se folosesc prescurtarile provenind de la denumirile din limba engleza: FET (field effect transistor), JFET (junction FET) si IGFET (insulated gate FET).

2.6.1. Tranzistorul cu efect de camp cu jonctiuni (TECJ, JFET)

Simboluri(fig 3.38):

Un tranzistor cu efect de camp este constituit dintr-o bara de Si, de exemplu de tip n, de sectiune dreptunghiulara capetele careia se aplica contactele ohmice numite sursa si drena. Pe partea laterala sunt realizate doua regiuni de tip p legate intre ele electric prin contactul grila si care cu bara principala formeaza doua jonctiuni pn. Prin bara circula curentul de drena iD datorita tensiunii exterioare uDS si este compus din electroni ai barei.



Daca bara are o dotare uniforma cu impuritati, rezistenta ei este uniforma si tensiunea uDS se distribuie uniform de-a lungul barei. In acest fel punctele barei grilei vor avea un potential pozitiv fata de sursa S. Daca se leaga G la S atunci jonctiunile pn sunt polarizate invers de caderea de tensiune pe jumatatea de jos a barei.

Bara semiconductoare se doteaza mult mai slab cu impuritati decat regiunile grilei. In acest fel, regiunea de trecere a celor doua jonctiuni pn polarizate invers se extinde practic numai in zona n a barei. In plus, datorita caderii de tensiune de-a lungul barei tensiunea de polarizare inversa a jonctiunilor este mai mare in partea de sus si mai ingusta in partea de jos. La aplicarea unei tensiuni inverse ugs regiunea de trecere se extinde si mai mult.

In interiorul regiunii de trecere apar fenomene cunoscute: se formeaza o sarcina spatiala negativa in regiunea p si pozitiva in regiunea n si apare un camp electric ce se opune difuziei purtatorilor majoritari in regiunea de trecere. Aceasta regiune va fi deci saraca in purtatori mobili (sarcina spatiala se datoreaza atomilor de impuritati ionizati ficsi in reteaua cristalina).

Regiunea de trecere extinsa in interiorul barei nu va permite trecerea curentului de drena iD, decat printr-un "canal" ingust, ce contine purtatori mobili si a carui latime se poate controla prin tensiunea uGS. Prin urmare, rezistenta dintre D si S variaza atat cu uGS cat si cu uDS. Tensiunea uDS la care canalul este aproape complet strangulat de regiunea de trecere pentru uGS= 0 fara anularea lui iD, se numeste "tensiune de strangulare" (de taiere sau de saturatie) si se noteaza cu up. Canalul poate fi insa complet inchis numai cu ajutorul unei tensiuni de grila negative de valoare uGS=up, cand iD=0(fig 3.39).

La tensiuni uDS mici canalul este larg si iD creste rapid cu tensiunea. Prin cresterea lui uDS canalul se ingusteaza si iD scade (curentul nu se poate anula prin strangularea completa a canalului pentru uDS=up, deoarece insasi curentul iD provoaca polarizarea inversa a jonctiunilor pn prin caderea de tensiune pe bara). Cotul caracteristicilor de iesire se afla pe curba numita "locul tensiunilor de strangulare" ce corespunde valorilor: .

La tranzistorul cu efect de camp se utilizeaza foarte mult caracteristica de transfer iD= f(uGS) pentru uDS = constanta (fig 3.40).

Un avantaj deosebit al tranzistorului cu efect de camp il constituie rezistenta de intrare. Pe aceasta proprietate se bazeaza majoritatea utilizarilor tranzistoarelor cu efect de camp. Frecventa limita fa pentru tranzistoarele cu efect de camp este cuprinsa intre: 0.8 - 1000 MHz.

La tranzistoarele JFET exista limitari asemanatoare cu cele de la tranzistoarele obisnuite: tjmax, Pdmax, IDmax, UDSmax.

Capitolul III - Tranzistoare bipolare

Numele "tranzistor" vine din limba engleza, fiind o forma contrasa de la "transfer rezistor". Asa cum spune chiar numele, tranzistorul este in definitiv un rezistor de constructie aparte. Ma concentrez in special asupra tranzistorului bipolar, denumit astfel spre a-l distinge de alte tipuri de tranzistoare. Tranzistorul bipolar a fost inventat de William Shocley in anul 1948. Actul de nastere al tranzistorului a insemnat de fapt si actul de deces al triodei cu vid, inventata in anul 1906 de Lee de Forest (1873-1961). In acest fel, tuburile electronice cu vid au cedat definitiv locul dispozitivelor semiconductoare.

Principal vorbind, tranzistorul bipolar este un monocristal de siliciu (sau germaniu) in care se implementeaza, prin "dopare", o structura eterogena in care, ca intr-un sandvis, o regiune de tip p este incadrata de doua regiuni de tip n. Accesul la cele trei regiuni, intre care se formeaza doua jonctiuni (de aici si apelativul "bipolar") se realizeaza prin contacte metalice prevazute cu borne de acces(vezi fi. 7.40, a)

Tranzistorul astfel obtinut, care este de tipul npn, este simetric numai in aparenta. In realitate, gradul de dopare al regiunilor de tip n este diferit: regiunea dopata mai puternic poarta numele de "emitor" (prescurtat, E) iar celalta regiune poarta numele de "colector" (prescurtat, C). Intre emitor si colector se afla "baza" tranzistorului (prescurtat, B)cu un grad de dopare intermiadiar. Intregul sistem e inconjurat cu invelis de plastic pentru a-l proteja de actiunea agentilor externi.

Simbolul tranzistorului npn este prezentat in figura 7.40, b, unde sageata indica sensul curentului emitor cand jonctiunea emitor-baza (jonctiunea JE) este polarizata in sens direct. In figura 7.41 se arata si celalta varianta construcitiva a tranzistorului bipolar, denumit pnp, mai putin utilizat in aplicatii.

Pentru recunoasterea terminalelor tranzistorului, ne ghidam dupa imaginile prezentate in figura 7.42. Uneori, colectorul este indicat printr-un punct de culoare albastra sau rosie, dupa cum tranzistorul este de tip npn si respectiv pnp. Ca element de circuit, functionarea tranzistorului este caracterizata de valorile a sase marimi, dintre car trei sunt curentii prin terminale si trei sunt tensiunile dintre terminale.

Curentii se noteaza IE, IB si respectiv IC si au sensurile de referinta indicate in figura 7.40 b. Tensiunile dintre terminale deriva din cele trei potentiale VE, VB si respectiv IC. Doua dintre ele, UBE si UCB sunt tensiunile aplicate celor doua jonctiuni (de emitor si respectiv de colector).

Ele sunt date de relatiile:

(7.53')

si respectiv

(7.53")

In regimul pe care-l numim regim activ normal, ambele tensiuni sunt pozitive, respectiv traversand tranzistorul de la colector catre potentialul decreste. In acest fel, jonctiunea de emitor (jonctiunea emitor baza) este polarizata in sens direct, iar jonctiunea de colector (jonctiunea baza-colector) este polarizata in sens invers. Pentru moment, ne marginim sa constatam ca cea de a treia tensiune, UCE, dintre colector si emitor, este suma celorlalte doua

(7.54)

Asa cum rezulta din teorema a doua a lui Kirkoff. De altfel, nici curentii nu sunt independenti, ei satisfac teorema intai a lui Kirkoff:

(7.55)

Retinem deci ca functionarea tranzistorului este determinata de valorile a numai patru marimi: doi curenti si doua tensiuni, intre care exista relatii de legatura care trebuie stabilite.

3.1 Caracteristicile tranzistorului npn

In regimul activ normal, curentii de colector si de emitor sunt aproximativ egali si fiecare dintre ei mult mai mare decat curentul de baza.

La randul sau, curentul de baza, chiar mic fiind, poate influenta curentul de colector in sensul ca variatii mici ale curentului de baza pot produce variatii mari ale curentului de colector.

Aceasta particularitate a tranzistorului este excelent ilustrata in montajul cu emitorul comun (prescurtat EC) prezentat in figura 7.48. El difera de montajul prezentat in figura 7.46 b, pe care-l numim montaj cu baza comuna (prescurtat BC). In definitiv, oricare ar fi montajul, tranzistorul trebuie sa functioneze in regimul activ normal, in care jonctiunea de emitor este polarizata in sens direct, iar cea de colector, in sens invers. Adica, tensiunile de polarizare UBE si UCB trebuie sa fie pozitive. Desigur, aceste tensiuni, asa cum stim din studiul diodei semiconductoare, au valori foarte diferite. Astfel, tensiunea UBE este de zecimi de volt, in timp ce tensiunea UCB este de ordinul voltilor sau zecilor de volti. In acest caz, aceasta tensiune trebuie sa fie inferioara tensiunii Zenner a acestei jonctiuni.

Aceste precizari sunt necesare pentru stabilirea t.e.m. ale surselor de curent continuu care asigura polarizarea jonctiunilor. Montajul cu emitorul comun este relevant pentru functiunea de amplificator de curent a tranzistorului, care sta la baza circuitelor de amplificare. In montajul prezentat in figura 7.48 sunt prevazute si aparatele necesare masurarii celor doi curenti (IB si IC) si al celor doua tensiuni (UBE si UCE), care determina regimul de functionare al tranzistorului. Sursele de curent continuu se considera ideale si "reglabile", iar reostatul RB permite "reglajul" curentului de baza. In schema circuitului se identifica doua ochiuri pe care convenim sa le numim circuite. Ele sunt circuitul de baza si respectiv circuitul de colector. In teoria circuitelor de amplificare, circuitul de baza este denumit si circuit de intrare, iar cel de colector, circuit de iesire. Ca si in montajul cu baza comuna, curentii care traverseaza bornele tranzistorului stau in relatia:

Marimile care definesc starea tranzistorului pot fi clasificate in marimi de intrare si marimi de iesire. Acestea sunt in ordine IB si UBE si respectiv IC si ICE, cu sensurile de referinta indicate in figura 7.49. Se intelege ca la valori date pentru fiecare trei dintre marimi, cea de a patra trebuie sa fie univoc determinata daca se cunosc foua dintre cele patru marimi, pe care le numim variabile independente.

De regula ele sunt curentul de baza IB si tensiunea colector - emitor, UCE. Celelalte doua marimi, respectiv tensiunea de baza UBE si curentul de colector IC, care sunt variabile dependente, se prezinta ca functii de variabile independente. Aceste functii, pe care le numim caracteristici, se determina experimental folosind chiar montajul prezentat in figura 7.48.

3.2 Punctul de functionare al tranzistorului

Prin punct de functinareal unui tranzistor bipolar intelegem multimea valorilor celor patru marimi care determina univoc starea tranzitorului.

Le reamintim in ordinea: IB, UCE, UBE si IC.

Ele reprezinta coordonatele punctului de functionare. Valorile lor depind de tipul tranzistorului, dar si de anumiti parametrii externi in raport cu tranzistorul. In cazul cel mai simplu, al circuitului reprezentat in figura 7.54, acestia sunt: rezistentele RB si RC si t.e.m. ale surselor de c.c. EB si respectiv EC.

Coordonatele punctului de functionare se determina atunci rezolvand un sistem format din patru ecuatii. Primele doa ecuatii ale sistemului sunt:

(7.60)

si respectiv

(7.61)

Ele se obtin scriind teorema a doua a lui Kirchoff pentru circuitul de intrare si respectiv pentru circuitul de iesire. Urmatoarele doua ecuatii sunt chiar familiile de caracteristici de intrare si respectiv de iesire, date sub forma unor grafice. Amtematic, aceste familii se prezinta ca functii de doua variabile,

(7.62)

si respectiv

(7.63)

3.3 Circuite de amplificare cu tranzistoare bipolare

a)      Amplificarea curentului continuu

Tranzistorul bipolar in regimul activ normal este un amplificator de curent deoarece curentul de colector este mult mai mare decat curentul de baza. Schema circuitului la care facem referire este prezentata in figura 7.54. Concomitent cu amplificarea in curent, tranzistorul realizeaza si o amplificare in putere.

Intr-adevar, puterea primita de tranzistor de la circuitul de intrare este:

(7.68)

iar puterea disipata in rezistorul de sarcina RC este:

(7.69)

Se intelege ca puterea PC nu este furnizata de catre tranzistor, care functioneaza in regim de receptor atat in circuitul de intrare, cat si in circuitul de iesire. Aceasta putere provine de la sursa de curent continuu din circuitul colectorului.

Randamentul utilizarii energiei in acest circuit este:

(7.70)

unde este puterea electrica generata de sursele de curent continuu. In consecinta, randamentul se scrie:

(7.71)

Se vede ca randamentul este cu atat mai apropiat de unitate, cu cat tensiunea UCE este mai apropiata de tensiunea de saturatie UCesat.

b) Amplificarea curentului alternativ

Functiunea de amplificare in curent a tranzistorului bipolar este cel mai bine ilustrata de circuitul prezentat in figura 7.60, care difera de circuitul pe care tocmai l-am analizat dintr-un singur punct de vedere: acest circuit poseda in circuitul de intrare, pe langa sursa de curent continuu, o sursa cu tensiunea electromotoare variabila in timp, pe care o numim "sursa de semnal". Analiza functionarii acestui circuit este relativ simpla, daca sursa de semnal este o sursa de c.a., caz in care valoarea instantanee a t.e.m. este de forma:

(7.72)

Prezenta sursei de semnal, a carei amplitudine Eb se considera mica, determina in circuit un regim de functionare cu totul nou pe care il numim regim dinamic. In acest regim, marimile care caracterizeaza starea tranzistorului (tensiuni si curenti) sunt functii periodice de timp pe care le notam cu litere mici.

Logic vorbind, analiza regimului dinamic al circuitului de amplificare in curent alternativ trebuie sa aiba ca punct de plecare chiar cauza acestui regim. Ori, simpla referire la t.e.m. a sursei de semnal nu este suficienta, pentru simplul motiv ca inca nu stim cat de mica este amplitudinea ei. Legat de acest aspect, trebuie sa mentionam ca regimul dinamic care ne intereseaza este regimul dinamic de semnal mic. In acest regim particular, amplitudinea semnalului Eb este mica in raport cu t.e.m. EB a sursei de c.c. In aceste conditii, tensiunea electromotoare instantanee din circuitul de intrare, data de relatia:

(7.73)

ramane in permanenta pozitiva. Pe durata unei perioade a semnalului , tensiunea electromotoare eB trece pe rand prin toate valorile cuprinse intre valoarea minima EB - Eb si valoarea maxima EB+Eb.

Este limpede atunci, ca:

(7.74)

nu ramane fixa; ea se deplaseaza, de jos in sus si invers, ramanand paralela cu ea insasi.

Ca rezultat, punctul de functionare se deplaseaza in lungul caracteristicii de o parte si de alta a punctului de functionare static. In regimul dinamic de semnal mic, punctul de functionare trebuie sa ramana in permanenta pe portiunea liniara a caracteristicii. In acest fel, curentul de baza iB este de forma:

(7.75)

unde al doilea termen este componenta sinusoidala a acestui curent. Aceasta componenta are insa si intelesul unei variatii, asa cum rezulta scriind relatia sub forma:

Folosind notatia uzuala care desemneaza o variatie, relatia precedenta se scrie:

(7.76)

Aceleasi observatii sunt valabile si pentru tensiunea de polarizare a jonctiunii de baza, care trebuie sa fie de forma:

(7.77)

unde componenta sinusoidala, cu intelesul de variatie, se scrie:

(7.78)

Cu aceste precizari, ecuatia dreptei de atac in regimul dinamic se scrie:

Ori, regimul de c.c. ecuatia acestei drepte este:

Reducand termenii asemenea, se ajunge la relatia simpla:

(7.79)

care este ecuatia dreptei de atac dinamica.

3.4 Circuite practice de amplificare a c.a.

Circuitul de amplificare a curentului alternativ, pe care l-am analizat in paragraful precedent, precedent numai in interes didactic in sesnul ca, din motive care pe moment ne scapa, structura lui difera de cea a etajului de amplificare a c.a. utilizat in practica. In primul rand, intr-un etaj de amplificare, pentru a nu face risipa de surse de curent continuu (sursele de c.c. sunt intotdeauna scumpe!), cele doua jonctiuni ale tranzistorului se polarizeaza, in sensurile pe care le cunoastem, utilizand o singura sursa (fig 7.67 a).

Sa recunoastem, la prima vedere, circuitul pare foarte diferit de cel pe care l-am analizat. Totusi, lucrurile nu stau chiar asa. Ne convingem de indata ce operam anumite transfigurari cunoscute din studiul circuitelor de c.c. Mai intai, legam in paralel cu sursa de curent continuu o sursa identica ce ea (fig. 7.67 b), dupa care "despicam" nodul D (fig 7.67 c).

Aplicand acum teorema generatorului echivalent (Thevenim) ajungem, chiar la circuitul de care ne-am ocupat (fig 7.67 d), in care:

si . (7.93)

Mergand mai departe, in amplificatorul "didactic" pe care l-am analizat, sursa de semnal era parcursa si de curentul continuu IB, situatie care in practica nu este agreata. Procedam atunci cum se arata in figura 7.68, unde pentru "separarea" componentelor curentului de baza (componenta de c.c. de cea de c.a.) s-a prevazut condensatorul C.

Capacitatea acestui condensator este dictata de pulsatia curentului alternativ, in sensul ca pentru c.a. condensatorul trebuie sa reprezinte un scurtcircuit (impedanta lui 1/ C trebuie sa fie foarte mica).

Circuitul de intrare al etajului de amplificare fiind definitivat, ne ocupam in continuare de circuitul de iesire. In amplificatorul pe care l-am analizat, ca rezistenta de sarcina a fost considerata chiar rezistenta RC din colectorul tranzistorului. Este momentul sa ne amintim ca rezistenta RC, asa cum ne spune chiar ecuatia dreptei de sarcina, determina panta acestei drepte si, in ultima instanta, coordonatele punctului de functionare static. In regimul dinamic al amplificatorului, curentul prin aceasta rezistenta este total

Ori, prin rezistenta de sarcina a unui etaj de amplificare nu trebuie sa treaca componenta de c.c. a curentului colector.

Astfel stand lucrurile, este exclus ca rezistenta Rc sa fie rezistenta de sarcina. In realitate, rezistenta de sarcina, pe care o notam Rs, se leaga la iesirea etajului de amplificare (fig 7.69) prin intermediul condensatorului C2. Rolul condensatorului este de a izola in c.c. rezistenta de sarcina de restul circuitului. Capacitatea condenstorului C, se alege dupa criteriul stabilit pentru condensatorul C.








Politica de confidentialitate





Copyright © 2021 - Toate drepturile rezervate