ELECTRONICA APLICATA

1. Noiuni introductive

1.1.Semnale electrice Def: - semnal - orice variabil n timp purttoare de informaie. Semnalul electric - orice semnal de natur electric - tensiunea electric, intensitatea curentului electric . Semnale- pot fi continue sau variabile. Daca un semnal poate lua toate valorile posibile dintr-un interval finit sau infinit semnal cu valori continue. Atat

semnalele analogice cat si cele discrete pot avea valori continue. Semnal variabil - orice semnal care variaz n timp, s = s(t). (Aceasta se aplic la orice tip de semnal: curent

alternativ i = i(t), fora electromotoare alternativa (e.m.f.) e = e(t), flux magnetic = (t), si altor mrimi electrice (tensiunea, etc.) si magnetice.)

n funcionarea circuitelor, mrimile electrice (tensiuni, cureni, etc.) nu rmn constani, ci variaz. Se prezint n continuare semnalele cele mai ntlnite n practic.

a) Semnale sinusoidale - sunt frecvent utilizate att n descrierile teoretice, ct i n verificrile experimentale privind circuitele

electrice. - un semnal alternativ care variaz cu timpul astfel ca oricare din valorile sale se repeta la intervale regulate de

timp T, este numit semnal periodic. Un semnal sinusoidal are expresia general: s(t) = A sin ( t + ) , cu = 2 = 2/T

unde A amplitudinea semnalului, pulsaia semnalului, faza iniial, frecvena , T perioada semnalului.

De obicei semnalele urmrite n practic sunt tensiuni, caz n care amplitudinea se msoar n voli. Frecvena semnalului se msoar n Hz, pulsaia () n rad/s.

Pentru exprimarea amplitudinii unui semnal periodic se utilizeaz uneori valoarea efectiv - egal cu valoarea tensiunii continue (sau a curentului continuu), care ar dezvolta ntr-o rezisten dat aceeai putere ca i tensiune periodic (curentul periodic) considerat.

n cazul semnalului sinusoidal de forma u = Umsin( t + ) , relaia dintre tensiune efectiv Uef i amplitudinea Um a unei tensiuni este: Uef =

2Um

mU707,0

Analog pentru cureni: Ief = 2

ImmI707,0

Rezult putere efectiv : P = Uef Ief = 2IU mm

b) Semnale rectangulare n fig. urmtoare s-au reprezentat semnale de tip rectangular numite i impulsuri - definite prin durat

(limea impulsului) i amplitudine. n fig. a i b sunt reprezentate impulsuri pozitive iar n fig. c i d impulsuri negative, reprezentate deasupra

respectiv sub nivelul de referin.

Dup sensul de variaie pe durata primului front se disting impulsuri cresctoare( u1 i u4) i impulsuri cztoare ( u2 i u3).

(a) (b)

(c) (d)

c) Alte tipuri de semnale semnale treapt unitate pentru care se folosete notaia (t), simuleaz comutarea la momentul to a unui

ntreruptor.

semnale dinte de fierstru

semnale triunghiulare

1.2. Curentul electric O deplasarea ordonat de particule ncrcate cu sarcin electric sub aciunea cmpului electric formeaz un curent electric. Astfel de particule poart numele de purttori de sarcin.

Curentul electric se poate datora mai multor tipuri de purttori de sarcin. - n gaze purttorii de sarcin sunt att electronii ct i ionii ncrcai pozitiv, n metale ei sunt electronii de

conducie, n semiconductori sunt electronii i golurile, etc. Deci, pentru a avea un curent electric intr-un mediu oarecare acesta trebuie s conin purttori de sarcin

electrica capabili s se deplaseze sub aciunea unui cmp electric. Un mediu fr purttori de sarcin capabili s se deplaseze sub aciunea unui cmp electric poart numele de izolator.

t

u

(t) u

u

t

t

n cazul unui metal, aflat la o temperatur peste 0 K, electronii sunt ntr-o continu stare de agitaie termic. Prin aplicarea unui cmp electric, peste micarea de agitaie termic se suprapune o micare ordonat a electronilor ce vor fi dirijai n sens invers cmpului electric. Un astfel de mediu poart numele de conductor.

Se numete curent electric - micarea dirijat a sarcinilor electrice sub influena cmpurilor electrice create de sursele de energie electric.

Exist mai multe tipuri de surse: acumulatoare, baterii uscate, baterii solare, celule termoelectrice, celule fotoelectrice, etc. Cei mai utilizai sunt generatorii electrici, care transfer energia mecanic n energie electrica. Starea electrocinetic poate fi pus n eviden prin anumite efecte: - efectul magnetic - n vecintatea conductoarelor parcurse de cureni electrici asupra unui ac magnetic se manifest fore i cupluri care nu existau n lipsa strii electrocinetice. Aceste fore i cupluri acioneaz att asupra corpurilor aflate n micare i ncrcate cu sarcin electric ct i asupra unor corpuri aflate n stare de magnetizare; - efectul mecanic - acesta trebuie corelat cu efectul magnetic deoarece este vorba de fore ce se exercit asupra conductoarelor parcurse de cureni electrici aflate n cmp magnetic sau ntre conductoarele parcurse de cureni electrici; - efectul caloric - conductoarele parcurse de cureni se nclzesc; - efectul chimic - la trecerea curenilor electrici prin soluii de acizi, baze sau sruri n interiorul acestora apar reacii chimice; - efectul luminos - apare n anumite condiii ca o consecin a efectului caloric (ex. filamentul unei lmpi cu incandescen) sau alteori apare independent ca n cazul descrcrilor electrice n gaze rarefiate;

1.2.1 Intensitatea curentului electric Existena unui cmp electric n conductoare determin o stare specific, numit stare electrocinetic. n aceast stare, conductoarele electrice sunt sediul unor transformri energetice, semnalate prin efecte mecanice, termice, magnetice sau chimice. Intensitatea curentului electric este o mrime fizic scalar care reprezint sarcina electric net care traverseaz suprafaa transversal a unui conductor, n unitatea de timp:

tqI

=

Dac curentul nu este constant n timp, atunci vom considera limita raportului: dtdq

tqlimi

0t=

=

,

n SI, intensitatea este considerat ca o mrime fizic fundamental, unitatea sa de msur fiind amperul (A). Amperul este curentul electric care, meninut n dou conductoare paralele i rectilinii, de lungime infinit i seciune circular neglijabil, aflate n vid la distana de 1m unul de altul, produce o for ntre conductoare de 2x10-7N/m. Se admite prin convenie c sensul pozitiv al curentului I este opus sensului de deplasare al electronilor.

1.3.Tensiunea electrica Definitii:

Tensiunea electric ntre dou puncte ale unui circuit electric - diferena de potenial ntre cele dou puncte i este proporional cu energia necesar deplasrii de la un punct la cellalt a unei sarcini electrice. Tensiunea electromotoare (caracterizeaz sursa) - mrimea fizic scalar egal cu raportul dintre lucrul total efectuat de cmpul electric pentru a transporta sarcina electric pe ntregul circuit i mrimea sarcinii electrice. Pentru tensiunea electric se vor folosi notaiile U i u.

U=qL

unde: U - tensiune electromotoare; L - lucrul forei electrice; q - sarcina electric. Tensiunea electric- diferenta de potential electric ntre oricare doua puncte dintre circuit. Tensiunea electromotoare, E - diferenta de potential ntre bornelele unei surse de tensiune (baterii). Tensiunea electromotoare a unei surse este egal cu suma dintre tensiunea la bornele sursei i cderea de tensiune intern.

E = U + u .

Unitatea de msur pentru t. e. m., n SI este voltul, [V]. Aparatul de msur voltmetru.

Surse de tensiune au simbolurile de circuit:

1.4. Conducia electric Prin conducie electric se nelege fenomenul de transport al sarcinilor electrice sub influena cmpurilor

electrice. n marea majoritate a materialelor conductoare aflate n stare electrocinetic se constat c densitatea de curent

Jr

n orice punct este proporional cu suma dintre intensitatea cmpului electric i intensitatea cmpului electric

imprimat: ( )iEEJ rrr += respectiv JEE i rrr =+ unde = 1 Constanta de proporionalitate - conductivitate electric , iar

=

1- rezistivitatea electric i este o constant de

material. Rezistivitatea electric - proprietatea specific unui anumit material de a se opune trecerii curentului prin acesta. Conductivitatea electric, denumit i conductibilitate electric, caracterizeaz capacitatea unui material de a permite deplasarea electronilor prin acesta. Rezistivitatea materialelor conductoare variaz cu temperatura dup o lege de forma: ( )[ ]121tt ttt112 += , n care: t2, t1 sunt rezistivitile la temperatura final t2, respectiv iniial t1; t1 reprezint coeficientul de temperatur, la temperatura t1. Unitile de msur ale rezistivitii i conductivitii n SI sunt []SI = m, respectiv, ia[]SI = S / m iar n tehnic, datorit n special a caracterului filiform a conductoarelor, adesea se utilizeaz mm2/m, sau S m / mm2. Principalele materiale conductoare au la temperatura de 20 oC, conductivitile: Cu(20oC) = 56, , 59 S m / mm2, Al(20oC) = 33,3, , 35,7 S m / mm2. - conductivitatea electric i rezistivitatea electric sunt mrimi fizice caracteristice materialelor utilizate n electrocinetic . Trebuie menionat faptul c inclusiv materialele izolante folosite n tehnic nu au o conductivitate electric nul, ele nu sunt izolatoare perfecte. Materialele se mpart, dup valorile rezistivitii n: - materiale izolante, la care rezistivitatea = 10 108 20 m; - materiale conductoare, cu rezistivitatea = 10 106 8 m; - materiale semiconductoare, cu rezistivitatea .m1010 85 = Dintre materialele conductoare metalice folosite n tehnic, argintul are rezistivitatea cea mai mic, dar fiind un material preios utilizarea lui este limitat. Materialul conductor de baz folosit pentru conductoarele electrice este cuprul, avnd o rezistivitatea cu puin mai mare dect a argintului. De aceea cuprul este un metal deficitar, el este frecvent nlocuit cu aluminiul (cabluri electrice, linii aeriene, colivii ale unor maini asincrone etc.) .

1.4.1 Legea conduciei electrice. (Legea lui Ohm pe o prtiune de circuit) Pentru conductoare liniare i izotrope, legea conduciei electrice numit i legea lui Ohm se poate scrie sub forma: EJ = respectiv: JE = unde este o constant de material numit conductivitatea electric. Pentru a deduce forma integral a legii conduciei electrice vom integra expresia pentru o poriune 1-2 a unui conductor

=2

1

2

1sdJsdE

Integrala se va efectua n lungul liniei mijlocii a conductorului, vectorul ds fiind orientat dinspre punctul 1 spre 2. Vom presupune c n conductor vectorii E i J sunt colineari, i avnd aceeai orientare cu ds .

Dar: ====2

1

2

1

2

1

2

112 Sli

SdsidsisdJiarusdE

prin urmare: S

liu 1212 = Am presupus c suprafaa S a seciunii transversale a conductorului este constant, materialul conductorului are rezistivitatea ; l12 este lungimea conductorului.

Mrimea: Sl

SlR

== - rezistena electric a conductorului ntre dou puncte.

Rezistena electric R a unui conductor depinde de rezistivitatea acestuia, simbolizat prin litera greceasc (ro), de lungimea conductorului (l) i de aria seciunii transversale. Rezistena conductorului crete odat cu lungimea acestuia i scade odat cu creterea ariei seciunii transversale. Se scrie - U = IR - legea lui Ohm pentru o poriune de circuit. Conductorul - R sau r, si poart numele de rezistor. Frecvent n limbajul curent se utilizeaz pentru rezistor denumirea de rezisten. Mrimea invers, notat cu G: G = 1/R se numete conductan i se msoar n siemens (S). Dac mediul conductor este neliniar simbolul rezistorului este cel din cazurile c,d.

1.4.2. Legea lui Ohm pentru un circuit electric nchis Dac la bornele unei surse se leag n exterior un consumator de rezisten R n circuit apar dou cderi de

tensiune, una pe rezistena exterioar: RIU =

i alta pe rezistena interioara a sursei: rIu = ,

i un curent: RU

RVVI == 21

- legea lui Ohm arat c ntre tensiunea electromotoare E a sursei i cderile de tensiune exist relaia: uUE += sau rIRIE += ;

( )rRIE += . sau

rREI+

= Legea lui Ohm pentru un circuit nchis.

Valoarea curentului din circuit este constant atta timp ct i valoarea tensiunii electromotoare a sursei i a rezistenelor este constant.

E; r

R

Pentru o poriune de circuit, forma integral a legii lui Ohm este: R

VVRUI 21 ==

1. 4. 3. Legea Joule-Lenz Deplasarea sarcinilor electrice sub form de curent printr-un circuit electric se face n contul energiei debitate de

sursa de curent din circuit. n interiorul rezistorului (conductorului) la trecerea curentului electric are loc o conversie ireversibil de energie electric n energie intern (termic) a rezistorului.

Joule i Lenz au observat experimental c n rezistor apare o cldur proporional cu rezistena lui, cu ptratul curentului i cu timpul:

tIRQ 2= Legea Joule-Lenz Dac intensitatea este variabil n timp, atunci:

=t

dtRiQ0

2 - Legea Joule-Lenz (forma integral),

unde i intensitatea curentului variabil. Considerm un conductor omogen, la capetele cruia se aplic tensiunea 21 VVU = , dupa un timp dt, prin

fiecare seciune a conductorului trece sarcina: idtdq = i se cheltuie un lucru mecanic: dtRiUidtUdqdW 2=== , efectuat de forele cmpului electric asupra

sarcinilor electrice. Legea lui Joule Lenz exprim cldura produs pe ntregul conductor considerat. Pentru a determina cldura n diferite puncte ale conductorului (domenii infinitezimale) se consider un element

de conductor de lungime l. Conform legii Joule-Lenz, n timpul dt se produce cldura Q.

( ) VdtjdtjSSldtRiQ === 222

unde SlV = este volumul elementului de conductor. Astfel cldura Q raportat la unitatea de timp i unitatea de volum se numete putere specific (W) a

curentului. 2jW = forma diferenial a legii Joule-Lenz

1.5. Legi i teoreme fundamentale privind circuitele electrice Daca pentru descrierea unui circuit simplu legile lui Ohm sunt de ajuns, pentru retele electrice sunt necesare alte legi.

Analiza circuitelor electrice de orice configuraie si complexitate este mult simplificata prin aplicarea legilor lui Kirchhoff.

1.5.1 Teorema I a lui Kirkhoff O consecin imediat a legii conservrii sarcinii electrice este prima teorem a lui Kirchhoff aplicata circuitelor ramificate.

Un circuit ramificat se caracterizeaz prin urmtoarele elemente de circuit: - Prezint noduri de reea care reprezint punctul de ntlnire (conectare) a cel puin 3 conductoare - Ramura (latura) reelei este portiunea retelei cuprinsa intre doua noduri succesive(este parcursa de acelasi

curent); - Ochiuri de reea poriune de circuit nchis cuprins ntre cel puin 2 noduri de reea

Kirchoff Robert a stabilit dou legi care se pot determina unele elemente din circuit (cureni, tensiuni, rezistene) atunci cnd se cunosc altele. Teorema I se refera la curentii care intrea si ies dintr-un nod de reea:.

Relaia precedent devine: =

=

n

1kk 0I

Enun: suma algebric a intensitii curenilor electrici ce ies printr-o suprafa nchis este nul, sau suma curenilor care intra intr-un nod este egal cu suma curentilor care ies din acelasi nod.

1.5.2.Teorema a II-a a lui Kirchhoff A doua lege a lui Kirchoff se refer la ochiuri de reea. In lungul unui contur nchis format din laturi de circuit avnd rezistenele Rk i parcurse de cureni de intensitate ik suma algebric a cderilor de tensiune pe rezistenele din circuit este egal cu suma algebric a tensiunilor electromotoare din laturile circuitului .

= =

=n

1k

n

1kekk )U()iR( k

Teorema se poate aplica att pe contururi nchise prin poriuni conductoare ct i n lungul unor poriuni mixte ce cuprind att laturi parcurse de cureni ct i tensiuni ntre borne .

2. Componente pasive de circuit

Se numesc pasive acele elemente de circuit care nu pot realiza funcia de amplificare. - rezistoare, condensatoare, bobine.

2.1 Rezistorul 2.1.1 Clasificare. Parametrii. Simboluri

Rezistorul - elementul de circuit care are tensiunea la borne proporionala cu intensitatea curentului, oricare ar fi valoarea curentului.

Factorul de proporionalitate este rezistena R a rezistorului este : U=RI , pentru orice I . Ce este rezistena electric ? - rezistena electric este opoziia pe care o ntlnete curentul electric la trecerea sa printr-un anumit

material. Rezistena electric este important pentru c afecteaz n mod direct intensitatea curentului electric. Asta nseamn c, dac avem un generator electric (de exemplu o baterie), la bornele cruia legm un fir

metalic, cu ct rezistena electric a acestuia va fi mai mare, cu att mai mic va fi intensitatea curentului electric (i invers).

- mult lume are impresia c dac rezistena electric a unui echipament electric este mare asta nseamn c i consumul de energie electric este mare. Situaia st exact invers: rezistena electric frneaz trecerea curentului electric, la fel cum un furtun subire sau parial nfundat ngreuneaz trecerea apei prin el.

Nu se poate spune c rezistena electric este un lucru bun sau ru, ci doar potrivit sau mai puin potrivit unei anumite situaii. De exemplu, pentru a micora pierderile, rezistena electric a cablurilor de alimentare cu energie electric trebuie s fie ct mai mic. Pe de alt parte, rezistena electric a izolaiei cablurilor respective trebuie s fie ct mai mare pentru a reduce ct mai mult riscul de electrocutare.

Ca i component electronic, rezistena electric este folosit n principal pentru reducerea/limitarea curenilor i tensiunilor electrice.

Puterea pe rezistor: R

URIIUP2

2R ===

este o putere activ i se msoar n watt [W].

Deoarece parametrul R este pozitiv, aceste ecuaii arat c puterea are ntotdeauna o valoare pozitiv, ceea ce nseamn c rezistorul ntotdeauna absoarbe (consum) putere.

Rezistorul funcioneaz doar ca receptor de energie electric. Puterea primita la borne se regsete sub forma de cldur dezvoltata in unitatea de timp, prin efect Joule. Modelul fizic ideal al unui rezistor l reprezint un conductor omogen cu seciunea constant. Se tie c pentru un conductor de seciune S i de lungime l realizat dintr-un material caracterizat prin rezistivitatea ,

rezistena lui electric este dat de relaia urmtoare: R=Sl

.

Unitatea de msur n sistem internaional pentru rezistena electric este (ohm).

Clasificri ale rezistoarelor:

n functie de relatia ntre tensiunea si curentul la bornele sale, pot fi clasificate n:

- rezistoare liniare, care au un raport tensiune - curent constant (U/I=R=const.) si o dependenta neglijabila fata de valorile tensiunii, curentului sau ale altor factori exteriori; - rezistoare neliniare, care au valoarea rezistentei puternic dependenta de actiunea unor factori cum ar fi: o rezistoare dependente de tensiunea de la bornele sale (varistoare); o rezistoare dependente de temperatura (termistoare); o rezistoare dependente de intensitatea luminoasa (fotorezistoare). Prin nsasi constructia ei, rezistena este un consumator activ de energie electric, pe care o transforma n caldura (efect Joule-Lenz).

n funcie de intensitatea curenilor care le strbat pot fi: - rezistoare pentru cureni tari; - rezistoare pentru cureni slabi.

Dup destinaie pot fi: - rezistoare profesionale: - rezistoare de uz general.

Din punctul de vedere constructiv rezistoarele se clasific n: rezistoare fixe i rezistoare variabile, iar din punctul de vedere al realizrii prii rezistive exist trei tipuri de rezistoare:

- rezistoare bobinate - la care partea rezistiv este un conductor metalic de mare rezistivitate bobinat pe un suport izolant;

- rezistoare peliculare - la care elementul rezistiv este format dintr-o depunere pelicular, rezistiv, cu grosime mai mic dect 100 m, pe un suport izolant;

- rezistoare de volum - cu elementul rezistiv format dintr-un corp "masiv" de diferite forme (de obicei cilindric). Rezistoarele de acest tip se numesc i rezistoare chimice fiind realizate dup o tehnologie de tip chimic. Rezistoarele fixe (grafic reprezentat n fig.) sunt caracterizate prin: - rezistena nominal, n R i tolerana acesteia exprimat n procente din n R . Rezistoarele etalon au tolerana de 1% sau 2,5%, rezistoarele deprecizie au tolerana de 2,5% i 5%, iar cele de uz curent au tolerane dela 5% pn la 20%; - puterea de disipaie nominal - puterea electric maxim Rn In2 ce poate fi dezvoltat n rezistor fr ca temperatura acesteia s depeasca valoarea maxim admis; - tensiunea nominal, Un , - tensiunea maxim de durat ce poate fi aplicat la bornele rezistorului; - intervalul temperaturilor de lucru, n limitele cruia se asigur funcionarea de durat a rezistorului.

Rezistoarele variabile sunt caracterizate n funcie de tipul lor constructiv prin: - rezisten iniial, 0 r , definit ca rezistena n poziia iniial a contactului mobil; - rezistena saltului iniial, s r definit ca variaia minim a rezistenei la deplasarea contactului mobil din poziia iniial; - rezistena de contact, k r , -rezistena dintre contactul mobil i partea fix (rezistiv); - rezoluia sau precizia reglrii exprimat prin variaia minim posibil a rezistenei la deplasarea contactului mobil; -- puterea necesar acionrii contactului mobil, numit i cursor. Contactul mobil se execut n diverse moduri ca: lamel, perie sau plot din bronz fosforos, alam sau oel "apsat" pe parte fix cu ajutorul unui arc spiral sau lamelar. Din punct de vedere constructiv, rezistoarele variabile pot fi de form rectilinie sau circulare. n montaje, rezistoarele variabile se pot conecta n dou moduri: reostatic i poteniometric

Mod reostatic Mod poteniometric

Rezistoarele sunt reprezentate convenional printr-o serie de simboluri:

a: rezistor, semn general b: rezistor, semn tolerat c: rezistor, semn nestandardizat d: rezistor cu rezistena variabil e: rezistor cu contact mobil f: rezistor cu contact mobil cu poziie de ntrerupere g: poteniometru cu contact mobil h: poteniometru cu contact mobil,semn general i: poteniometru cu ajustare predeterminata j: rezistena cu dou prize fixe k: unt l: element de ncalzire m: rezistor cu rezisten neliniar dependent de temperatur (termistor) n: rezistor cu rezisten neliniar dependent de temperatura,semn tolerat(termistor) o: rezistor cu rezisten neliniar dependent de tensiune (varistor) p: rezistor cu rezisten neliniar dependent de tensiune, semn tolerat (varistor)

Marcarea rezistorilor poate fi realizat prin mai multe metode : - cu ajutorul unui cod format din niste benzi colorate (codul culorilor) - cu ajutorul literelor - cu ajutorul unui cod alfanumeric. Marcarea n codul culorilor a rezistorilor : Pentru a "decoda" valoarea unui rezistor marcat in codul culorilor se utilizeaz tabelul urmator:

Primele doua culori marcate pe rezistor ne indic valoarea rezistorului ( aceste valori se aleg din codul culorilor in functie de culoarea marcata pe rezistorul respectiv ) .A treia culoare marcat pe rezistor reprezint coeficientul de multiplicare al acestuia .Banda patru reprezint tolerana rezistorului respectiv (deviatia valorii pe care poate avea rezistorul fata de valoarea inscriptionata ; exprimat n procente )

2.1.2 Conectarea rezistoarelor n circuitele electronice, uneori este nevoie de o anumit valoare nominal n seriile de valori; prin conectarea n serie, paralel sau mixt a mai multor rezistoare, se poate ajunge la valoarea dorit.

Gruparea serie a rezistoarelor Un rezistor poate nlocui o grupare serie format din mai multi rezistori dac, prin conectarea acestuia ntre aceleasi puncte, nu va modifica tensiunea electrica de la borne. Altfel spus, curentul electric prin rezistorul echivalent trebuie sa aib aceeasi intensitate ca i curentul prin generatorul conectat ntre acele puncte.

Pt. n rezistoare legate n serie, rezistena echivalent este dat de suma rezistenelor componente:

Re = R1 + R2 + ..+ Rn = =

n

1iiR

Gruparea n paralel a rezistoarelor Pentru n rezistoare legate n paralel rezistena echivalent este dat de relaia:

n21e R1

...

R1

R1

R1

+++= ==

n

1i iR1

Aplicaii ale rezistoarelor fixe Divizorul de tensiune (aplicaie a conectrii serie a rezistoarelor)

- circuit format din 2 sau mai multe rezistoare conectate n serie i alimentate cu o surs de tensiune continu. Pe fiecare rezistor cade o fraciune din valoarea tensiunii de alimentare n funcie de valoarea rezistorului respectiv. -

ambele rezistoare sunt parcurse de acelasi curent I, determinat cu legea lui

Ohm: I=21 RR

E+

dar U1=I R1 rezult U1= 121

RRR

E+

U2=I R2 rezult U2= 221

RRR

E+

Divizorul de curent

- aplicaie practic a conectrii rezistoarelor n paralel o reprezint divizorul de curent - este un circuit format din dou sau mai multe rezistoare conectate n paralel i alimentate de la o surs de tensiune continu. -prin fiecare rezistor trece o fraciune din valoarea curentului absorbit de la sursa de alimentare n funcie de valoarea

rezistorului respectiv. - Se va determina formula divizorului de curent cu ajutorul creia se poate determina rapid curentul prin fiecare rezistor din circuitul divizorului. Aplicnd repetat legea lui Ohm n circuitul din figura avem: U= I1R1 i U= I2R2

sau U= ReI cu Re=21

21RR

RR+

Re rezistena echivalent a celor 2 rezistoare conectate n paralel

I1 = I21

2RR

R+

, I2 = I21

1RR

R+

2.2 Condensatorul 2.2.1. Definiii. Clasificare. Simboluri. Parametrii.

Condensatorul este un dispozitiv electronic pasiv ce nmagazineaz energie electric ntre dou armturi ncrcate cu sarcin egal dar de semn opus. Mai este cunoscut si sub numele de capacitor.

Din punct de vedere constructiv un condensator este alctuit dintr-un mediu (izolator) dielectric plasat ntre dou armturi conductoare. n interiorul condensatorului terminalele sunt conectate la dou plci de metal separate de un material dielectric (non-conductor:ex, mica, ceramic, sticla, celuloza, porelan,teflon, oxizi si chiar aerul) .

Dac se aplic unui condensator o tensiune continu U, acesta se va ncrca cu o sarcin Q, raportul dintre ele fiind o mrime constant i caracteristic pentru condensatorul considerat; acest raport se numete capacitatea condensatorului C:

C= UQ

cu unitatea de msur n SI( Farad): V1C1

F1 = .

Deoarece faradul este o unitate enorm, n tehnic sunt utilizai frecvent submultiplii faradului: cu urmtoarele ordine de mrime: 1 F = 106 F = 109 nF = 1012 pF.

Cum funcioneaz condensatorul ? Atunci cnd generatorul furnizeaz o tensiune pe bornele condensatorului, practic acesta ia electroni de pe o armtur i i trimite pe cealalt. Neavnd cum trece de dielectric, tensiunea electric (dezechilibrul de sarcini electrice) astfel format, se pstreaz chiar i dac deconectm generatorul. n aceast situaie, se spune c avem un condensator ncrcat.

- ntre orice suprafee ntre care exist o tensiune electric, apare i o capacitate electric. - n cazul suprafeelor obinuite, care sunt i mici i separate de distane destul de mari, capacitile electrice care apar sunt de multe ori neglijabile. De aceea, pentru capacitile necesare n electronic, se folosesc condensatori realizai din foie metalice cu suprafee mari, plasate foarte aproape una de alta i rulate ca o shaorma (adica n form cilindric) pentru a obine un gabarit ct mai redus.

Capacitarea electric este important n special pentru c: a)- este o surs de energie electric i astfel, n cazul n care tensiunea generatorului nu este chiar constant, condensatorul ajuta la stabilizarea ei astfel: cnd tinde s scad, condensatorul ncepe s se descarce cednd energie electric ctre generator, iar cnd tinde s creasc, condensatorul ncepe iar s se ncarce consumnd energie electric de la generator; b)- permite trecerea curentului electric doar n momentul ncrcrii sau al descrcrii. ntre armturile unui condensator nu poate circula nici un electron din cauza dielectricului care este izolator, ns pe durata ncrcrii/descrcrii condensatorului, electronii care sunt luai de pe o armtura i dui pe cealalt tot un curent electric formeaz. c)-permite filtrarea curenilor n funcie de viteza de variaie a acestora: cei care variaz suficient de rapid pot trece mai departe de un condensator iar cei care variaz foarte lent, sunt blocai.

Clasificarea condensatoarelor din punct de vedere constructiv, exist:

- condensatoare fixe ( au capacitatea constant tot timpul funcionrii); - condensatoare reglabile; - condensatoare variabile. dup natura dielectricului, exist:

- condensatoare cu dielectric gazos (aer, vid, gaze electronegative); - condensatoare cu dielectric lichid (ulei); - condensatoare cu dielectric solid organic i anorganic; - condensatoare cu dielectric pelicul de oxizi metalici. Dielectricul folosit dicteaz tipul condensatorului si pentru ce este folosit. n funcie de mrimea si tipul dielectricului, unii condensatorisunt mai buni pentru cureni electrici de frecvene nalte, in timpce alii pentru tensiuni nalte.

dup regimul de lucru: - condensatoare pentru curent continuu - condensatoare pentru curent alternativ

dup tensiunea de lucru: - condensatoare de joas tensiune (sub 100V) - condensatoare de nalt tensiune (peste 100V)

dup material: - condensatoare ceramice - condensatoare cu carcasa metalic - condensatoare cu carcasa din material plastic

modul de realizare practic se ntlnesc mai multe variante constructive de condensatoare: condensator plan se ntlneste n construcia condensatoarelor cu capaciti de valori mici si medii, avnd ca

dielectric: aer, materiale ceramice, mic, sticl, etc. Aceste condensatoare au inductivitate parazit mic, fiind destinai circuitelor de radiofrecven si decuplrii etajelor cu tranzistoare.

condensator multistrat, care const din mai multe condensatoare tip plan (n condensatoare plane) conectate n paralel. Se pot obine, n acest fel, valori mai mari ale capacitii, la caracteristici apropiate de cele ale condensatoarelor plane. condensator cilindric se ntlneste la construcia condensatoarelor cu dielectrici materiale ceramice si oxizi metalici (condensatoarele electrolitice).

condensator bobinat se ntlneste la construcia condensatoarelor cu dielectrici, care se pot compacta prin roluire, asa cum sunt foliile din hrtie si din materiale plastice. Datorit modului de realizare (prin bobinare) aceste condensatoare prezint inductiviti parazite, ceea ce face ca domeniul de frecven n care se pot utiliza s fie limitat.

Principalii parametrii ai condensatoare - necesari pentru proiectarea electric a circuitelo: - capacitatea nominala Cn[F] - valoare capacitatii condensatorului care trebuie realizat prin procesul de fabricatie si care este inscris pe corpul acestuia. Valoarea capacitii este msurat n anumite condiii, prezentate de productor n catalog. - Tolerana , t, numit i toleran de fabricaie - abaterea maxim a capacitii reale fa de cea nominal, rezultat n urma procesului de fabricaie. Toleranele pot fi simetrice sau asimetrice. Iau valori de la 0,2% la - 20%, + 80% (100%). Sunt marcate n general pe corpul condensatoarelor. - Tensiunea nominal Un[V]- tensiunea continua maxima sau tensiunea alternativa eficace maxima care poate fi aplicata continuu la terminalele condensatorului in gama temperaturilor de lucru. - Tensiunea admisibil, UA - valoarea maxim efectiv a tensiunii ce poate fi aplicat la bornele condensatorului, ce funcioneaz n anumite condiii precizate. - Curentul nominal, IN, este valoarea efevtiv maxim a curentului sinusoidal ce poate parcurge un condensator la o funcionare ndelungat. Curentul nominal este limitat de rezistena electric a armturilor, zonelor de contactare i terminalelor sau de inductana condensatorului. - Curentul admisibil, IA, constituie valoarea efectiv maxim a curentului ce poate parcurge un condensator pentru anumite condiii de funcionare precizate. Valorile uzuale sunt de la mA la 10A(20A). - intervalul temperaturilor de lucru (Tmin-Tmax) -limitele de temperatura ntre care condensatorul functioneaza un timp indelungat. -Puterea nominal, PN - puterea maxim ce poate s o evacueze un condensator ctre mediul ambiant avnd temperatura egal cu temperatura nominal.

Simbolizarea si marcarea condensatoarelor

a: condensator in general b: condensator in general simbol tolerat c: condensator de trecere d: condensator de trecere simbol tolerat e: condensator de trecere simbol nestandardizat f: condensator electrolitic g: condensator electrolitic simbol tolerat h: condensator electrolitic simbol nestandardizat i: condensator variabil j: condensator variabil simbol tolerat k: condensator semireglabil l: condensator semireglabil simbol tolerat

Pentru marcarea condensatoarelor exist o multitudine de coduri (alfanumerice, literale, numerice, culori), - standardizate internaional sau

naional, dar i coduri specifice firmelor productoare. Pe corpul unui condensator pot fi inscripionate: capacitatea nominal, tolerana de fabricaie, coeficientul de variaie cu temperatura, tensiunea nominal, tipul de dielectric, clasa, data de fabricaie, fiabilitatea, polaritatea bornelor, terminalul conectat la armtura exterioar, firma productoare. Capacitatea nominal, CN, este n general marcat. Codul numeric pentru marcarea capacitatii nominale este format din trei cifre. Primele doua reprezinta cifrele semnificative a capacitatii, iar a treia este factorul de multiplicare. Exemple de condensatori

2.2.2 Capacitatea unui condensator Condensatorul este o component pasiv care este frecvent utilizat n circuitele electronice cu proprietatea dea acumula sarcini electrice. Constructiv, condensatorul este alctuit din dou suprafee metalice numite armturi, ntre care se afl un mediu dielectric de permitivitate (constanta dielectric de material). Pentru un condensator plan, (dou suprafee metalice, plane, de arie S, aflate la distana d, ntr-un mediu cu permitivitatea , ncrcate cu sarcinile q, reprezint un condensator plan) capacitatea C este dat de relaia: C=

dS

dS ro

=

unde: o = permitivitatea dielectric absolut a vidului; = permitivitatea absolut a dielectricului

condensatorului;o

r

= = permitivitatea relativ a dielectricului; S = suprafaa armturilor plane; d = distana dintre

armturi. Pentru un condensator cilindric, (un sistem de dou armturi metalice de forma unor mantale cilindrice coaxiale, infinit lungi, ntre care exist un dielectric de permitivitate , constant) , valoarea capacitii se determin cu ajutorul relaiei:

1

2cil

RRln

l2C pi=

unde o , , r au semnificaiile de mai sus, l = lungimea cilindrului, R1= raza cilindrului interior, R2= raza cilindrului exterior.

2.2.3 Capacitatea echivalent a condensatoarelor Condensatoarele pot fi conectate n serie, paralel, sau mixt, n funcie de necesiti i disponibiliti.

Conectarea n serie a condenstoarelor - n condensatori conectai n serie, alimentai cu tensiunea UAB, poate fi nlocuit cu un condensator, a crui capacitate echivalent este Ce, acumuleaz sarcinile q, atunci cnd este alimentat cu tensiunea UAB.

Schema electric de legare n serie a condensatoarelor.

Prin aplicarea pe conturul a legii conservrii sarcinii, (contur format din armtura negativ a condensatorului C1 i armtura pozitiv a condensatorului C2), cele dou cantiti de sarcini acumulate vor fi egale:

qqq =+= 21 , iar tensiunea aplicat la bornele de intrare se va distribui pe fiecare condensator n parte:

nAB UUUU +++= ,...,21 ,

ne Cq

Cq

Cq

Cq

+++= ,...,21

, iar dup simplificare: ne CCCC

1,...,

11121

+++= ,

=

=

n

k ke CC 111

.

Conectarea n paralel a condenstoarelor - n condensatori conectai n paralel, alimentai la borne cu tensiunea UAB, poate fi nlocuit cu un condensator, a crui capacitate echivalent este Ce, acumuleaz sarcinile q, atunci cnd este alimentat cu tensiunea UAB.

Schema electric de legare n paralel a condensatoarelor.

La conectarea n paralel, (n conformitate cu legea conservrii sarcinii), suma sarcinilor acumulate pe armturile pozitive ale condensatoarelor va fi egal cu sarcina acumulat pe armtura pozitiv a condensatorului echivalent: nqqqq +++= ,...,21 , care cu ajutorul relaiei va deveni: ABnABABABe UCUCUCUC +++= ,...,21 , iar dup simplificare: ne CCCC +++= ,...,21 ,

=

=

n

kke CC

1.

2.3 Bobina 2.3.1 Noiuni introductive

- bobinele (inductoarele) - componentele pasive capabile s acumuleze energie magnetic. Bobina electric - elementul de circuit constituit dintr-o succesiune de spire n serie - destinat producerii cmpului magnetic (bobine de excitaie) - cnd spirele sunt "parcurse" de curent

-destinat producerii prin inducie electromagnetic a curenilor, cnd circuitul bobinei se afl n cmp magnetic variabil n timp. ( Aceste dou tipuri de bobine intr n componena mainilor i aparatelor electrice cum sunt mainile rotative, aparatele de msurat, releele, contactoarele etc.).

-destinat limitrii vitezei de cretere a curentului n circuit ca urmare a fenomenului autoinduciei (n acest caz se spune c bobina este destinat introducerii ntr-un anume loc din circuit a unei inductane (inductiviti) sau a unei reactane). Aceste bobine se pot constitui ca bobine autonome cum sunt bobinele de inductan, bobinele de reactan, bobinele etalon, bobinele de oc etc

2.3.2Comportamentul i funcionarea bobinei n circuit

Curentul electric produce un cmp magnetic concentrat n jurul bobinei, iar acest flux magnetic reprezint o stocare de energie cinetic datorat deplasrii electronilor prin nfurare. Cu ct valoarea curentului prin bobin este mai mare, cu att va fi mai puternic cmpul magnetic i cu att mai mare va fi energia stocat de bobin. Datorit faptului c bobinele stocheaz energia cinetic a electronilor ce se deplaseaz prin nfurare sub forma cmpului magnetic, comportamentul acestor dispozitive este foarte diferit de cel al rezistorilor (care pur i simplu disip energia sub form de cldur) dintr- un circuit. Energia stocat ntr-o bobin depinde de cantitatea de curent ce o

strbate. Abilitatea unei bobine de a stoca energie n funcie de curent se traduce printr-o tendin de meninere constant a curentului ce o strbate. Cu alte cuvinte, bobinele tind s se opun variaiei curentului. Concluzii:

Atunci cnd curentul prin bobin crete, aceasta se comport precum o sarcin: va exista o cdere de tensiune la bornele sale pe msur ce absoarbe energie din circuit (negativ la intrarea curentului n bobin i pozitiv la ieire, precum un rezistor). n aceast situaie, spunem c bobina se ncarc, deoarece energie stocat sub form de cmp magnetic crete.

Atunci cnd curentul prin bobin descrete, aceasta se comport precum o sarcin: creaz o tensiune la bornele sale pe msur ce elibereaz energie n circuit (pozitiv la intrarea curentului i negativ la ieire, precum o baterie). n aceast situaie, spunem c bobina se descarc, deoarece stocul de energie descrete, fiind elibert n circuitul extern.

2.3.3. Structura constructiv Structura constructiv depinde de tipul inductorului fiind n general compus din: bobinaj, miez magnetic, suport izolant (carcas), zone de contactare i terminale, element de protecie, ecran electromagnetic.

Inductana corpurilor obinuite este de multe ori neglijabil i de aceea nu prea ne putem folosi de ea. Pentru a obine inductane de valori mai mari, firul a crui inductan dorim s o mrim se modeleaz sub forma unei bobine (vezi bobina cu aer stnga).

Dac este nevoie de o inductan i mai mare, n interiorul bobinei se pune un miez fabricat din materiale feromagnetice (vezi bobina cu miez dreapta). Aceste materiale, prin simpla lor prezen n interiorul bobinelor, reuesc s le mreasc inductana chiar i de cteva zeci de ori.

Anumite elemente pot lipsi din structura constructiv sau un element poate ndeplini dou funcii, de exemplu se pot realiza bobinaje direct pe suportul izolant care poate fi un miez de ferit, acesta fiind din punct de vedere electric un izolator sau se poate utiliza un material ceramic pentru inductane de valori mici.

2.3.4.Parametrii bobinei Cei mai importani parametrii caracteristici ai unei bobine reale, cu pierderi sunt:

A) Msura capacitii unei bobine de stocare a energiei pentru o anumit valoare a curentului poart numele de inductan. Inductana msoar i intensitatea opoziiei variaiei de curent.

Inductivitatea (inductana) L definit ca raportul dintre fluxul magnetic propriu i curentul I care parcurge bobina: L =

I

Acest parametru depinde de forma, dimensiunile, numrul de spire al bobinei, de permeabilitatea relativ a mediului (miezului) i de temperatura de lucru. El caracterizeaz o bobin ideal i are valori uzuale de ordinul nHH. Tensiunea la bornele unei bobine depinde de inductana sa precum i de variaia curentului cu timpul la bornele sale. Bobinele nu au o rezisten stabil precum rezistorii totui, exist o relaie matematic dintre tensiune a i

curentul unei bobine, astfel: u = Ldtdi

Inductana unei bobine fr miez, de lungime l [ ]cm , diametru D [ ]cm (sau seciune S [ ]2cm ) i avnd N spire se poate calcula cu relaiile: L [ ]H =

lSN4 2pi

dac l >>D

Inductana bobinei cu miez magnetic ( de permeabilitate magnetic ) se determin cu relaia general:

L=l

SN2

Inductana este important n special pentru c: - permite filtrarea curenilor electrici n funcie de viteza de variaie a acestora: cei care variaz suficient de repede nu pot trece mai departe de o bobin (de o inductan) iar cei care variaz foarte lent, pot trece complet nestingherii; - inductanele a dou bobine plasate suficient de aproape una de cealalt, comunic ntre ele.

B) Rezistena total la pierderi R [ ] - determinat de pierderile prin conductor ( prin efect Joule n cc/ca. i efect pelicular n c.a.) ct i de pierderile n materialul magnetic i de rezistena de izolaie. C) Impedana Z a bobinei se manifest la alimentarea acesteia cu tensiunea alternativa: Z=

IU

D) Reactana inductiva XL=2pifL Impedana se poate calcula n funcie de rezistenta si de reactana inductiva: Z2=R2+XL2

E) Factorul de calitate Q este raportul dintre reactana inductiv si rezistena:Q=R

XL

- definit la o anumit frecven de lucru ca raportul dintre energia maxim existent n cmpul magnetic al bobinei i energia disipat sub form de cldur ntr-o perioad. ( Q=0300). F) Capacitatea (parazit) proprie, Cp [ ]pF - determinat de suma capacitilor distribuite ntre spirele bobinei precum i dintre acestea i mas. G) Stabilitatea (parametrilor bobinei) definit prin variaia parametrilor de mai sus n funcie de timp. H) Puterea, tensiune, i curentul maxim admise pentru a nu produce transformri ireversibile n bobin. O bobina parcursa de curent inmagazineaza, n campul magnetic o energie: 2L LI2

1W =

2.3.5. Simboluri grafice i clasificare a bobinelor Din punctul de vedere funcional bobinele pot fi fixe (a) pentru care inductivitatea L este constant n tot

timpul funcionrii i variabile (b) pentru care variaia inductivitii este funcional necesar.

Dupa natura circuitului magnetic sunt: - bobine fara miez- alcatuite dintr-un numar de spire, realizate n aer, sau pe un suport izolator, fara alta componenta magnetica sau feromagnetica, in interiorul ei. Se mai numeste si solenoid. - bobine cu miez pot avea n centru materiale feromagnetice, fier moale, otel, aliaje diferite cu nichel sau cobalt, diferite tipuri de ferite, etc, si nemagnetice , cupru, alama, aluminiu.

Dup domeniul de utilizare:

- bobine pentru cureni slabi (telecomunicaii, automatizri) - bobine pentru cureni tari (declanatoare, electromagnei, transformatoare, bobine de reactan,etc.) - bobine de inducie (aparate electromedicale, aprinderea amestecurilor explozive)

Dup construcie: - bobine fr carcas, cnd numrul spirelor este mic i grosimea conductorului suficient pentru a asigura rigiditatea bobinei, uneori realizate direct pe miezul magnetic. - bobine cu carcas, din materiale stratificate (pertinax,textolit), din materiale termoplastice i termorigide (bachelita, melamina, poliester sau din ceramic/porelan)

Dup form: - bobine cilindrice - bobine paralelipipedice - bobine toroidale

Dup frecvena de utilizare:- bobine de joas frecven,- bobine de nalta frecven (radiofrecvena),- bobine de audiofrecvena

Aplicaie: Transformatorul

Un transformator este o main electric care transfer energie electric dintr-un circuit (primarul transformatorului) n altul (secundarul transformatorului), funcionnd pe baza legii induciei electromagnetice. - const din dou sau mai multe bobine cuplate amplasate pe acelai miez magnetic. - funcionarea transformatorului se bazeaz pe fenomenul de inducie: cmpul magnetic variabil al curentului din

nfurarea primar determin apariia unei tensiuni electromotoare n nfurarea secundar. n varianta cea mai simpl transformatorul conine dou bobine L1 , L2 independente cuplate exclusiv prin cmp magnetic.

Schema de principiu a unui transformator Aplicnd la bornele de intrare a nfurrii primare L1, o putere electric P1 ( sub tensiunea U1 i curentul I1), rezult la bornele de la ieire ale nfurrii secundare L2, puterea electric P2 (sub tensiunea U2 i curentul I2), astfel nct, dac U2 > U1 I2< I1 i dac U2 < U1 I2> I1. Considernd n mod ideal, c P1 = P2 ( n realitate P1 > P2 datorit pierderilor n miezul magnetic i n nfurri), rezult raportul de transformare:

n = 21

12

II

UU

=

n funcie de destinaia lor, transformatoarele se pot clasifica astfel: transformatoare de alimentare; transformatoare de semnal (de audiofrecven sau de radiofrecven).

Cele dou funcii importante ale transformatorului, n blocurile de alimentare, sunt: transform tensiunea reelei ntr-o tensiune de valoare adecvat asigur " separarea galvanic " a circuitelor alimentate fa de reeaua de alimentare.

3. Dispozitive electronice semiconductoare

3.1.Noiuni de fizica semiconductorilor Materialele semiconductoare stau la baza tuturor componentelor electronice discrete sau integrate. Ce sunt materialele semiconductoare ? - sunt materiale care au conductivitatea electric cuprins ntre cea a metalelor i cea a materialelor izolatoare. - Ce le face ns cu adevrat importante n electronic este faptul c n anumite condiii i pot schimba radical

conductivitatea electric. Conducia se datoreaz deplasrii unor particule ncrcate electric, denumite purttori mobili de sarcin. Mrimile care caracterizeaz conducia sunt conductivitatea i reciproca ei rezistivitatea.

Din p.d.v. electric, corpurile solide se mpart n trei grupe: conductori, semiconductori i izolatori. - n metale conducia este asigurat de electronii de valen care sunt foarte slab legai de atomi. n consecin

metalele vor avea o rezistivitate foarte mic, de ordinul 10-6 m. - materialele izolatoare au toi electronii puternic legai de atomi, concentraia de electroni liberi fiind foarte

sczut, de aproximativ 107 purttori/m3. De aceea rezistivitile substanelor izolatoare sunt foarte mari, de ordinul 1015m.

- materialele semiconductoare sunt constituite din elementele grupei a IV-a a tabelului lui Mendeleev (germaniu, siliciu) aflate n stare cristalin din combinaii ntre grupele III i V (AsGa, InSb) sau din grupele II i VI. Siliciul este de departe cel mai utilizat material semiconductor.

- cristale semiconductoare pure din punct de vedere chimic cele formate numai din atomi de Si sau Ge.

Cum funcioneaz materialele semiconductoare ? Cristalul reprezint o form de dispunere n reele regulate a atomilor unei substane. Atomii sunt fixai n

nodurile reelei prin "legturi covalente" - realizate prin punerea n comun de ctre doi atomi nvecinai a cte un electron de valen. Cristalul de siliciu sau germaniu este construit prin ntreptrunderea unor celule cubice cu fee centrate avnd latura de 5,43A. Aceste materiale sunt speciale prin faptul c absolut toi electronii de pe ultimul strat sunt folosii la crearea de legturi cu atomii vecini. Acest lucru se observ foarte bine n figura. Sferele albastre reprezint electronii de pe ultimul strat. Fiecare atom de Ge i mparte toi cei 4 electroni de pe ultimul strat cu patru atomi nvecinai, ceea ce l face s se simt ca i cum nu ar avea nici un electron lips. n chimie, aceast nelegere poart denumirea de legtur covalent.

Aceast situaie las materialul semiconductor fr electroni liberi. Fr prezena electronilor liberi, semiconductoarele nu pot conduce curentul electric i deci, teoretic, sunt materiale perfect izolatoare. De ce le-am vrea izolatoare ? Urmtoarea etap n fabricarea materialelor semiconductoare const n transformarea lor din izolatori electrici n conductori electrici. Aceast transformare se obine prin doparea (amestecarea) semiconductoarelor cu nite impuriti speciale, numite impuriti de tip P sau impuriti de tip N. Impuritile de tip P constau n cantiti foarte mici de bor (B) sau galiu (Ga). n semiconductorii dopai cu atomi de tip P, mereu vor exista locuri libere pentru ali electroni (provenii de undeva din exteriorul materialului). n literatura tehnic de specialitate, aceste locuri libere se numesc goluri. Deoarece aceste goluri pot primi electroni de undeva din exterior, rezult c n acest caz semiconductorul poate conduce curentul electric. Materialele semiconductoare dopate cu impuriti de tip P se numesc materiale semiconductoare de tip P.

Impuritile de tip N constau n cantiti foarte mici de fosfor sau arsenic. Situaia este reprezentat n figura de jos, unde se observ cum funcioneaz doparea cristalelor de germaniu cu atomi de arseniu (crora de pe ultimul strat le lipsesc doar 3 electroni). Cu toate c ar avea nevoie doar de 3 atomi, atomul de arseniu ncearc s se integreze n societate i formeaz 4 legturi covalente cu 4 atomi de Ge vecini. Astfel atomul de As simte c s-a ales cu 4 electroni, deci cu unul n plus fa de ct ar avea nevoie pentru a-i completa ultimul strat. Electronul care este n plus nu este acceptat de nici unul din atomii vecini, pentru c acetia au format deja toate legturile covalente posibile. Asta nseamn c electronul rmas n plus este de fapt un electron liber, care poate ajuta oricnd la formarea unui curent electric.

Materialele semiconductoare dopate cu impuriti de tip N se numesc materiale semiconductoare de tip N.

3.1.1 Jonciunea pn Att semiconductoarele de tip P ct i cele de tip N, luate separat, sunt materiale conductoare. Cnd ns sunt puse n contact, electronii liberi din semiconductorul N se deplaseaz s ocupe golurile de electroni din semiconductorul P. Zona de contact dintre semiconductorul de tip N i cel de tip P poart numele de jonciunea PN. Procesele care au loc ntr-o jonciune (sau n urma interaciunii mai multor jonciuni), determin proprietile electrice ale dispozitivelor semiconductoare. Datorit diferenei de concentraie de purttori majoritari de acelai fel din cele dou zone, i pe msur ce electronii liberi din N ocup golurile din P se ntmpl urmtoarele lucruri: n semiconductorul P crete numrul de electroni, fapt pentru care n acesta ncep s apar ioni negativi

(punctele albastre din figur ); n semiconductorul N scade numrul de electroni, fapt pentru care n acesta ncep s apar ioni

pozitivi(punctele roii din figur).

Ca urmare a acestui proces de difuzie va apare o sarcin spaial negativ n regiunea iniial de tip P i o sarcin spaial pozitiv n regiunea iniial de tip N. Astfel, n vecintatea jonciunii se va genera o zon srcit de purttori majoritari, zon care se numete regiune de trecere. Datorit acestei separri de sarcin, n regiunea de trecere va apare un cmp electric intern, Eint, cmp a crui intensitate crete odat cu creterea cantitii de sarcin difuzate i care se opune procesului de difuzie. Trecerea curentului electric prin jonciunea PN este totui posibil dac se neutralizeaz efectul barierei de potenial aplicnd o

tensiune electric de aceeai valoare dar de sens contrar. Aceast tensiune electric de neutralizare poart denumirea de tensiune de prag. Valoarea tensiunii de prag depinde de materialul de baz din care este construit jonciunea PN. De ex. pt. cele din Si este de cca. 0,65V, pentru cele cu Ge este n jur de 0,15V . Cea mai important proprietate pe care o posed jonciunea PN este faptul c nu conduce curentul electric dect ntr-un singur sens. n continuare - despre ce se ntmpl n jonciunea PN atunci cnd o conectm la o surs de tensiune electric, n fiecare din cele dou sensuri posibile. Jonciunea PN polarizat n sens direct:

n acest mod, electronilor din zona N li se adaug electroni trimii de borna () a sursei, iar nr. de goluri din P este crescut de electronii absorbii de borna (+). - practic se mrete nr. de electroni liberi din N i nr. de goluri din zona P. - n sens direct, jonciunea PN conduce curentul electric (bineneles, dac la bornele ei aplicm o tensiune electric cel puin egal cu tensiunea de prag). Jonciunea PN polarizat n sens invers: n acest caz, toi electronii liberi din materialul N sunt nghiii de borna (+) iar toate golurile din P sunt completate de electronii venii de la borna (). - semiconductorul de tip N devine izolator pt. c fr electroni liberi nu mai are cine conduce curentul electric, iar materialul P devine izolator pentru c nemaiavnd locuri libere, nu mai poate accepta electroni de nicieri.

Concluzie: n sensul direct, tensiunea aplicat pe jonciunea PN reduce grosimea barierei de potenial, putnd-o chiar anula

dac are o valoare mai mare dect tensiunea de prag; n sensul indirect, tensiunea aplicat pe jonciunea PN mrete grosirea barierei de potenial.

3.2. Dioda semiconductoare

Ce este dioda ? - dispozitiv electronic a crei funcionare este bazat pe o jonciune pn. - component electronic a crei rezisten electric depinde de valoarea i sensul tensiunii aplicate ntre cele dou borne ale acesteia. - principala proprietate - las curentul electric s treac doar ntr-un singur sens. Echivalentul ei mecanic este supapa (de sens). Spre deosebire de rezistene, bobine i condensatorii nepolarizai, bornele unei diode au semnificaii diferite i de aceea fiecare a primit un nume special anod i catod. - anod A conectat la zona de tip p i catodul C este conectat la zona de tip n

Clasificri: Dup materialul din care se realizeaz:

- diod cu germaniu, - diod cu siliciu.

Dup caracteristicile jonciunii: - diod redresoare - diod stabilizatoare de tensiune (diod Zener) - diod de comutaie - diod cu capacitate variabil (varactor sau varicap) - diod tunel - diod diac - diod Gunn

3.2.1. Dioda redresoare

Structura i funcionare: Diodele redresoare este folosit n principal la redresarea curentului alternativ, adic la obinerea curentului continuu din curent alternativ. Structura tipic de diod (realizat prin difuzie planar) este prezentat n fig. 3.3

A C contacte metalice

SiO2

n regiune de trecere Fig. 3.3 Jonciune pn cu difuzie planar

- este un dispozitiv electronic constituit dintr-o jonciune pn prevzut cu contacte metalice la regiunile p i n (anod A conectat la zona de tip p i catodul C este conectat la zona de tip n) i introdus ntr-o capsul din sticl, metal, ceramic sau plastic.

- simbolul diodei - o sgeat care strpunge o barier (bara vertical din dreapta triunghiului) (fig.3.4). - sensul sgeii din simbolul diodei arat sensul n care dioda permite trecerea curentului electric.

Fig.3.4. Simbolul diodei semiconductoare - dioda poate fi conectat ntr-un circuit n dou moduri: polarizare direct (n care dac legm + la anod i - la catod, dioda conduce curentul electric); polarizare invers (n care dac legm + la catod i - la anod, dioda nu conduce curentul electric).

p

-am considerat dioda ntr-o situaie idealizat: dac este polarizat direct va conduce curentul electric (va avea rezistena electric egal cu zero) iar polarizat invers nu va conduce curentul electric (va avea o rezisten electric infinit de mare). n realitate nimic nu e perfect, nici mcar dioda. Cnd este polarizat direct, rezistena ei electric nu este chiar zero, iar cnd este polarizat invers dioda las s treac un mic curent, chiar dac acesta este extraordinar de mic. Dependena curentului direct iD de tensiunea uD este puternic neliniar (exponenial), (fig.3.5).

O diod de putere mic cu Si ncepe s conduc semnificativ (se deschide) abia pentru valori ale tensiunii directe uD>0,5V. n continuare, curentul crete exponenial cu tensiunea aplicat.

Diodele cu Ge se deschid la tensiuni directe uD 0,2V.

Fig.3.5 Caracteristica curent- Fig.3.6 Montajul pentru tensiune a diodei cu Si ridicarea caracteristicii statice tensiune-curent

Notarea general a diodelor -cum anume recunoti o diod ntr-un cablaj imprimat sau ntr-o cutie cu piese electronice -

Pentru cele de mare putere este cel mai simplu: indiferet de capsul, indiferent de tipul ei, este pictat pe ea simbolul general al diodei (cel din figura 3.4). n cazul celor de mic putere, nu prea este spaiu pentru pictarea simbolului diodei. De aceea, n cazul lor singurul indiciu c avem de a face cu o diod este un inel plasat la unul din capetele piesei, inel care are evident alt culoare dect restul suprafeei. n plus, acest inel arat c borna din imediata lui apropiere este catodul diodei (vezi figura).

Parametrii de baz ai diodelor O foaie de catalog a unei diode poate conine chiar i zeci de parametri, ns doar puini dintre ei au o

importan critic n practic. Dintre acetia amintesc: -valoarea medie a curentului maxim admis pentru o perioad, care este determinat de nclzirea admis a

dispozitivului la aplicarea tensiunii directe; -valoarea tensiunii inverse sub forma impulsurilor repetabile, care este egal cu aproximaii 0,7 din valoarea

tensiunii de strpungere i care limiteaz valorile admise de tensiune invers pe diod; -valoarea impulsului de tensiune direct, care caracterizeaz diferenierea fa de situaia real a curbei

directe a caracteristicii volt-amper i se determin pentru cazul valorii maxime admise a curentului mediu direct; -curentul maxim invers, care caracterizeaz situaia de neliniaritate a curbei inverse a caracteristicii volt- amper;

Descrierea analitic a caracteristicii diodei redresoare Att teoretic ct i experimental se constat c, o mare parte din caracteristica static tensiune-curent a diodei

redresoare poate fi modelat prin relaia: ID= IS

1

kUU

expT

D,

unde: IS curentul de saturaie(rezidual) al diodei polarizat invers; UT tensiunea termic avnd valoarea tipic de 25mV la 25oC; k coeficient dependent de tehnologie, cu valori cuprinse ntre 1 i 2.

Pe poriuni, relaia poate fi aproximat prin expresii mai simple. Considernd pentru simplitate, k = 1 se constat c pentru UD> 0,1V, exp (UD/UT) >>1 i deci se poate scrie relaia: ID IS exp(UD/UT) , pentru UD> 0,1V sau ID IS exp( DU

mV25V1

) = IS exp(40 UD), unde UD intervine aici ca numr adimensional de voli. Dimpotriv, n domeniul UD < - 0,1V, exp (UD/UT)

3.3. Dioda stabilizatoare (Zener) - realizat pe baza unei jonciuni pn obinuite - se utilizeaz n circuite de strpungere a caracteristicii, cu proprietatea de control a tensiunii de strpungere. - pentru funcionare ca diod stabilizatoare dioda Zener se utilizeaz n polarizare invers. - o diod este polarizat invers, pn la o anumit valoare a tensiunii pe jonciune, curentul prin ea este foarte mic (Is). Dac tensiunea invers crete mai mult, (la o valoare a ei care depinde de tipul de diod), curentul poate crete foarte rapid i jonciunea se poate distruge.

Exist ns diode la care acest curent invers poate fi controlat n anumite limite i dioda polarizat invers este folosit ca stabilizatoare de tensiune sau ca referin de tensiune. Acest lucru este posibil deoarece n timp ce curentul invers poate varia n limite largi, tensiunea pe jonciunea polarizat invers rmne aproape constant. Aceast tensiune este numit tensiune de stabilizare sau tensiune Zener (UZ). Exist dou mecanisme de cretere a curentului la o valoare dat a tensiunii inverse.

a) - multiplicarea n avalan a purttorilor de sarcin, mecanism prin care purttorii primari, accelerai ntre dou ciocniri de ctre cmpul electric intens, determin apariia purttorilor secundari, teriari i aa mai departe.

b) - efectul Zener n care purttorii de sarcin sunt generai chiar de ctre cmpul electric care se creeaz n jonciune. Efectul Zener se poate produce dac exist o dopare foarte mare a semiconductorului corelat cu un cmp electric foarte intens.

Dac intensitatea curentului invers crete necontrolat atunci structura semiconductoare se nclzete i are loc distrugerea jonciunii prin ambalare termic. Pentru evitarea acestui proces, n circuitul de polarizare a diodei se va conecta ntotdeauna o rezisten de limitare a curentului.

(a) (b) Fig.3.10 Simbolul diodei Zener - (a), caracteristica tensiune-curent - (b)

La polarizare direct dioda Zener se comport ca o diod redresoare. Caracteristica static la polarizare n sens direct este identic cu a unei diode obinuite.

La polarizarea jonciunii n sens invers, caracteristica prezint o poriune abrupt situat la tensiunea zUu = , unde o variaie mic a tensiunii provoac o variaie mare a curentului fr ca dioda s se strpung.

Datorit acestei proprietii, dioda Zener se utilizeaz n circuitele stabilizatoare de tensiune (surse de c.c stabilizate ). Calitatea stabilizrii este cu att mai bun cu ct rezistena diferenial rZ msurat n jurul unui punct de funcionare PF, este mai mic i caracteristica de strpungere mai vertical.

Deoarece dioda Zener funcioneaz polarizat invers i deoarece curentul prin ea va circula da la catod la anod, se alege ca sens pozitiv al tensiunii i curentului cel de la catod la anod. Principalii parametrii caracteristici ai diodei stabilizatoare sunt: tensiunea de stabilizare UZ, cuprins n intervalul 2 180V. curentul invers maxim IZmax, determinat de puterea maxim pe care o poate disipa jonciunea. Ea depinde de tipul de diod i este n jurul valorii de 10W. Funcionarea diodei este limitat n domeniul Imin (13mA) i Imax (20mA, 2A) i la tensiuni inverse n domeniul (1,5150V). rezistena intern rZ- definit pe poriunea liniar din jurul tensiunii de stabilizare ca: rZ =

Z

Z

IU

( cu valori tipice de

120).

Coeficientul de temperatur a tensiunii de stabilizare - variatia tensiunii de stabilizare pentru o variatie a

temperaturii de 1grad C :dT

dUV1K z

z

TUz =

- acest coeficient este negativ pentru tensiunea la bornele diodei adica Uz mai mic de 6V i pozitiv pentru tensiuni mai mari de 6V. Datorit faptului c dioda Zener are tensiunea la borne constant i egal cu UZ, pentru variaii ale curentului IminImax, se folosete ca stabilizator de tensiune, conectnd-o n paralel cu sarcina.

Cea mai simpl modalitate de folosire a diodei ca element de stabilizare a tensiunii este prezentat n fig .3.11. n schem, rezistena de sarcin Rs , pe care dorim o tensiune constant, este conectat n paralel cu dioda stabilizatoare. Totodat, n circuitul de polarizare a diodei este prezent i rezistena de limitare a curentului, R.

(a) (b) Fig.3.11 Montajul pentru ridicarea caracteristicii de ieire (a i forma caracteristicii de ieire a diodei Zener - (b)

O msur a nivelului de stabilizare a tensiunii de ieire este factorul de stabilizare: S= stab

nestabUU

Fenomenul de stabilizare se explic prin prezena rezistenei R n amonte de diod i pe care cade surplusul de tensiune aprut ca urmare a variaiei tensiunii Unestab. De precizat c pentru stabilizare Ustab< Unestab. Aplicnd teorema a II-a a lui Kirchoff se obine:

Unestab= Ustab + U = Ustab+ R(I + I1), cu I1=S

stabR

U

nlocuind i explicitnd se obine: Ustab= Unestab - R(I + I1), Ustab= Unestab R (I +

S

stabR

U ),

Ustab = Unestab IRR

RRRR

R

S

S

S

S

+

+

Aceasta este ecuaia dreptei de sarcin a diodei Zener i care se translateaz cu variaia tensiunii Unestab.. Punnd condiia ca aceast curb s treac prin punctele limit se obin ecuaiile:

Ustab = Uminnestab IRR

RRRR

R

S

S

S

S

+

+ max

Ustab = Umaxnestab IRR

RRRR

R

S

S

S

S

+

+ min

Cunoscnd Ustab i Uminnestab , Umaxnestab, RS i se adopt Imin, se calculeaz R i Imax, pe baza cruia se alege dioda Zener. Puterea disipat: P = UZIZ este principalul factor restrictiv n utilizarea diodelor Zener. Cunoscnd Pmax i UZ, curentul maxim admisibil este IZ max = Pmax / UZ . Efectul Zener i multiplicarea prin avalan coexist, iar temperatura are o influen diferit asupra lor. - la tensiuni mai mici de 6V predomin influena efectului Zener, iar coeficientul KTUz este negativ. - la tensiuni mai mari de 8V predomin multiplicarea prin avalan iar KTUz este pozitiv. - cele mai bune diode Zener se obin prin urmare pentru tensiuni de 6 ...8 V, la care KTVz se compenseaz singur. - Aplicaiile diodelor Zener de obicei au ca scop obinerea unor tensiuni de referin stabilizate.

4. Tranzistorul bipolar

Tranzistoarele - dispozitive semiconductoare capabile de a amplifica semnale electrice. Amplificarea fiind o operaie esenial pentru prelucrarea i transmiterea la distan a semnalelor electrice,

tranzistoarele sunt dispozitive de maxim importan, prezente practic n toate circuitele electronice. La realizarea tranzistoarelor se pot identifica dou tehnologii de baz: - tehnologia bipolar, prima din punct de vedere cronologic; - tehnologia bazat pe efectul de cmp, mai modern i mai eficient, care pare s fie tehnologia viitorului.

4.1 Structura i funcionarea tranzistorului bipolar _ TB TB - structur monocristalin cu trei straturi pnp sau npn i dou jonciuni p-n una polarizat n sens direct i cealalt polarizat invers. Stratul din mijloc este slab impurificat i foarte subire (aprox.5m), mai subire dect lungimea de difuziune a purttorilor care difuzeaz prin jonciuni. - se numete bipolar deoarece conducia electric este asigurat att de purttorii majoritari ct i de cei minoritari.

Cele dou jonciuni npn i pnp sunt astfel denumite dup poziia relativ a semiconductoarelor de tip n i p: tranzistorul npn prezint dou regiuni de tip n separate printr-o regiune de tip p, n timp ce n tranzistorul pnp regiunea de tip n este ncadrat de dou regiuni de tip p .

Deoarece purttori de sarcin majoritari i minoritari sunt diferii n cele dou tipuri de materiale semiconductoare, mecanismul intern al conduciei curentului n cele dou tipuri de tranzistoare este diferit. Cele trei zone pnp sau npn sunt conectate la 3 electrozi care se numesc:

Emitor (E), - corespunde zonei puternic dopate, - are proprietatea de a emite o cantitate mare de purttori de sarcin.

Baza (B), zona din mijloc, deoarece primele tranzistoare se realizau prin alierea unui semiconductor de baz cu impuriti donoare de o parte i de alta.

Colector (C), - corespunde zonei externe de suprafa mai mare, - proprietatea de a colecta sarcinile emise de emitor.

n aceast tripl structur exist dou jonciuni de electroni i de goluri: jonciunea de emitor (EB) dintre emitor i baz i jonciunea de colector (CB) dintre colector i baz. - figura 4.1 a i b - modul de realizare a celor dou jonciuni i schema tranzistoarelor de tipul p-n-p i n-p-n.

(a) (b) Fig.4.1 Structura i reprezentarea n schem a tranzistorului de tip p-n-p - (a) i n-p-n - (b)

Simbolul tranzistorului pune n eviden prin sensul sgeii, existena unei circulaii uoare de curent ntr-o jonciune p-n. Materialul de baz pentru realizarea tranzistoarelor este siliciul sau germaniul.

Efectul de tranzistor - trecerea unui curent important printr-o jonciune polarizat invers, datorit vecintii unei jonciuni polarizate direct.

Se creeaz astfel posibilitatea controlrii curentului din circuitul de colector prin curentul injectat n baz cu ajutorul circuitului de polarizare a jonciunii EB. Aceast polarizare se asigur cu circuite de polarizare exterioare structurii tranzistorului (fig.4.2). - modul de polarizare a tranzistorului pnp este invers fa de cel npn.

Rolul principal al circuitelor de polarizare este de a stabili regimul de funcionare al tranzistorului.

Fig.4.2 Modul de polarizare a tranzistorului pnp - (a) i npn - (b)

Pentru obinerea efectului de tranzistor trebuiesc luate dou msuri constructive eseniale prin care se creeaz condiii ca influena jonciunii de emitor s se extind peste regiunea bazei, asupra colectorului: a) Baza trebuie s fie foarte ngust n comparaie cu lungimea de difuzie a purttorilor minoritari n ea; b) jonciunea EB trebuie asimetrizat prin doparea mult mai puternic a emitorului. Pentru tranzistoarele npn funcionarea este identic, inversndu-se doar polaritile tensiunilor i tipul purttorilor.

n fig. 4.3 este prezentat o seciune transversal printr-un astfel de tranzistor. Formele difuziilor i metalizrilor vzute de sus nu sunt relevante i depind de destinaia tranzistorului i de proiectant. C B E C B E

Si O2

difuzia p de difuzia n difuzia n de difuzia p emitor de baz emitor de baz substrat p - colector substrat n - colector

Fig. 4.3. Tranzistoare dublu difuzate pnp i npn

Pentru modelarea matematic a TB trebuie studiat conducia n interiorul su. iB

(1- )ipM inM ICB0

p+ n p inM ICB0 iE iC ipM ipM

Fig.4.4.Curenii n tranzistorul pnp bipolar iE curentul de emitor, cel mai mare dintre cureni, este compus din: - ipM, curentul de goluri difuzate din E n B; - inM, curentul de electroni difuzai din B n E. Cum jonciunea EB este asimetric, raportul ipM/inM este mare, uzual apropiat de 100.

iC, curentul de colector este compus din: - ipM, cea mai mare parte a ipM. factorul de transfer al curentului de goluri are valori uor subunitare; - ICB0, curentul rezidual al jonciunii CB polarizat invers. iB, curentul de baz, rezult aplicnd legea conservrii sarcinii electrice, care face ca suma algebric a celor trei cureni din terminale s fie nul: iE =iC+iB. Cele trei componente ale iB vor fi n consecin inM, ICB0 i (1-)ipM, fraciunea din curentul de goluri care se pierde n baz. Pentru mrimile electrice variabile se folosesc litere mici, de exemplu iB, iar pentru cele constante litere mari, de exemplu ICB0. n figura 4.4 se prezint sensurile acestor cureni interni tranzistorului, care nu prezint ns un interes practic, neputnd fi decelai prin msurtori. Pentru utilizatori prezint interes doar cei trei cureni ai terminalelor, singurii care pot fi msurai din exterior. Sistemul de ecuaii prin care se trece la curenii terminalelor este urmtorul: iC = ipM + ICBO iB = (1 - ) ipM + inM - ICBO iE = iC + iB nlocuind cu , factorul de transfer n curent emitor-colector, care se refer la curentul global de emitor i nu doar la curentul de goluri, rezult: iC = iE + ICBO iB = (1 - ) iE - ICBO iE = iC + iB este un parametru constructiv, valoarea sa fiind n general cuprins ntre 0,95 i 0,99. El caracterizeaz eficiena tranzistorului. Referitor la creterea eficienei, pe lng msurile constructive deja menionate mai trebuie adugat modul n care construcia TB faciliteaz rolul colectorului. Dubla difuzie planar (fig.4.4) este avantajoas n acest sens prin faptul c baza este efectiv ngropat" n colector, care are anse maxime de a capta purttorii injectai de emitor. Emitorul la rndul su este foarte bine plasat, fiind "ngropat" n baz. Dezavantajul acestei soluii apare ns prin faptul c terminalul prin care trece cel mai important curent, emitorul, este i cel mai mic, limitnd astfel drastic curentul maxim al TB.n majoritatea aplicaiilor ICB0 poate fi neglijat. Abordnd din alt unghi sistemul se poate evidenia rolul de comand al bazei, prin iB. Eliminm iE din cele trei ecuaii, pentru a se obine dependena iC (iB):

1Iii CB0BE

+= , CB0BC I1

1i1

i

+

=

Se introduce , factorul de transfer n curent baz - colector definit astfel: 1

=

de obicei cuprins ntre 20...1000. Cu aproximaia 1 obinem relaia:iC = iB + ICBO Termenul ICB0 se va nota cu ICE0, i reprezint curentul rezidual dintre colector i emitor, msurat cu baza n gol (deconectat). Rezult n final:iC = iB + ICEO,relaie fundamental, care exprim msura n care iB este amplificat n colector. Dei ICE0 > ICB0, i el poate fi neglijat, deoarece:- atunci cnd curenii de lucru sunt mult mai mari dect curenii reziduali, erorile produse prin neglijare sunt foarte mici: iB >> ICBO; - cnd curenii de lucru sunt foarte mici scade din cauza scderii eficienei tranzistorului. Pentru ca efectul de tranzistor s existe trebuie ca purttorii minoritari injectai n baz s fie suficient de muli nct pierderile prin recombinare n baz s fie "mascate". n caz contrar, recombinrile din baz dei puine, vor anula efectul de tranzistor. Utilizarea TB la cureni foarte mici este n concluzie neadecvat. Factorul (n cataloage este de obicei echivalat cu h21E) este un parametru fundamental al TB, el caracteriznd capacitatea de amplificare n curent a acestora. n practic se constat o mare mprtiere tehnologic a lui . La acelai tip de tranzistor, de exemplu BC177, poate fi cuprins de ntre 70 i 800!O concluzie fundamental care se desprinde din cele de mai sus este faptul c TB este un dispozitiv semiconductor comandat n curent. Principiul de funcionare a tranzistorului npn este similar, deosebirea constnd n inversarea direciei curenilor, a purttorilor de sarcin i a polaritii tensiunilor aplicate.

Aplicaiile cele mai importante ale TB : - n domeniul amplificrii (tensiune, curent, putere), deci n circuitele de prelucrare analogic a semnalelor. -utilizarea sa drept comutator (posibilitatea de a bloca curentul de colector prin anularea curentului de baz) a permis realizarea de circuite logice i numerice.

4.2. Regimuri de funcionare ale tranzistoarelor bipolare n cele de mai sus s-a considerat jonciunea CB polarizat invers i jonciunea EB polarizat direct, regim n

care tranzistorul este capabil de amplificare. Aceast polarizare nu este ns unica. n tabelul urmtor vor fi prezentate toate posibilitile de polarizare, fiecare dintre ele corespunznd cte unui regim diferit de funcionare.

Regim de funcionare Polarizarea jonc. EB Polarizarea jonc. CB activ normal direct invers blocat invers invers saturat direct direct activ invers invers direct

Regimul activ normal este utilizat pentru amplificarea linear a semnalelor; jonciunea CB este blocat iar jonciunea EB este deschis. Regimul blocat se caracterizeaz prin cureni foarte mici, ambele jonciuni fiind blocate; tensiunile dintre terminale sunt determinate de circuitele externe. Se obine prin anularea curentului de baz Regimul saturat se caracterizeaz prin tensiuni mici ntre terminale, ambele jonciuni fiind deschise; curenii sunt determinai de circuitele externe. Apare atunci cnd curentul de colector iese de sub controlul bazei Regimul activ invers este asemntor cu cel activ normal, dar eficiena tranzistorului este mult mai slab (E i schimb rolul cu C). n foarte multe aplicaii actuale, att din domeniul conversiei energiei ct i n calculatoarele numerice, tranzistoarele opereaz n regim de comutaie ntre regimurile blocat i saturat, trecnd prin regimul activ numai pe durata scurt a comutaiilor.

4.2.1.Conexiunile tranzistorului bipolar Pentru studierea amplificatoarelor este clasic noiunea de cuadripol - circuit cu patru borne: dou de

intrare, prin care se aplic semnalul care se dorete a fi amplificat i dou de ieire, de unde se obine semnalul amplificat.

I1 I2

U1 U2

Fig. 4.5 Definirea cuadripolului

Tranzistorul este caracterizat de 6 parametrii, 3 cureni i 3 tensiuni, dar nu sunt independeni. Pentru aceasta dac se cunosc 4 parametrii se pot determina i ceilali doi. Deoarece tranzistorul are 3 terminale, este convenabil s se aleag unul dintre acestea ca electrod de referin i s se conecteze la potenial zero (mas), fa de acest electrod se vor msura toate tensiunile n schem. n raport cu electrodul de conectat la mas(comun) - 3 scheme: baz comun (BC), emitor comun (EC), colector comun (CC). IC IC C IE IC IB E IB B E C B

UBE UCE UEB UCB UBC UEC

E B C

Emitor comun Baz comun Colector comun

Mrimi de intrare: - U1 - tensiune de intrare; - I1 - curent de intrare;

Mrimi de ieire: - U2 - tensiune de ieire; - I2 - curent de ieire.

CUADRIPOL

Se remarc avantajele conexiunii EC care este singura capabil de a amplifica simultan semnalele de tensiune i de curent. Mrimile de intrare n aceast conexiune sunt curentul de baz iB i tensiunea baz-emitor uBE iar cele de ieire sunt curentul de colector iC i tensiunea colector-emitor uCE. n conexiune EC, TB este abordat ca un amplificator de curent comandat prin iB, amplificarea de tensiune fiind obinut prin circuitul extern. n continuare vom considera aceast conexiune implicit.

4.2.2.Caracteristicile statice ale tranzistorului bipolar Starea electric a unui tranzistor bipolar este definit de patru mrimi electrice: doi cureni ( al treilea se deduce din relaia IE= IC+IB) i dou tensiuni (a treia se deduce din relaia UCE=UCB+UBE). Cele patru variabile nu sunt independente; dac valorile a dou dintre ele sunt fixate de ctre un circuit pentru un tranzistor dat, celelalte capt valori perfect determinate. De exemplu, dac circuitul fixeaz valorile tensiunilor pe jonciuni (UBE i UCB), curenii tranzistorului sunt perfeci determinai. n fig.4.7 sunt prezentate toate cele 6 mrimi caracteristice pentru TB. Sensurile curenilor i tensiunilor prezentate sunt cele reale i corespund regimului activ normal, pentru ambele tipuri de tranzistoare, npn respectiv pnp.

C IC IC C IB UCB IB UBC UCE UEC B B

UBE IE UEB E E IE

Fig. 4.7. Mrimile caracteristice tranzistoarelor bipolare

ntre aceste mrimi exist din start dou relaii de interdependen, impuse de legea conservrii sarcinii electrice i de Legea a II-a a lui Kirchoff: iE = iC + iB

UCE = UCB + UBE pentru npn, respectiv UEC = UBC + UEB pentru pnp Cele 4 mrimi independente pot fi alese n orice mod. Pentru conexiunea EC se prefer excluderea UCB care nu influeneaz funcional tranzistorul (deoarece este o tensiune de polarizare invers a jonciunii CB) i a lui IE care poate fi de regul aproximat cu IC. Oricum IE se obine uor din suma celorlali doi cureni, ntre care exist relaia esenial. Rmn caracteristicile statice (fig. 4.8), tipice pentru un tranzistor npn n conexiune EC: - familia de caracteristici statice de ieire de colector Ic = f(UCE), cnd IB = const. variind n trepte, (cadranul I); - caracteristica static de intrare IB= f(UBE), cu parametrul UCE = const. (cadranul III); - caracteristica static de transfer n curent IC = f (IB), cu parametrul UCE=constant , ( cadranul II); - caracteristica static de transfer n tensiune UCE = f(UBE) cu parametrul IB =constant (cadran IV), o dependen mai puin interesant, deoarece interdependena celor dou tensiuni este neglijabil. IC IB2 = 2 IB1

II UCE constant I IB1 0

IB = 0

IB IB constant UCE IV III UCE constant UBE Fig. 4.8 Caracteristicile unui tranzistor npn n conexiune EC

0,6V

Caracteristicile IC=f(UCE) - o importan primordial, deoarece determin interaciunea tranzistor-sarcin. De regul proiectarea unui circuit electronic se face n sensul ieireintrare, tocmai pentru a garanta deservirea optim a sarcinii. Pentru IB=0, tranzistorul este blocat. Singurul curent existent este ICE0, iar tensiunea UCE este dictat de circuitele exterioare. Pentru IB0, caracteristicile IC se prezint sub forma unor drepte cvasiparalele cu axa UCE, indicnd faptul c UCE influeneaz ntr-o msur foarte mic curentul de colector, care este dependent n principal de curentul de baz (ICIB). n cazul creterii UCE peste valoarea limit indicat n catalog, tranzistorul se va distruge prin strpungerea jonciunii CB. Dintre parametrii electrici ai tranzistoarelor bipolare se pot meniona: - factorul de amplificare n curent, (h21E - alt notaie ) UCES - tensiunea de saturaie; ICE0 -curentul rezidual; fT - frecvena de tranziie, pn la care tranzistorul poate amplifica. Cele mai importante valori limit sunt: IC - curentul maxim de colector; UCE0 - tensiunea de strpungere CE cu Baza n gol; Ptot - puterea maxim disipat. Funcionarea tranzistorului cuplat n schem cu emitor comun (EC) este determinat de familiile caracteristicilor de intrare i ieire. Tranzistoarele bipolare sunt comandate n curent i deci consum putere din circuitul de intrare, motiv pentru care nu pot fi utilizate pentru amplificarea semnalelor de putere mic.

Categorii de tranzistoare. Chiar dac toate n esen fac acelai lucru, exist o sumedenie de categorii de tranzistoare. Deosebirea dintre acestea este dat de parametrii caracteristici, care sunt optimizai de ctre productor pentru anumite game de aplicaii. - pentru a folosi la maxim performanele unui tranzistor trebuie s se utilizeze doar n aplicaiile pentru care a fost proiectat i construit. Tranzistoare de mic putere. Sunt tranzistoare care de regul: suport cureni de colector sau de dren (IC sau ID) de maxim de 200-300mA (0,2-0,3 A); suport tensiuni ntre colector i emitor (VCE) sau ntre surs i dren (VDS) de maxim 100-200V; n cazul tranzistoarelor bipolare, au un factor de amplificare de cel puin 200-300; sunt capabile de o puterea disipat (puterea electric pe care o pot transforma n cldur) de cel mult 500-

600mW (0,5-0,6W); nu au capsula construit n aa fel nct s poat fi montate pe radiatoare de rcire: au frecvena maxim de lucru (frecvena maxim a semnalelor electrice cu care pot lucra) de circa 200-250

MHz (megaheri). Tranzistoare de medie putere. Sunt tranzistoare care de regul: suport cureni de colector sau de dren (IC sau ID) de maxim de 2-3 A; suport tensiuni ntre colector i emitor (VCE) sau ntre surs i dren (VDS) de maxim 100-200V; n cazul tranzistoarelor bipolare, au un factor de amplificare ntre 40-150; sunt capabile de o putere disipat situat undeva n intervalul 0,5 40W; sunt construite n aa fel nct s poat fi montate pe radiatoare de rcire; au frecvena maxim de lucru sub 5-10MHz.

Tranzistoare de mare putere. Sunt tranzistoare care de regul: suport cureni de colector sau de dren (IC sau ID) de cel puin 2-3 A; suport tensiuni ntre colector i emitor (VCE) sau ntre surs i dren (VDS) de cel puin 50-100V; n cazul tranzistoarelor bipolare, au un factor de amplificare ntre 40-150; sunt construite n aa fel nct s poat fi montate pe radiatoare de rcire; sunt capabile de o putere disipat de cel puin 40-50W; au frecvena maxim de lucru sub 2-3 MHz.

Toate categoriile de tranzistoare menionate pn acum mai sunt cunoscute i sub denumirea de tranzistoare de uz general. Pe lng acestea exist i categorii mai speciale, denumite conform aplicaiilor pentru care au fost optimizate:

Tranzistoare de nalt frecven (sau de radiofrecven). Sunt tranzistoare care au frecvena maxim de lucru de cel puin cteva sute de MHz. Acestea sunt folosite cel mai frecvent n radioelectronic (emitoare radio, amplificatoare radio, convertoare de frecven etc.). Tranzistoare de comutaie (rapid). Sunt tranzistoare care sunt folosite pe post de comutator pornit-oprit, adic n regim de lucru nchis-deschis. n acest scop, aceste tranzistoare sunt optimizate astfel nct trecerea de la regimul nchis la cel deschis (sau invers) s se poat face foarte rapid (n timpi mai mici de cteva sute sau chiar zeci de nanosecunde). Principalele aplicaii ale acestor tipuri de tranzistoare sunt n domeniul circuitelor logice i a surselor de alimentare n comutatie. Tranzistoare audio. Sunt tranzistoare care au o amplificare liniar pe tot domeniul de lucru al tranzistorului. Cu alte cuvinte, n cazul tranzistoarelor audio, indiferent de ct de mari sunt curenii care trec prin ele, se pstreaz foarte bine proporionalitatea dintre mrimea semnalului de intrare (IB sau UPS) i semnalul de ieire (IC sau ID). Dup cum sugereaz i numele, tranzistoarele audio sunt tranzistoare folosite n electronica audio. Tranzistoare de zgomot mic. Teoretic, semnalul de ieire al unui tranzistor ar trebui s asculte doar de semnalul de intrare al acestuia. n realitate ns, din motive care in de tehnologia de fabricaie, peste semnalul de ieire se suprapun i alte semnale dect cele dictate de semnalul de intrare. Aceste semnale parazite sunt numite zgomotul unui tranzistor.

5. Tranzistoare cu efect de cmp (TEC) sau FET (engl. Field Effect Transistor)

5.1 Structur i funcionare

TEC - dispozitiv electronic semiconductor pt. a comanda intensitatea curentului electric dintr-un circuit. - este tranzistor unipolar - n interiorul lui conducia electric este asigurat de un canal semiconductor cu un singur tip de purttori de sarcin: fie electronii, fie golurile.

Se numesc cu efect de cmp - se bazeaz pe controlul efectuat de un cmp electric asupra curentului care trece prin dispozitiv, intensitatea curentului ntre dou terminale este controlat de potenialul cmpului electric generat de un al treilea terminal - deci TEC este un element activ comandat n tensiune.

n principiu un TEC este constituit din dou jonciuni p-n, semiconductorul comun celor dou jonciuni constituind calea de circulaie a curentului (canal), iar prin semiconductorii laterali se controleaz curentul de circulaie (fig.5.1.).

Fig.5.1 Structura tranzistorului cu efect de cmp cu canal n

TEC este un dispozitiv cu trei terminale active, fiind format din urmtoarele domenii : canalul, sursa, drena, poarta i substratul. Canalul regiune semiconductoare a crei conductibilitate poate fi comandat i prin care circul curentul tranzistorului cu efect de cmp. Dup modul de aranjare a jonciunilor canalul - de tip p sau n. Drena (D) regiunea semiconductoare ctre care migreaz purttorii de sarcin majoritari, prin canal. Sursa (S) - regiunea semiconductoare din