componente electronicecndiptfsetic.tvet.ro/materiale/materiale_de_predare/gd/01... · web...

Învăţământul profesional şi tehnic în domeniul TICProiect cofinanţat din Fondul Social European în cadrul POS DRU 2007-2013Beneficiar – Centrul Naţional de Dezvoltare a Învăţământului Profesional şi Tehnic

str. Spiru Haret nr. 10-12, sector 1, Bucureşti-010176, tel. 021-3111162, fax. 021-3125498, [email protected]

Circuite cu componente electronice analogice

Material de predare – partea I

Domeniul: Electronică automatizări

Calificarea: Tehnician în automatizări

Nivel 3

2009

mailto:[email protected]

AUTOR:

DANIELA CONDEI – prof. grad didactic I.

COORDONATOR:

GABRIELA DIACONU - prof. grad didactic I

Acest material a fost elaborat în cadrul proiectului Învăţământul profesional şi tehnic în domeniul TIC, proiect cofinanţat din Fondul Social European în cadrul POS DRU 2007-2013

2

CuprinsI. Introducere....................................................................................................................4II. Documente necesare pentru activitatea de predare....................................................5III. Resurse.......................................................................................................................6

Tema 1. Diode semiconductoare..................................................................................6Fişa suport 1.1 Dioda semiconductoare...................................................................6Fişa suport 1.2 Tipuri de diode semiconductoare.....................................................9

Tema 2. Tranzistorul bipolar.......................................................................................13Fişa suport 2.1 Funcţionarea tranzistorul bipolar....................................................13Fişa suport 2.2 Carateristicile tranzistorul bipolar...................................................16

Tema 3. Tranzistoare cu efect de câmp.....................................................................20Fişa suport 3.1 Tranzistoare cu efect de câmp.......................................................20Fişa suport 3.2 Tranzistoare cu efect de câmp cu joncţiune (TEC–J).....................22Fişa suport 3.3 Tranzistoare cu efect de câmp cu poartă izolată............................25

Tema 4. Tiristorul........................................................................................................29Fişa suport 4.1 Tiristorul.........................................................................................29

Tema 5. Dispozitive optoelectronice...........................................................................32Fişa suport 5.1 Dispozitive optoelectronice bazate pe efectul fotoelectric intern....32Fişa suport 5.2 Dispozitive optoelectronice electroluminiscente.............................35

IV. Fişa rezumat.............................................................................................................37V. Bibliografie.................................................................................................................38VI. Anexe.......................................................................................................................39

Anexa 1 Tipuri de diode şi utilizările acestora.........................................................39Anexa 2 Caractertisticile statice ale tranzistorului bipolar în conexiune EC............40

I. IntroducereMaterialele de predare reprezintă o resursă – suport pentru activitatea de predare, instrumente auxiliare care includ un mesaj sau o informaţie didactică.

Prezentul material de predare, se adresează cadrelor didactice care predau în cadrul liceului tehnologic, filieră tehnologică, profil tehnic, domeniul „Electronică şi automatizări”, calificarea „Tehnician în automatizări”.

El a fost elaborat pentru modulul X: „Circuite cu componente electronice analogice”, ce se desfăşoară în 33 ore, din care:

Laborator tehnologic 16 ore

Competenţe Teme Fişe suport

Identifică componentele electronice analogice

Tema 1 – Diode semiconductoare

Fişa 1.1 – Dioda semiconductoare Fişa 1.2 – Tipuri de diode semiconductoare

Tema 2 – Tranzistorul bipolar

Fişa 2.1 – Funcţionarea tranzistorului bipolar

Tema 3 – Tranzistoare cu efect de câmp

Fişa 3.1 – Tranzistoare cu efect de câmp Fişa 3.2 – Tranzistoare cu efect de câmp cu

joncţiune Fişa 3.3 – Tranzistoare cu efect de câmp cu

poartă izolată Tema 4 – Tiristorul Fişa 4.1 – Tiristorul Tema 5 – Dispozitive

optoelectronice Fişa 5.1 – Dispozitive optoelectronice bazate

pe efectul fotoelectric intern Fişa 5.2 – Dispozitive optoelectronice

electroluminiscente

Verifică funcţionalitatea componentelor electronice analogice

Tema 1 – Diode semiconductoare

Fişa 1.1 – Dioda semiconductoare Fişa 1.2 – Tipuri de diode semiconductoare

Tema 2 – Tranzistorul bipolar

Fişa 2.1 – Funcţionarea tranzistorului bipolar Fişa 2.2 – Caracteristicile tranzistorului

bipolar Tema 3 –

Tranzistoare cu efect de câmp

Fişa 3.2 – Tranzistoare cu efect de câmp cu joncţiune

Fişa 3.3 – Tranzistoare cu efect de câmp cu poartă izolată

Tema 4 – Tiristorul Fişa 4.1 – Tiristorul Tema 5 – Dispozitive

optoelectronice Fişa 5.1 – Dispozitive optoelectronice bazate

pe efectul fotoelectric intern Fişa 5.2 – Dispozitive optoelectronice

electroluminiscente

Absolvenţii nivelului 3, liceu tehnologic, calificarea „Tehnician în automatizări”, vor fi capabili să îndeplinească sarcini cu caracter tehnic şi se vor familiariza cu principiile de funcţionare, caracteristicile şi parametrii specifici ai componentelor analogice de circuit dar şi cu schemele de principiu şi funcţionarea circuitelor electronice uzuale.

4

II. Documente necesare pentru activitatea de predarePentru predarea conţinuturilor abordate în cadrul materialului de predare cadrul

didactic are obligaţia de a studia următoarele documente:

Standardul de Pregătire Profesională pentru calificarea „Tehnician în automatizări”, nivelul 3 – www.tvet.ro, secţiunea SPP sau www.edu.ro , secţiunea învăţământ preuniversitar

Curriculum pentru calificarea „Tehnician în automatizări”, nivelul 3 – www.tvet.ro, secţiunea Curriculum sau www.edu.ro , secţiunea învăţământ preuniversitar

Alte surse pot fi:

lecţii AeL http://portal.edu.ro/index.php/base/materiale/

http://www.datasheet4u.com/

http://vlab.unitbv.ro/VELab/papers/datasheets.php

5

http://vlab.unitbv.ro/VELab/papers/datasheets.php

http://www.datasheet4u.com/

http://portal.edu.ro/index.php/base/materiale/

http://www.edu.ro/

http://www.tvet.ro/

http://www.edu.ro/

http://www.tvet.ro/

III. Resurse

Tema 1. Diode semiconductoare

Fişa suport 1.1 Dioda semiconductoare

Dispozitivele semiconductoare au în construcţia lor regiuni ale reţelei monocristaline cu diverse impurificări atât ca mărime a concentraţiei cât şi ca tip de impuritate (regiune de tip donor - n, regiune tip acceptor - p). Cele mai utilizate materiale semiconductoare folosite în construcţia dispozitivelor semiconductoare de circuit sunt siliciul şi germaniul.

Joncţiunea pn (Fig.1.1.1) reprezintă o zonă de contact dintre două cristale semiconductoare, unul de tip p şi unul de tip n, având o grosime foarte mică de aproximativ 10-8 ... 10-6 m.

Datorită faptului că în zona joncţiunii se creează un câmp electric intern, se obţine o barieră de potenţial, al cărei efect principal constă în modificarea rezistenţei de trecere a joncţiunii, în funcţie de polarizarea exterioară a terminalelor cristalelor.

Fig. 1.1.1 Joncţiunea pn

Joncţiunea pn are o importanţă esenţială în funcţionarea unei clase mari de dispozitive electronice. Majoritatea dispozitivelor electronice semiconductoare conţin una sau mai multe joncţiuni.

Dioda (grec.: di - doi, dublu; hodos - drum) este o componentă electronică constituită dintr-o joncţiune pn prevăzută cu contacte metalice la regiunile p şi n şi introdusă într-o capsulă din sticlă, material plastic, ceramică sau metal.

Regiunea p a joncţiunii constituie anodul diodei, iar regiunea n, catodul.

Dioda semiconductoare, al cărei simbol este reprezentat în Fig. 1.1.2, se caracterizează prin conducţie unidirecţională:- în cazul polarizării în sens direct permite trecerea unui curent mare (curent direct), - în cazul polarizării în sens invers permite trecerea unui curent mic (curent invers).

Fig. 1.1.2 Simbolul general al diodei semiconductoare

Funcţionarea diodei este descrisă prin intermediul unui grafic denumit caracteristica statică de funcţionare (Fig. 1.1.3). Aceasta furnizează informaţii despre modul în care curentul prin diodă variază în funcţie de tensiunea care se aplică între terminalele acesteia.

6

anod catod

Fig. 1.1.3 Caracteristica de funcţionare a diodei semiconductoare

În cazul în care tensiunea pe diodă este pozitivă, se spune că aceasta funcţionează în conducţie directă. În cazul în care tensiunea pe diodă este negativă, se spune că aceasta funcţionează în conducţie inversă.

Prin noţiunea de polarizare a unei diode se înţelege stabilirea tipului de conducţie în curent continuu. Astfel, dacă dioda funcţionează în curent continuu în conducţie directă, se spune că aceasta este polarizată direct. Analog, dacă dioda funcţionează în curent continuu în conducţie inversă, se spune că aceasta este polarizată invers.

Funcţionarea în curent continuu a unei diode este complet caracterizată de către valorea curentului continuu care trece prin aceasta şi de tensiunea continuă între terminalele diodei.

Perechea de mărimi electrice compusă din curentul continuu prin diodă şi de tensiunea continuă pe diodă se numeşte Punct Static de Funţionare, prescurtat PSF, fiind reprezentat în planul caracteristicii, cu coordonatele iA, uA.

Punctul Static de Funcţionare furnizează întotdeauna informaţii despre regimul în care funcţionează dioda. Această observaţie este valabilă şi pentru alte tipuri de dispozitive semiconductoare.

Polarizarea diodei este realizată prin intermediul unui circuit special, numit circuit de polarizare. Circuitul de polarizare conţine întotdeauna o sursă de alimentare (o sursă de tensiune continuă sau o sursă de curent continuu), care se mai numeşte şi sursă de polarizare şi o rezistenţă de polarizare care are rolul de a limita curentul prin diodă astfel încât aceasta să nu se distrugă.

Principalii parametrii ai diodei semiconductoare sunt: Tensiunea de deschidere, (UD) - la diodele care sunt construite din germaniu UD este

cuprinsă între 0,2V- 0,4V, iar cele din siliciu între 0,4V- 0,8V; Curentul maxim direct, (IAm); Tensiunea maximă inversă, (UBR).

7

Sugestii metodologice

CU CE?

tipuri de diode semiconductoare; lecţii AeL: Joncţiunea pn – dioda semiconductoare în polarizare directă şi Dioda

semiconductoare calculator cu soft educaţional; folii transparente cu joncţiunea pn, caracteristica curent - tensiune a diodei

semiconductoare.

CUM?

metode de învâţământ: explicaţia; observaţia dirijată; problematizare; conversaţia euristică; activităţi practice de determinare a PSF, măsurarea

parametrilor, vitualizarea caracteristicilor. organizarea clasei: frontal, pe grupe de elevi sau invididuală

UNDE?

sala de clasă; laborator tehnologic; laborator informatizat.

Respectând SPP-ul, cadrul didactic, stabileşte numărul de ore alocat fiecărei teme şi are libertatea de a dezvolta fiecare temă parcursă în funcţie de nivelul de cunoştinţe al elevilor, de ritmul lor de asimilare a cunoştinţelor şi deprinderilor.

8

Fişa suport 1.2 Tipuri de diode semiconductoare

Diodele redresoare sunt utilizate pentru redresarea curentului electric alternativ.

Frecvenţa semnalelor redresate este, de regulă, frecvenţa industrială (50/60Hz).

Se pot construi cu germaniu, cu siliciu, iar la puteri mici, cu seleniu. Cele mai răspândite sunt cele cu siliciu.

Avantajele diodelor cu siliciu faţă de cele cu germaniu sunt:- curentul invers este mult mai mic;- tensiunea de străpungere este mult mai mare;- temperatura maximă de lucru de 190 grade faţă de 90 grade la germaniu.

Dezavantajul diodelor cu siliciu faţă de cele cu germaniu este: - tensiunea de deschidere puţin mai mare.

Performanţele unei diode redresoare sunt caracteristice prin 2 mărimi limită care nu trebuie depăşite în timpul funcţionării: - Intensitatea maximă a curentului direct (IM), de ordinul amperi - zeci de mii de

amperi; - Tensiunea inversă maximă (UM), de ordinul zeci de volţi - zeci de mii de volţi.

Parametrii acestor diode sunt: Tensiunea inversă repetitivă maxim admisă, (URM); Curentul mediu redresat (curentul mediu la care poate fi solicitată dioda), I0; Căderea de tensiune în regim de polarizare directă la un curent dat, (UFM); Rezistenţa termică joncţiune capsulă, (Rthj-c), sau joncţiune ambiant, (Rthj-a).

Diodele varicap (varactoare), cu simbolul din Fig. 1.2.1, prezintă capacităţi diferite în funcţie de tensiunea de polarizare.

Denumirea diodei provine de la VARIable CAPacitor.

Fig. 1.2.1 Simbolul diodei varicap

Aceste diode utilizează proprietatea joncţiunii p-n de a se comporta ca o capacitate ce depinde de tensiunea continuă de polarizare inversă (aceasta este capacitatea de barieră).

Posibilitatea de a varia o capacitate într-un circuit prin varierea unei surse de polarizare este necesară în circuitele de schimbare a frecvenţei, circuitele de reglaj automat al frecvenţei, precum şi modulaţia frecvenţei.

anod catod

9

Diodele varicap au capacităţi de ordinul pF sau zecilor de pF şi se construiesc cu siliciu pentru a avea o rezistenţă internă mai mare în polarizarea inversă. În acest fel ele pot fi asimilate cu un condensator cu pierderi neglijabile.

Diodele Zener (diode stabilizatoare), cu simbolul din Fig. 1.2.2, sunt diode de construcţie specială, care nu se distrug în cazul în care se străpung, ci funcţionează chiar în regiunea de străpungere şi se utilizează ca stabilizatoare de tensiune.

Fig. 1.2.2 Simbolul diodei Zener

Funcţionarea acestora se bazează pe proprietatea joncţiunii p-n de a avea în regiunea de străpungere, o tensiune la borne constantă într-o gamă largă de variaţie a curentului invers, cum se poate observa în caracteristica curent – tensiune (Fig. 1.2.3).

Fig. 1.2.3 Caracteristica curent - tensiune a diodei Zener

Dioda funcţionează într-un regim de străpungere controlat, în care atât curentul cât şi puterea disipată sunt menţinute la valori pe care dioda le poate suporta în regim permanent, fără să se distrugă.

Dioda Zener este construită cu siliciu, caracteristica de funcţionare a acesteia modificându-se la variaţia temperaturii de lucru.

Când este polarizată direct (+ pe anod şi – pe catod) funcţionează ca o diodă cu joncţiune şi când este polarizată invers (- pe anod şi + pe catod) funcţionează în regim de străpungere.

Parametrii principali ai diodelor Zener sunt: Tensinea nominală de stabilizare, (UZ); Rezistenţa dinamică, (Rzd); Curentul maxim admis în polarizare inversă, (IZmax); Puterea de disipaţie a diodei, (Pd); Coeficientul de variaţie a tensiunii stabilizate cu temperatura, (α).

anod catod

10

Diodele tunel, cu simbolul din Fig. 1.2.4, sunt un tip de diode semiconductoare capabile de operare la viteze foarte mari.

Fig. 1.2.4 Simbolul diodei tunel

La baza funcţionării diodelor tunel stă aşa - numitul efect tunel.

Efectul tunel constă în faptul că un electron cu energie mai mică decât bariera energetică corespunzătoare barierei de potenţial reuşeşte să treacă dincolo de aceasta nu peste barieră ci prin ea (ca printr-un tunel).

Diodele tunel au concentraţii mari de impurităţi atât în zona p cât şi în zona n (joncţiune de tip p+n+). De aceea, regiunea de trecere este foarte îngustă în raport cu diodele obişnuite.

La polarizare directă caracteristica curent - tensiune (Fig. 1.2.5) are forma literei N şi posedă o zonă p-v de rezistenţă negativă de valoarea zecilor de ohmi. La polarizare inversă dioda tunel nu are regim de saturaţie, ci are o rezistenţă internă foarte mică. De aceea o inversare a tensiunii pe dioda tunel poate duce la distrugerea acesteia. Diodele tunel au o viteză de comutare foarte mare.

Fig. 1.2.5 Caracteristica curent – tensiune a diodei tunel

Pentru o bună funcţionare este de dorit ca raportul dintre curentul maxim şi curentul minim să fie cât mai mare. Dacă se foloseşte ca material semiconductor, arseniura de galiu acest raport depăşeşte valoare 15.

Dioda tunel lucrează la puteri mici de ordinul waţilor. Caracteristica diodei nu depinde de variaţiile de temperatură de aceea ea poate lucra la frecvenţe foarte înalte de ordinul 104 MHz.

Parametrii diodei tunel sunt: Punctul de vale corespunzător curentului Iv şi tensiunii Uv; Punctul de vârf corespunzător curentului Ip şi tensiunii Up.

anod catod

11

http://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Semiconductor&action=edit&redlink=1

Această diodă este folosită la realizarea următoarelor circuite:- amplificatoare de frecvenţe foarte înalte;- oscilatoare de frecvenţe foarte înalte;- circuite basculante monostabile, bistabile şi astabile.

Dezavantajul diodei tunel este că are numai două borne şi deci nu se poate face separarea între circuitul de intrare şi cel de ieşire.


CU CE?

tipuri de diode semiconductoare; lecţii AeL: Dioda Zener – dioda tunel; calculator cu soft educaţional; folii transparente cu simbolurile, caracteristicile curent – tensiune ale diferitelor

tipuri de diode semiconductoare.

CUM?

metode de învâţământ: explicaţia; observaţia dirijată; problematizarea; conversaţia euristică; activităţi practice de măsurarea parametrilor, vizualizarea caracteristicilor.

organizarea clasei: frontal, grupe de elevi sau individual

UNDE?



12

Tema 2. Tranzistorul bipolar

Fişa suport 2.1 Funcţionarea tranzistorul bipolar

Tranzistorul bipolar este un dispozitiv semiconductor cu două joncţiuni în succesiune npn sau pnp. Cele trei zone se numesc emitor (E), bază (B), colector (C).

Se numeşte bipolar deoarece conducţia este asigurată de două tipuri de purtători de sarcină, electroni şi goluri.

Se foloseşte în circuitele electronice atât digitale cât şi analogice, de obicei pentru amplifica sau transmite un semnal electric.

Particularităţi constructive:- E este mult mai impurificat decât B sau C;- B este mult mai subţire decât E şi C (de ordinul micronilor sau chiar zecimilor de microni).

În simbolurile grafice corespunzătoare celor două structuri, npn şi pnp (Fig. 2.1.1), săgeata din simbol corespunde joncţiunii pn emitor-bază (vârful săgeţii merge întotdeauna de la zona p spre zona n) şi arată şi sensul normal pozitiv al curentului principal prin tranzistor.

Fig. 2.1.1 Structura şi simbolurile grafice ale tranzistorului bipolar

Se pot defini trei curenţi şi trei tensiuni (Fig. 2.1.2), dar pentru descrierea funcţionării nu sunt necesare toate aceste şase mărimi. Tensiunile şi curenţii sunt legate prin relaţiile:

uCB = uCE + uEB şi iE = iB + iC

Fig. 2.1.2 Curenţii şi tensiunile tranzistorului bipolar

Tranzistorul poate fi asimilat cu un nod în care suma algebrică a curenţilor este zero,deci numai două tensiuni şi doi curenţi sunt independenţi. Alegerea mărimilor electricecare descriu comportarea tranzistorului se poate face în moduri diferite. Se consideră tranzistorul ca un diport (cuadripol), adică un bloc cu două intrări şi cu două ieşiri dar dat fiind faptul că tranzistorul are numai trei borne, una trebuie să fie comună intrării şi ieşirii. Borna comună defineşte conexiunea tranzistorului.

13

http://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Semiconductor&action=edit&redlink=1

În principiu un tranzistor bipolar este o pastilă de siliciu dopată astfel incât să se creeze trei straturi dopate diferit, şi deci două joncţiuni pn; una emitor-bază şi alta bază-colector. Tranzistoarele pot fi „pnp” (zona din mijloc dopată cu elemente „donoare” de electroni, celelalte două dopate cu elemente „acceptoare”), sau „npn” (dopat invers). Totuşi, din cauza grosimii foarte mici a zonei centrale (baza), cele două joncţiuni nu funcţionează independent şi între terminalele extreme (colector şi emitor) poate apărea un curent, aceasta fiind şi proprietatea cea mai importantă a tranzistorului, şi aceea care permite folosirea lui pe post de amplificator.

Fig. 2.1.3

Structura tranzistorului npn în circuitul de alimentare şi distribuţia curenţilor

Pentru funcţionarea tranzistorului a cărui structură şi alimentare sunt prezentate în Fig. 2.1.3, pe joncţiunea bază-colector, se aplică o tensiune inversă, cu polul pozitiv la partea n, adică la colector. Deoarece în zona p nu sunt electroni liberi care să fie atraşi de polul pozitiv de la colector, în circuitul colectorului curentul este practic nul. Dacă în bază se injectează electroni din emitor, prin aplicarea unei tensiuni directe pe joncţiunea emitor-bază, electronii injectati vor fi atraşi de colectorul pozitiv şi în circuitul colectorului va circula curent. În acest fel curentul în circuitul colectorului este comandat de curentul din circuitul emitorului, care la rândul său este determinat de tensiunea aplicată între emitor şi bază (EE). Peste anumite valori ale tensiunii bază-colector (EC) toţi electronii injectaţi în bază sunt colectaţi de colector, curentul de colector atinge valori de saturaţie şi curentul de bază (care circulă între bază şi sursa EC) este foarte mic. Se observă că pe măsură ce creşte curentul emitorului creşte şi curentul colectorului, iar tensiunea bază-colector, practic, nu influenţează curentul colectorului.

Aplicând între emitor şi bază o tensiune alternativă, variaţiile de tensiune provoacă variaţii ale curentului emitorului, care produc variaţii ale curentului colectorului. Pe rezistorul de sarcină Rs, mare, din circuitul colectorului, variaţiile de curent produc variaţii de tensiune mai mari decât ale tensiunii de intrare. Aşadar tranzistorul poate funcţiona ca amplificator de tensiune. Pentru ca semnalul amplificat să nu fie deformat, în circuitul emitorului se introduce o tensiune continuă U0 care are rolul de a stabili un punct de funcţionare al tranzistorului: tensiunea U0 produce un anumit curent de emitor, în jurul căruia se produc variaţiile de tensiunea alternativă. Această amplificare poate lua valori mari. Deoarece tranzistorul amplifică în putere, adică transferă curentul din circuitul de intrare de rezistenţă mică în circuitul de ieşire de rezistenţă mare, de aici denumirea TRANSfer reZISTOR adică transfer de rezistenţă.

Acest efect de comandă a curentului printr-o joncţiune polarizată invers cu ajutorul curentului unei joncţiuni polarizate direct şi plasată în apropiere, se numeste efect de tranzistor.

14


CU CE?

tipuri de tranzistoare bipolare; lecţii AeL: Tranzistoare bipolare, Polarizarea tranzistoarelor bipolare – partea I,

Polarizarea tranzistoarelor bipolare – partea II; folii transparente cu structura, simbolurile, funcţionarea tranzistorului bipolar.

CUM?

metode de învâţământ: explicaţia; observaţia dirijată; problematizare; conversaţia euristică; activităţi practice de măsurarea parametrilor, vizualizarea caracteristicilor.

organizarea clasei: frontal, pe grupe de elevi sau individual

UNDE?



15

Fişa suport 2.2 Carateristicile tranzistorul bipolar

În funcţie de modul în care sunt polarizate cele două joncţiuni, un tranzistor bipolar se poate afla în următoarele regimuri de funcţionare:a) regimul activ normal, în care joncţiunea emitor-bază este polarizată direct iar joncţiunea colector-bază este polarizată invers. În acest regim se obţine cea mai mare amplificare;b) regimul invers în care joncţiunile sunt polarizate invers faţă de cazul anterior;c) regimul de blocare în care ambele joncţiuni sunt polarizate invers. În acest caz tranzistorul este blocat (prin el nu circulă curent);d) regimul de saturaţie în care cele două joncţiuni sunt polarizate direct.

Cea mai mare parte a aplicaţilor folosesc tranzistorul bipolar în regimul activ normal de funcţionare.

În regim activ normal al unui tranzistor npn, curentul total al emitorului IE = IEn + IEp + IErec

este alcătuit din curentul IEn de electroni, injectaţi din emitor în bază, curentul IEp a golurilor, injectaţi din bază în emitor, şi curentul IErec de recombinare a purtătorilor de sarcină în joncţiunea emitorului. În această sumă numai prima componentă este utilă, deoarece anume ea influenţează asupra curentului colectorului, celelalte componente sunt dăunătoare, şi se tinde de obţinut valorile lor cît mai mici. Mişcarea electronilor, injectaţi în bază este condusă de recombinarea unei părţi e electronilor, de aceea curentul electronilor ICn ce se apropie de joncţiunea colectorului, este mai mic ca curentul IEn cu mărimea IBrec, ce se numeşte curentul de recombinare în bază, care se tinde de a fi micşorat.

Curenţii tranzistorului. Notând αIE ( unde α - coeficient de transfer al emitorului) acea parte a curentului emitorului care trece prin joncţiunea colectorului, vom scrie expresia pentru curentul colectorului în modul următor:

IC = αIE + ICB0

Curentul invers al colectorului. ICB0 este egal cu curentul ce trece prin joncţiunea colectorului, când la colector se aplică tensiune inversă şi când curentul emitorului este egal cu zero.

Prin contactul bazei trece curentul IB, care este egal cu diferenţa dintre curentul emitorului şi colectorului:

IB = IE – IC

Din cele două relaţii avem:

IB = IE (1 – α) – ICB0

Dacă vom deconecta circuitul emitorului (IE = 0 şi IC = ICB0), atunci vom avea:

–IB = ICB0

16

În aşa mod, prin contactul emitorului (circuitul emitor - bază) curge curentul de dirijare IE

(de intrare), prin contactul colectorului (circuitul colector - baza) – curentul de dirijare αIE

(de ieşire) şi curentul invers al colectorului ICB0, iar prin contactul bazei – diferenţa curentului emitorului şi colectorului.

În tranzistoarele reale curenţii IE şi IC şi creşterile lor ΔIE şi ΔIC sunt aproximativ egale după valori.

Coeficienţii de transfer a curenţilor. Modificarea curentului colectorului rezultată din modificarea curentului emitorului este condiţionată numai de electroni. Însă, curentul total al emitorului este determinat atît de electroni cât şi de goluri. Cu cât mai mulţi electroni (în comparaţie cu numărul golurilor) trec prin joncţiunea emitorului şi cu cât mai puţini din aceşti electroni se recombină în bază, neajungând la joncţiunea colectorului, cu atât mai bine tranzistorul transmite schimbările curentului emitorului în circuitul colectorului.

Coeficientul static de transfer al emitorului poate fi determinat după formula:

Coeficientul static de transfer al curentului bazei poate fi determinat după formula:

Caracteristicile statice ale unui tranzistor bipolar sunt grafice ce reprezintă dependenţa dintre curenţii ce trec prin bornele tranzistorului şi tensiunile ce se aplică la aceste borne.

Tranzistorului fiind un dispozitiv cu trei borne, în orice schemă electrică el poate fi conectat în trei moduri diferite: conectare cu baza comună (BC) (Fig. 4.2.1.a), conectare cu emitorul comun (EC) (Fig. 4.2.1.b) şi cu colectorul comun (CC) (Fig. 4.2.1.c).

a – bază comună; b – emitor comun; c – colector comun

Fig. 4.2.1 Moduri fundamentale de conectare ale tranzistorului

17

Fiecare din schemele de conectare ale tranzistorului se caracterizează prin patru familii de caracteristici: Iieş = f (Uieş) la Iin = const – caracteristici de ieşire;

Uin = f (Iin) la Uieş = const – caracteristici de intrare;

Iieş = f (Iin) la Uieş = const – caracteristici de transfer a curentului;

Uin = f (Uieş) la Iin = const – caracteristici de reacţie inversă după tensiune.

În cataloage de obicei sunt prezentate primele două tipuri de caracteristici (de intrare şi de ieşire), căci sunt cele mai importante şi utilizabile. În anexa 2 prezentăm caracteristicile statice ale tranzistorului bipolar în conexiune EC.

Indiferent de tipul tranzistorului, în planul caracteristicilor de ieşire se disting trei regiuni de lucru :- regiunea de saturaţie care se află în extremitatea stângă a caracteristicilor de ieşire;- regiunea de blocare care se află sub caracteristica IB = 0;- regiunea activă normală de lucru care se află între cele două regiuni de blocare şi saturaţie.

Asigurarea integrităţii tranzistoarelor necesită considerarea unor limitări impuse mărimilor ce le determină regimul de lucru. Valorile maxime absolute sunt valori care nu trebuie depăşite în timpul funcţionării montajului, deoarece se pot produce defectarea tranzistorului. De regulă în această grupă apar:- tensiunile maxime între terminale: VCB0, VCE0, VEB0;

- curentul maxim de collector şi de bază: ICM, IBM;- puterea maximă disipată: Ptot;- temperature maximă a joncţiunii: TjM.

O regulă practică utilă recomandă încărcarea tranzistorului la cel mult, 0,75 din valorile de catalog ale acestor parametri.

Tranzistoarele pot fi folosite în echipamentele electronice cu componente discrete, în amplificatoare de semnal (în domeniul audio, video, radio), amplificatoare de instrumentaţie, oscilatoare, modulatoare şi demodulatoare, filtre, surse de alimentare liniare sau în comutaţie sau în circuite integrate, tehnologia de astăzi permiţând integrarea într-o singură capsulă a milioane de tranzistori.

18


CU CE?

tipuri de tranzistoare bipolare; lecţii AeL: Caracteristicile statice ale tranzistoarelor bipolare, Modele pentru

tranzistori bipolarei în regim dinamic; calculator cu soft educaţional ; folii transparente cu modurile de conectare şi caracteristicile tranzistoarelor

bipolare.

CUM?

metode de învâţământ: explicaţia; observaţia dirijată; problematizare; conversaţia euristică; activităţi practice de măsurarea parametrilor, vizualizări de caracteristici

organizarea clasei: frontal, pe grupe de elevi sau individuală

UNDE?



19

Tema 3. Tranzistoare cu efect de câmp

Fişa suport 3.1 Tranzistoare cu efect de câmp

Tranzistoarele cu efect de câmp prescurtate TEC sau FET (Field Effect Transistor) fac parte din familia tranzistoarelor unipolare. Spre deosebire de tranzistoarele bipolare, unde conducţia electrică este asigurată de două categorii de purtători, electroni şi goluri, la tranzistoarele unipolare conducţia electrică este asigurată de un singur tip de purtător de sarcină, fie electroni, fie goluri. Funcţionarea lor se bazează pe variaţia conductivităţii unui "canal" dintr-un material semiconductor, ale cărui dimensiuni transversale sau concentraţii de purtători de sarcină mobili pot fi controlate cu ajutorul câmpului electric transversal, creat între un electrod de comandă numit poartă (gate) situat în vecinătatea canalului şi masa semiconductorului unde este format sau indus acest canal.

Ele se impart în două categorii, în funcţie de tipul de purtători care produc curentul electric:

- TEC cu canal de tip n, în care purtătorii sunt electroni;- TEC cu canal de tip p, în care purtătorii sunt goluri.

După modul de realizare a controlului conductanţei canalului, TEC se împart în:- TEC cu joncţiuni (TEC–J sau J-FET);- TEC cu grilă (poartă izolată), având la bază structura metal – oxid –

semiconductor (MOS), numit prescurtat TEC–MOS sau TEC–MIS (metal – izolator – semiconductor)

Tranzistoarele cu efect de câmp sunt larg utilizate în prezent, datorită avantajelor: Tranzistorul bipolar este un dispozitiv comandat în curent, iar TEC, un dispozitiv comandat în tensiune; Impedanţa de intrare emitor-bază a tranzistoarelor bipolare este mică – de ordinul x (0.1 … 1) k - reprezentând impedanţa unei diode polarizate direct. Tranzistoarele unipolare au impedanţă de intrare foarte mare – de ordinul x 100 M. La TEC-J, această impedanţă corespunde unei joncţiuni polarizate invers (în circuitul de intrare grilă-sursă); Tranzistoarele cu efect de câmp prezintă o capacitate de intrare şi ieşire mai redusă, comparativ cu cele bipolare, ceea ce le conferă avantaje la amplificarea semnalelor de frecvenţe înalte; Structurile TEC-MOS se obţin cu o tehnologie mai simplă decât tranzistoarele bipolare (circuitele integrate TEC-MOS se formează prin utilizarea a numai 2/3 din numărul de operaţii necesar circuitelor integrate bipolare) şi implicit, au un preţ de cost mai redus;

TEC prezintă unele dezavantaje faţă de tranzistoarele bipolare, cum ar fi: viteză de comutaţie mai redusă; tensiune de saturaţie mai mare; pericol de distrugere în prezenţa câmpurilor electrice, prin străpungerea instalaţiei dintre grilă şi substrat (la tranzistoarele TEC-MOS).

20

Protecţia internă a dispozitivelor TEC-MOS împotriva străpungerii prin câmp electric se realizează prin diode înglobate în capsulă, iar protecţia externă prin scurtcircuitarea terminalelor (cu un inel) şi respectarea unor tehnologii speciale de testare, montare şi depanare.


CU CE?

tipuri de TEC - uri; folii transparente cu clasificări, avantaje, dezavantaje.

CUM?

metode de învâţământ: explicaţia; observaţia dirijată; problematizarea; conversaţia euristică;

organizarea clasei: frontal, grupe de elevi sau individual

UNDE?



21

Fişa suport 3.2 Tranzistoare cu efect de câmp cu joncţiune (TEC–J)

Tranzistorul cu efect de câmp cu joncţiune (TEC-J) funcţionează cu purtători majoritari (electroni în canalul n, respectiv goluri în canalul p). Tranzistorul cu efect de câmp cu joncţiune (TEC-J) a fost propus de Schockley în 1952 şi este în esenţă un rezistor a cărui secţiune este controlată de grosimea regiunii sarcinii spaţiale a unei joncţiuni pn. Termenul de efect de câmp este legat de existenţa câmpului electric în zona de sarcină spaţială, câmp a cărui intensitate este determinată de tensiunea aplicată pe terminalul poartă (gate).

Fig.3.2.1 Structura unui TEC-J cu canal n

Conducţia are loc într-un canal n (Fig. 3.2.1) între contactele sursă (care emite electroni) şi respectiv drenă (care îi colectează). Electrodul denumit poartă contactează zona difuzată p+ care împreună cu substratul p+ delimitează canalul n. Joncţiunea pn poartă-canal este polarizată invers, iar grosimea regiunii de sarcină spaţială asociată acestei joncţiuni face ca secţiunea conductivă a canalului (regiunea n neutră) să fie mai mică decât distanţa dintre cele doua joncţiuni. Această secţiune este controlabilă electric prin diferenţa de potenţial care există între poartă şi canal.

Pe de altă parte TEC-J nu amplifică în curent, iar amplificarea în tensiune este mai mică. De obicei în circuitele electronice discrete se întâlneşte şi în combinaţie cu tranzistorul bipolar (se exploatează avantajele ambelor tipuri de tranzistoare).

Fig. 3.2.2 Simboluri grafice pentru TEC - J

Trebuie remarcat faptul că săgeata din simbolul grafic (Fig. 3.2.2) şi în acest caz desemnează o joncţiune pn (sensul săgeţii de la plan). Curentul de poartă este foarte mic (de ordinul nA) şi va fi considerat practic nul. Curentul de drenă iD este normal pozitiv intră în drena tranzistorului cu canal n (electrod care evacuează electroni) şi iese din drena tranzistorului cu canal p. Curentul de sursă este egal cu cel de drenă.

22

Caracteristicile statice ale TEC-J

a. Caracteristicile de ieşire (Fig.3.2.3) iD = iD (uDS ) cu uGS = constant numite şi caracteristici de drenă.

Fig. 3.2.3 Caracteristici de ieşire ale TEC-J

TEC-J este folosit în zona liniară la tensiuni mici drenă-sursă ca rezistenţă controlată în tensiune. Aici conductanţa drenă-sursă este identică cu conductanţa canalului şi rezistenţa drenă-sursă este funcţie liniară de tensiunea poartă-sursă aplicată.

Pentru tensiuni mai mari, distingem a zona neliniară, o zona de saturaţie a curentului de drenă (aici curentul de drenă depinde foarte slab de tensiunea drenă-sursă), după care urmează o zonă de creştere abrupt (străpungere) a curentului, nemarcată pe grafic.

Zona neliniară este caracterizată de uDS < uDS,sat, unde uDS,sat este tensiunea la care apare saturaţia curentului de drenă.

Zona de saturaţie este caracterizată de faptul că ID nu mai creşte cu uDS.

uDS < uDS,sat, iD = iD,sat

Saturaţia corespunde momentului în care canalul este strangulat lângă drenă. Această strangulare apare la rândul ei atunci când diferenţa de potenţial între poartă şi extremitatea de lângă drenă a canalului este egală cu tensiunea de prag.

b. Caracteristicile de transfer (Fig. 3.2.4) sunt iD = iD(uGS). Dispozitivul este folosit ca amplificator în zona de saturaţie caracterizată de uDS >uDS,sat , unde iD este practic independent de uDS.

Fig.3.2.4 Caracteristicile de transfer ale TEC-J

23

Zona preferată de lucru este cea de la curenţi mari, acolo unde şi panta caracteristicii este mai mare. Aici curentul scade cu creşterea temperaturii (la UGS = const) dar problema ambalării termice nu se pune în cazul TEC-J.


CU CE?

tipuri de TEC-J-uri; calculator cu soft educaţional; folii transparente cu simbolurile, caracteristicile TEC–J - urilor.

CUM?



UNDE?



24

Fişa suport 3.3 Tranzistoare cu efect de câmp cu poartă izolată

Tranzistorul TEC-MOS este un dispozitiv electronic bazat pe conducţia curentului electric la suprafaţa semiconductorului. Proprietăţile conductive ale suprafeţei semiconductorului sunt controlate de un câmp electric aplicat printr-un electrod izolat de semiconductor (poartă). Aceste aspecte constructive definesc familia tranzistoarelor cu efect de câmp cu poarta izolată sau, pe scurt, TEC-MIS (tranzistor cu efect de câmp-metal-izolator-semiconductor). Izolatorul folosit este un strat subţire de oxid (SiO2) crescut prin oxidarea termică a suprafeţei siliciului (de unde denumirea TEC-MOS, adică tranzistor cu efect de câmp-metal-oxid-semiconductor).

Conducţia se realizează pe suprafaţa substratului de siliciu, între doua zone cu tip de conductivitate opus celui al substratului; numite sursă (S) şi drenă (D).

În funcţie de modul de formare a canalului şi de tipul său, TEC-MOS – urile sunt de patru categorii:- cu canal n, iniţial;- cu canal p, iniţial;- cu canal n, Indus;- cu canal p, Indus.

Fig. 3.3.1 Structura unui TEC-MOS cu canal iniţial de tip p

În figura 3.3.1 s-a considerat un substrat de tip n; în acest caz sursa şi drena sunt de tip p. Pentru a se putea stabili un curent electric între sursă şi drenă, suprafaţa semiconductorului trebuie inversată ca tip de conductivitate, adică să devină de tip p. În acest caz, la suprafaţă apare un canal conductor, de tip p, care leagă sursa de drenă. Inversarea tipului de conductivitate a suprafeţei, precum şi controlul rezistivităţii canalului se face de către poartă. Simbolurile grafice pentru tranzistoare MOS cu canal n şi p sunt prezentate în figura 3.3.2:

Fig. 3.3.2 Simboluri pentru TEC-MOS

25

De obicei în aplicaţii obişnuite substratul se leagă la sursă, dar există dispozitive la care substratul apare ca un terminal separat. Se observă aceeaşi semnificaţie pentru săgeata din simbolul grafic.

Caracteristicile statice ale tranzistorului MOS

Fie un TEC-MOS cu canal n (cel cu canal p se descrie identic) la care substratul se leagă la sursă. Tensiunile de poartă UGS şi de drenă UDS sunt pozitive. Pentru tensiuni de poartă mai mici de tensiunea de prag UT nu apare canal la suprafaţă şi ca urmare curentul de drenă ID este nul.Dacă tensiunea de poartă depăşeste valoarea de prag, între sursă şi drenă se formează un canal n care permite conducţia curentului electric (cu atât mai bine cu cât tensiunea UGS este mai mare). Caracteristicile statice ale tranzistorului MOS reprezintă dependenţa curentului de drenă de tensiunile de poartă şi de drenă:

ID = ID (UGS, UDS)

a. Caracteristicile de drenă sau de ieşire (Fig. 3.3.3) reprezintă dependenţa curentului de drenă în funcţie de tensiunea drenă – sursă pentru diferite valori ale tensiunii grilă – sursă.

Fig. 3.3.3 Caracteristicile de ieşire ale unui TEC- MOS

Pentru toate tipurile de TEC caracteristicile de ieşire sunt asemănătoare şi se pot deosebi trei regiuni:- Regiunea liniară, pentru valori mici ale tensiunii drenă – sursă, curentul de drenă

creşte proporţional cu tensiunea;- Regiunea de saturaţie, curentul de drenă rămâne aproape constant chiar la creşteri

relative mari ale tensiunii de drenă – sursă;- Regiunea de străpungere, creşterea tensiunii drenă- sursă peste o anumită valoare

produce o multiplicare în avalanşă a purtătorilor de sarcină.

b. Caracteristicile de transfer reprezintă variaţia curentului de drenă în funcţie de tensiunea grilă – sursă pentru diferite valori ale tensiunii de drenă – sursă.

26

tip n tip p

Fig. 3.3.4 Caracteristicile de transfer pentru TEC-MOS cu canal indus

În cazul TEC-MOS cu canal indus (Fig. 3.3.4), dacă acesta este de tip p ambele tensiuni UGS, UDS sunt negative. Aceste tranzistoare au canal indus prin aplicarea unei tensiuni UGS mai mari decât valoarea de prag. Unele tranzistoare prezintă canal chiar la tensiuni poartă-sursă nule (UGS = 0) şi se numesc tranzistoare MOS cu canal iniţial (Fig. 3.3.5). Această situaţie se întâlneşte în special la tranzistoare cu canal n. Un asemenea tranzistor poate lucra cu orice polaritate a tensiunii de poartă. Dacă tensiunea de poartă este pozitivă UGS > 0, regimul se numeşte regim de îmbogăţire datorită creşterii concentraţiei de electroni în canal; dacă tensiunea de poartă este negativă UGS < 0, regimul poartă denumirea de regim de sărăcire şi duce la scăderea concentraţiei de electroni din canal până la dispariţia lui (la UGS = U T).

tip n tip p

Fig. 3.3.5 Caracteristica de transfer pentru TEC-MOS cu canal iniţial

Din punctul de vedere al dependenţei de temperatură, tranzistorul MOS prezintă avantaje deosebite faţă de tranzistoarele bipolare. La creşterea temperaturii, curentul de drenă scade, dar dependenţa este foarte slabă. Ca urmare tranzistoarele MOS nu prezintă fenomenele de străpungere secundară şi ambalare termică.


27

CU CE?

tipuri de TEC-MOS; calculator cu soft educaţional; folii transparente cu simbolurile, caracteristicile statice ale TEC-MOS.

CUM?



UNDE?



28

Tema 4. Tiristorul

Fişa suport 4.1 Tiristorul

Dispozitivele multijoncţiune au trei sau mai multe joncţiuni, au la bază structura pnpn, care are patru straturi şi trei joncţiuni şi care, datorită caracteristicii sale statice curent-tensiune cu două stări stabile, se foloseşte în circuitele de comutaţie. Din această categorie cele mai utilizate sunt: tiristorul, diacul, triacul.

Tiristorul

Denumirea de tiristor provine de la numele unui tub electronic cu gaz numit tiratron (TIRatron transISTOR). Tiristorul este o structură pnpn prevăzută cu electrod de comandă prin conectarea zonei p adiacente catodului (Fig. 4.1.1. a)

a – structură; b - simbol

Fig. 4.1.1. Tiristorul

Electrodul de comandă, poarta, G (gate), anod şi catod sunt cele trei terminale ale tiristorului simbolizat în Fig. 4.1.1.b).

Amorsarea tiristorului se realizează prin injectarea unui curent pe poartă, la o tensiune mai mică decât cea de autoamorsare sau la tensiunea de autoamorsare fără curent de poartă, mod utilizat foarte rar sau deloc.

Analiza fenomenelor fizice ce au loc la amorsarea tiristorului prin injectarea unui curent de poartă se poate face echivalând structura cu două tranzistoare complementare , după cum se vede în schema echivalentă (Fig. 4.1.2)

Fig. 4.1.2 Schema echivalentă a unui tiristor

Din caracteristicile statice curent – tensiune ale tiristorului (Fig. 4.1.3) se observă posibilitatea creşterii nelimitate a curentului prin structură, dacă este îndeplinită condiţia de amorsare, amorsarea poate avea loc la o tensiune anodică mai mică decât

29

tensiunea de autoamorsare. Iniţierea amorsării este provocată prin injectarea unui curent iG prin joncţiunea J3 şi nu prin creşterea tensiunii anodice. Dependenţa factorilor de curent de curentul prin dispozitiv stă la baza procesului de amorsare a tiristorului. Se observă că la curenţii de poartă mai mari tensiunea de amorsare este mică, peste o anumită valoare a curentului de poartă, amorsarea are loc pe curba punctată, ca la o joncţiune pn (tiristorul este de fapt o diodă comandată).

Fig. 4.1.3 Caracteristicile statice curent – tensiune ale tiristorului

În funcţionare normală, tensiunea anodică trebuie să fie mai mică decât tensiunea de autoaprindere UBO. Pentru comutare directă se aplică un curent de poartă căruia îi corespunde o tensiune de aprindere UA<UBO.

În polarizare inversă, tiristorul se comportă ca o dioda pnpn, prin el trecând un curent mic, iar la tensiunea UB are loc străpungerea tiristorului.

Pentru a bloca tiristorul trebuie micşorat curentul prin structură sub valoarea de menţinere IH (HOLD) (tensiunea la borne scade şi ea sub valoarea de menţinere UH), deoarece după amorsare, poarta îsi pierde rolul de electrod de comandă, în sensul că nu poate acţiona şi pentru blocarea tiristorului, totuşi acest rol va fi reluat dar numai după blocarea tiristorului.

Semnalul de comandă pentru amorsarea tiristorului poate fi atât semnal continuu cât şi impulsuri de polaritate corespunzătoare. Comutarea directă şi blocarea tiristorului au loc în timp finit, fiind legate de procese fizice de injecţie şi extracţie de purtători de sarcină. Timpul de comutare directă creşte cu temperatura şi cu curentul anodic, dar scade când amplitudinea semnalului de comandâ creşte. Dacă semnalul de comandă este un impuls, trebuie sa aibă o durată minimă, timp de menţinere pe poartă, sub care comutarea nu are loc.Timpul de comutare inversă creşte de asemenea cu temperatura şi curentul anodic şi scade când amplitudinea semnalului de comutare creşte. Astfel, pentru blocare este suficient să micşorăm tensiunea anodică sub valoarea de menţinere, dar timpul de comutare inversă scade dacă inversăm polaritatea tensiunii pe anod. Dacă semnalul de blocare este un impuls, există o durată minimă a acestuia, numită timp de revenire pe poartă sub care blocarea nu are loc. În tiristoarele rapide timpii de comutare sunt de ordinul a câteva microsecunde, iar timpul de blocare este în general mai mare decât cel de comutare directă.

30

Cu ajutorul tiristorului pot fi controlate puteri mari, fiind utilizat frecvent în circuitele redresoare comandate şi invertoare. Posibilitatea de control a momentului amorsării determină un domeniu larg de aplicaţii pentru acest dispozitiv care poate fi alimentat de la tensiuni de ordinul zecilor la tensiuni de ordinul sutelor de volţi şi corespunzător curenţilor de ordinul sutelor de amperi.


CU CE?

tipuri de tiristoare; calculator cu soft educaţional; folii transparente cu simbolul, caracteristici, schemă echivalentă a tiristorului.

CUM?

metode de învâţământ: explicaţia; observaţia dirijată; problematizare; conversaţia euristică; activităţi practice de măsurarea parametrilo, vizualizarea caracteristicilor.


UNDE?



31

Tema 5. Dispozitive optoelectronice

Fişa suport 5.1 Dispozitive optoelectronice bazate pe efectul fotoelectric intern

Dispozitivele optoelectronice reprezintă elemente care transformă energia radiaţiilor luminoase (sau a altor radiaţii din spectrul invizibil) în energie electrică sau invers. Transformarea energiei radiaţiei electromagnetice în energie electrică şi invers se face în mod direct, fără intermediul altor forme de energie. Fenomenele fizice fundamentale care stau la baza funcţionării dispozitivelor optoelectronice sunt absorbţia radiaţiei electromagnetice în corpul solid şi recombinarea radiativă a purtătorilor de sarcină în semiconductor.

Dispozitivele optoelectronice se împart în două mari categorii:- dispozitive bazate pe efectul fotoelectric intern;- dispozitive optoelectronice electroluminescente.

Dispozitive optoelectronice bazate pe efectul fotoelectric intern

Fotoelementul, simbolizat în Fig. 5.1.1, reprezintă un dispozitiv optoelectronic care nu necesită alimentarea de la o sursă de tensiune exterioară, el generând o anumită tensiune atunci când este iluminat. Valoarea tensiunii care este măsurată pe o asemenea celulă care nu este conectată într-un circuit poartă denumirea de tensiune de circuit deschis şi are o variaţie pronunţată la iluminări mici, iar curentul care străbate terminalele celulei în timpul unui scurtcircuit poartă denumirea de curent de scurtcircuit şi are o variaţie pronunţată cu cât iluminarea este mai puternică. Cu cât aria unei celule este mai mare cu atât curentul de scurtcircuit este mai mare.

Fig. 5.1.1 Simbolul fotoelementului

Dacă în aplicaţii dorim să utilizăm curentul unei astfel de celule se vor utiliza rezistori de sarcini mici, iar dacă dorim utilizarea tensiunii, rezistorul de sarcină trebuie să aibă o valoare mare. Valoarea curentului de scurtcircuit depinde şi de lungimea de undă a luminii (culoarea) care lumineaza fotocelula.

Fotorezistenţa, simbolizată în Fig. 5.1.2, este formată dintr-o peliculă semiconductoare depusă prin evaporarea în vid pe un grătar metalic fixat în prealabil pe o placă izolatoare. Această peliculă se protejează de obicei prin acoperire cu lac sau peliculă de masă plastic.

32

Acestea au proprietatea de a-şi modifica valoarea rezistenţei electrice sub acţiunea fluxului luminos. Într-un circuit care conţine un astfel de dispozitiv alimentat de la o sursă de tensiune constantă, curentul va creşte odată cu iluminarea fotorezistorului.

Variaţia rezistenţei lor cu temperature şi inerţia ridicată în funcţionare, constituie inconvenientele acestor dispozitive.

Fig. 5.1.2 Sombolul fotorezistenţei

Principalii parametri ai fotorezistenţei sunt: Rezistenţa de întuneric, (R0); Sensibilitatea, (S).

Fotodioda, simbolizată în Fig. 5.1.3 nu diferă din punct de vedere a structurii fizice faţă de diodele obişnuite. Fotodioda este constituită dintr-o jonctiune pn de construcţie specială, astfel încât să facă posibilă incidenţa razelor de lumină în domeniul zonei de difuzie a acesteia. În funcţionarea normală jonctiunea pn este polarizată invers cu ajutorul unei sursei externe. Incidenţa razelor de lumină în zona de difuzie determină o creştere a curentului invers. Pot fi folosite la frecvenţe de ordinul miilor de Hz.

Fig. 5.1.3 Simbolul fotodiodei

Principalii parametrii ai unei fotodiode sunt: Curentul de întuneric, (ID); Tensiunea inversă maximă, (URM); Curentul de iluminare, (IL); Sensibilitatea, (S).

Fototranzistorul, simbolizat în Fig. 5.1.4, este format din trei zone (pnp sau npn) numite colector, bază şi emitor. Zona sensibilă la lumină formând-o joncţiune bază- colector. Spre deosebire de fotodiode fototranzistoarele realizează şi o amplificare a curentului fotoelectric. Fluxul luminos are rolul curentului de bază de aceea

33

fototranzistorul nu este prevăzut cu terminalul pentru bază. În circuite fototranzistorul se montează în conexiune emitor comun, polarizarea făcânduse ca şi la tranzistor, emitorul la potenţialul negativ iar colectorul la potenţialul pozitiv pentru un tranzistor npn.

Inerţia în funcţionare a fototranzistorului este mai mare decât a fotodiodei.

Fig. 5.1.4 Simbolul fototranzistorul

Fototiristorul este un dispozitiv optoelectronic realizat pe o structură de tiristor, a cărui aprindere se face sub acţiunea unui flux luminos. Şi în acest caz tensiunea de amorsare scade cu creşterea intensităţii fluxului luminos.


CU CE?

tipuri de dispozitive optoelectronice ; calculator cu soft educaţional; folii transparente cu simboluri, circuite şi caracteritici .

CUM?



UNDE?



34

Fişa suport 5.2 Dispozitive optoelectronice electroluminiscente

Dioda electroluminiscentă (LED- ul), simbolizată în Fig. 5.2.1, numită LED-Light Emmiting Diode se bazează pe fenomenul invers fotodiodei. Culoarea luminii emise depinde de semiconductorul utilizat.

LED-urile pot fi folosite ca indicatoare numerice sau indicatoare optice pe panourile aparatelor. LED-ul emite lumina într-o anumită bandă foarte îngustă de lungimi de undă care este caracteristică unei anumite culori.

Pentru LED-uri RGB, poate fi un singur LED cu trei structuri (Red/Green/Blue) încorporate care sunt comandate pe trei linii separate de comandă a culorii, sau un “punct luminos", compus din structuri LED roşu/verde/albastru distincte. Prin comanda separată a fiecărei culori din cele trei se obţin peste 16 milioane de nuanţe (principiu care este utilizat şi în monitoarele cu LED-uri

Fig. 5.2.1 Simbolul diodei electroluminiscente

Parametrii electrici ai LED-urilor sunt identici cu cei ai diodelor: Curentul direct, (IF); Tensiunea de deschidere a joncţiunii, (UF); Tensiunea inversă, (UR).

Optocuplorul, simbolizat în Fig. 5.2.2, este ansamblul format dintr-un LED şi un receptor luminos (fotodiodă, fototranzistor) montat într-o capsulă comună opacă.

Fig. 5.2.2 Simbolul optocuplorului

Aceste dispozitive au o gamă largă de aplicaţii ele putând înlocuii relee, putând izola partea de forţă de partea de comandă în sistemele automate şi în multe alte aplicaţii. Într-un astfel de dispozitiv se transmit într-un singur sens de la intrare la ieşire.

De obicei randamente de transfer relativ ridicate se obţin în domeniul frecvenţelor infraroşii. Optocuploarele pot fi utilizate pentru transfer de semnale atât de curent continuu, cât şi de curent alternativ, frecvenţa limită fiind ordinul zecilor de MHz.

35

Pe lângă parametrii ce se referă separate la emiţător şi receptor, parametrii specifici optocuplorului sunt: Tensiunea de lucru care este diferenţa de potenţial între emitor şi receptor; Factorul de transfer în curent care este egal cu raportul dintre variaţia curentului la

ieşire şi variaţia curentului la intrare; Timpul de răspuns care reprezintă timpul scurs între momentul aplicării semnalului

luminos şi cel la care fotocurentul creşte până la 0,1 din valoarea sa maximă.


CU CE?

tipuri de dispozitive optoelectronice ; calculator cu soft educaţional; folii transparente cu simbolurile şi caracteriticile curent - tensiune ale

dispozitivelor optoelectronice.

CUM?


organizarea clasei: frontal, pe grupe de elevi sau individual

UNDE?



36

IV. Fişa rezumat

Unitatea de învăţământ __________________

Fişa rezumat

Clasa ________________ Profesor______________________

Nr. Crt.

Nume şi prenume

elev

Competenţa 1 Competenţa 2 Competenţa 3ObservaţiiA 1 A 2 A X A 1 A 2 A 3 A 1 A 2 A 3

1 zz.ll.aaaa1

234...Y

1 zz.ll.aaaa – reprezintă data la care elevul a demonstrat că a dobândit cunoştinţele, abilităţile şi atitudinile vizate prin activitatea respectivă

37

V. Bibliografie

1. Biţoiu, Adrian. Băluţă, Gheorghe. Iţcou, Corneliu. Lingvaz, Iosif. (1984). Practica electronistului amator, Bucureşti: Editura Albatros

2. Creangă, Emil. Saimac, Anton. Banu, Emilian. (1981). Electronică Industrială, Bucureşti: Editura didactică şi pedagogică

3. Dan, Pentru Alexandru. Luca, Dan Mihai. Albu, Adrian. Dunca, Tudor. Primejdie, George. (1986). Diode cu siliciu - catalog, Bucureşti: Editura Tehnică

4. Dascalu, Dan. Rusu, Adrian. Profirescu, Marcel. Costea, Ioan. (1982). Dispozitive şi circuite electronice, Bucureşti: Editura didactică şi pedagogică

5. Florea, S. Dumitrache, I. Găburici, V. Munteanu, F. Dumitriu, S. Catană, I. (1983). Electronică industrială şi automatizări, Bucureşti: Editura Didactică şi Pedagogică

6. Stan, Alexandru Iulian. Cănescu, Traian. Huhulescu, Mihai. Popescu, Constanţiu. Simulescu, Dragoş. (1998). Aparate, echipamente şi instalaţii de electronică industrislă – tehnologia meseriei- manual pentru clasele a IX –a şi a X –a licee industriale şi şcoli profesionale, Bucureşti: Editura didactică şi pedagogică

7. Vasilescu, Gabriel. Lungu, Şerban. (1981). Electronică, Bucureşti: Editura Didactică şi Pedagogică

38

VI. AnexeAnexa 1 Tipuri de diode şi utilizările acestora

Tipul diodei Utilizarea

Diode cu contact punctiform Detectoare de înaltă frecvenţă pentru semnal mic. Demodulatoare

Diode varicap (varactoare) Acordul circuitelor oscilante

Modulaţie de frecvenţă

Multiplicare de frecvenţă

Diode tunel Generatoare de oscilaţii în domeniul microundelor

Diode redresoare Redresoare

Diode Zener Stabilizatoare de tensiune

Limitatoare de tensiune

Diode PIN Rezistenţă reglabilă în înaltă frecvenţă

39

Anexa 2 Caractertisticile statice ale tranzistorului bipolar în conexiune EC

40

componente electronicecndiptfsetic.tvet.ro/materiale/materiale_de_predare/gd/01... · web...

Documents