1

Cuprins

ARGUMENT ....................................................................................................................... pag. 2 CAP. I. NOIUNI GENERALE DESPRE DIODE.............................................................. pag. 5 CAP.II. CLASIFICAREA DIODELOR................................................................................. pag. 14 CAP.III. TIPURI DE DIODE................................................................................................... pag. 15 CAP.IV. REDRESAREA, CEA MAI RSPNDIT APLICAIE A DIODELOR .......... pag. 20 BIBLIOGRAFIE................................................................................................................... pag. 28 ANEXA 1.............................................................................................................................. pag. 29 ANEXA 2.............................................................................................................................. pag. 30

1

2

ARGUMENT

Lumea modern, dominat de efectele ultimelor descoperiri tehnico-tiinifice, de mobilitatea profesiunilor i a forei de munc, solicit astzi, mai mult ca oricnd, formarea personalitilor rapid adaptabile la noile schimbri, ca posibile s caute soluii originale la problemele din ce n ce mai complexe i mai neprevzute. Evoluia rapid a civilizaiei impune colii contemporane pregtirea generaiilor tinere astfel nct acestea s se poat integra, fr dificulti, n societatea informaional de mine. Automatizarea i cibernetizarea implic tot mai multe procesele intelectuale n prelucrarea i interpretarea datelor oferite de computere intensificnd domeniile concepiei, comenzii, controlului, i organizrii muncii. Tehnologia condiioneaz cercetarea tiinific modern, devenind totodat o component indispensabil a culturii generale. Educaiei i revine, mai mult ca oricnd, un rol decisiv n dezvoltarea social i transformrile calitative ale vieii. Ca urmare, programul de instruire n coal trebuie s fie conceput din perspectiva pedagogiei prospective, tinerii fiind nvai s descopere noi instrumente ale cunoaterii, s pun noi probleme, s gseasc noi soluii. Orizontul de cultur general nu mai este complet fr modulul tehnic i cel tehnologic, care permit absolvenilor nu numai policalificri rapide ci i nelegerea mai profund a sensului marilor invenii i descoperiri, stimulndu-le curiozitatea tiinific, spiritul de cercetare i descoperire. n acest context, electronica este disciplina de nvmnt, creia i revine o responsabilitate deosebit. Extraordinara sa dezvoltare, ptrunderea n toate domeniile de activitate tiinifico- tehnice, industriale i economico-sociale impun pregtirea unei fore de munc, att la nivel mediu ct i la nivel superior, n rezonan cu cerinele actuale ale societii. Istoria electronicii Pe msura ce aplicaiile electronicii se diversific, ncercarea de a-i da o definiie i de a-i marca teritoriul devine din ce n ce mai greu de realizat. S-ar putea spune, totui, c electronica este ansamblul tehnicilor i tiintelor care utilizeaz proprietile electronilor i, n general, anumite particule pentru a primi, trata i transmite date. Istoria acestei discipline este, cu alte cuvinte, indisolubil legat de cea a electronului. Tubul lui Crookes n 1878, pornind de la lucrrile germanului Wilhelm Hittorf, William Crookes a efectuat un experiment n care a utilizat, la nceput, un tub din sticla n care a creat un vid gazos; n aceasta incint a fixat doua plci metalice (electrozi) ntre care a stabilit o diferen de potenial electric. El a constatat n urma acestui experiment c ntre doi electrozi circul un curent electric. n timpul experimentului, Crookes a introdus, la un moment dat, un factor nou si decisiv, care i-a permis s desprind o concluzie important Plasnd tubul ntre polii unui magnet foarte puternic, el a constatat ca raza este deviata de la direcia sa primar. Aceasta sensibilitate la aciunea cmpului magnetic i-a permis fizicianului englez s probeze natura crepuscular a razei studiate. n principiu, aceasta raz, numit catodic, deoarece iese tot timpul din elecronul negativ (catod), este un flux de corpusculi purttori de electricitate negativ, care au fost denumiti "electroni". Efectul Edison Cercetrile pe aceast tem au fost preluate i de ali fizicieni, unul dintre ei fiind americanul 2

3 Thomas Edison, care, n 1879, a realizat prima lamp electric dotat cu filament de carbon. Invenia sa prezenta, ns, inconvenientul c se negrea pe msura ce era folosit. n 1883, atunci cnd a ncercat s afle care este sursa acestei probleme, Edison a remarcat c, n anumite condiii de presiune i voltaj, n interiorul lmpii apare o lumin de culoare albastr. El a desprins concluzia ca problema se datoreaz curentului care circul ntre cele dou fire de alimentare a filamentului de carbon. Acest fenomen, denumit apoi "efectul Edison", nu a primit o explicatie clar dect la nceputul secolului al XX-lea, graie lucrrilor lui Thomson i a unuia dintre discipolii si, Owen Richardson. Primul a demonstrat ca lumina colorat observat n lamp conine aer rarefiat sau un gaz, care apare la trecerea electronilor de la catod la anod (electrodul pozitiv). Richardson a aplicat rezultate obtinute de profesorul su la efectul Edison i a stabilit c electronii sunt emii de filamentul incandescent. n 1903, el a dezvoltat o teorie pe baza acestui fenomen fizic pn atunci necunoscut, pe care a denumit-o "emisia termoionic a electronilor de ctre metale". Descoperirea electronului n 1897, savantul britanic Joseph Thomson a reuit, dup mai multi ani de studiu, s furnizeze dovada ca, n condiii speciale, atomul emite particule mult mai mici dect el (pna la acea dat atomul a fost considerat cea mai mica parte a materiei). nainte de a descrie cu exactitate aceste particule, Thomson le-a determinat anumite caracteristici fizice i a folosit pentru prima dat termenul de "electron" pentru a le identifica. Pornind de la aceste remarcabile rezultate, fizicienii au elaborat o teorie, numit electronic, a materiei. Conform acesteia, atomii sunt constituii din dou tipuri de particule: electronul (sarcina electric negativ) i protonul (ncrcat pozitiv). Au urmat apoi mai multe ncercari de reprezentare a atomului, dar singurul care a reuit s-i impun teoria a fost, ceva mai trziu ins, Niels Bohr. Dioda lui Fleming n 1904, cercetrile suscitate de tehnica telefoniei fr fir au permis realizarea primului dispozitiv electronic: dioda. n acea epoca, receptarea undelor, purtatoare de mesaje sonore, necesit o operaiune delicat analog filtrrii. Provenite de la statia receptoare, aceste unde prezentau un curent electric alternativ care nu avea nici o utilitate practic; nainte de a asigura funcionarea corecta a receptorului era necesar, deci, transformarea sa n curent continuu, ceea ce nseamn ca trecerea curentului alternativ nu trebuia permis dect ntr-un sens. Ideea de a utiliza efectul Edison pentru redresarea curentului alternativ i-a venit britanicului John Fleming. El a plasat doua plci metalice n interiorul unei lmpii vide de gaz: una (catodul) era negativ din punct de vedere electric n raport cu cealalt (anodul). nclzit, cu ajutorul unei baterii anexe, catodul a constituit o surs de electroni, care, purttori ai unei sarcini electrice negative, erau atrai de anod, unde erau strnsi i unde deplasarea lor producea un curent electric continuu. Migrarea lor nu avea loc dect de la catod spre anod. n aceste condiii, lampa nu funciona dect atunci cnd tensiunea din anod era superioar celei din catod, comportndu-se ca un redresor vis-a-vis de curentul alternativ: l las s treaca atunci cnd potenialul era pozitiv i l oprea atunci cnd era negativ. Acest tip de lamp a cptat denumirea de "dioda". Trioda n anul 1907, americanul Lee De Forest i-a ndreptat atenia asupra unui detector de semnale radiotelegrafice ceva mai perfecionat dect dioda. n cadrul experimentelor sale, americanul a avut ideea de introduce ntre cele dou plci de metal un al treilea electrod, n forma de gril, i a constatat c poate aciona asupra curentului ce traverseaz dioda variind tensiunea aplicat aceste grile. Aceasta metoda de control a curentului cu ajutorul unei grile s-a dovedit mai eficace i mai sensibil dect cldura variabil impusa de Fleming catodului. Invenia lui De Forest, un element fundamental al electronicii moderne, a cptat denumirea de "triod". Modelul atomic al lui Bohr Conform danezului Bohr, atomul se compune dintr-un nucleu central, n jurul cruia se deplaseaz electronii, animai de o micare comparabil cu cea a planetelor n jurul Soarelui. Nucleul conine protoni i, cum a demonstrat britanicul James Chadwick n 1932, neutroni (particule neutre din punct de vedere electric). Bohr a insistat foarte mult asupra rolului extrem de important al electronilor cei mai externi, care determin reactivitatea chimic a unui element. Fiind relativ departe de nucleu, aceti corpusculi negativi sunt supui unor forte electrostatice slabe, putnd, n aceste cazuri, s se sustrag 3

4 acestei atracii i s se deplaseze liber ntre atomi. Circulaia lor, ce constituie curentul electric, st la baz a numeroase fenomene fizice. Realizri contemporane n 1948, cercettorii americani John Barden, Walter Bratain i William Shokley au pus la punct un dispozitiv care a revoluionat electronica i care a substituit tuburile cu vid n foarte multe domenii. Este vorba despre tranzistor, care prezint numeroase avantaje n raport cu tuburile clasice: lipsa curentului pentru nclzire, o slab tensiune de alimentare, dimensiuni reduse. Mai aproape de noi au fost inventate circuitele integrate, care au permis o diminuare drastic a numrului componentelor electronice dintr-un anumit aparat. Pna la descoperirea integratelor, un circuit electronic era format din elemente distincte, fabricate separat, i apoi conectate prin fire imprimate pe un suport izolant. Un circuit integrat, n schimb, era realizat plecndu-se de la un bloc monolitic de semiconductor (germaniu, siliciu etc), n care se puneau toate elementele de baz ale circuitului electronic printr-o simpl adiie de elemente care jucau rolul impuritilor. Acest fapt permitea o extraordinar minimalizare a dimensiunilor materialului folosit. Cu sigurant, descoperirile din domeniul electronicii nu se vor opri la acest stadiu. Fapt care nu poate dect s ne bucure, n condiiile n care aplicaiile lor practice contribuie la mbuntirea vieii, n general. n lucrarea de fa, doresc s prezint dioda semiconductoare.

4

5

CAP.I. NOIUNI GENERALE DESPRE DIODE

Definiia diodei Dioda este un dispozitiv electronic ce permite trecerea curentului doar ntr-o singur direcie. Cea mai folosit diod n circuitele electronice este cea semiconductoare, dei exist i alte tehnologii. Simbolul diodei Simbolul diodelor semiconductoare este prezentat n urmtoarea figur; sgeile indic deplasarea real a electronilor prin diod.

Fig. 1. Simbolul diodei Conectarea n circuit

Fig. 2. Conectarea diodei n circuitul electric simplu

La conectarea ntr-un circuit simplu, format dintr-o baterie i o lamp, dioda fie va permite trecerea curentului spre lamp, fie o va bloca, n funcie de polaritatea tensiunii aplicate. Polarizarea direct Atunci cnd polaritatea bateriei este astfel nct este permis trecerea electronilor prin diod, spunem c dioda este polarizat direct. Polarizarea invers Invers, cnd trecerea electronilor este blocat datorit inversrii bateriei, spunem c dioda este polarizat invers. 5

6 Putem s ne gndim la diod, ca la un ntreruptor: nchis, cnd este polarizat i deschis cnd este polarizat invers. Dioda precum o supap de nchidere (analogie)

Fig. 3. Dioda ca o supap de nchidere

Comportamentul diodei este analog comportamentului dispozitivului hidraulic denumit supap de nchidere. O supap de nchidere permite trecerea fluidului doar ntr-o singur direcie. Supapele de nchidere sunt de fapt dispozitive controlate cu ajutorul presiunii: acestea se deschid i permit trecerea fluidului dac polaritatea presiunii pe suprafa lor este corect. Dac polaritatea presiunii este de sens contrar, diferena de presiune pe suprafaa valvei va duce la nchiderea acesteia, iar curgerea fluidului nu mai este posibil. Acelai lucru este valabil i n cazul diodelor, doar ca n acest caz presiunea este reprezentat de tensiune. Explicaie

Fig. 4. Msurarea tensiunii din circuit

S relum circuitul de mai sus, dar folosind de aceast dat un aparat de msur pentru determinarea cderilor de tensiune pe diferite componente ale circuitului. 6

7 O diod polarizat direct conduce curent i prezint o cdere mic de tensiune la bornele sale, astfel nct majoritatea tensiunii disponibile la bornele sursei de alimentare se regsete pe lamp (sarcin). Dac polaritatea bateriei este inversat, dioda devine polarizat invers, i toat tensiunea disponibil la bornele sursei de alimentare se regsete pe diod, iar cderea de tensiune pe sarcin va fi egal cu zero. Putem considera dioda ca fiind un ntreruptor automat (se nchide cnd este polarizat direct i se deschide cnd este polarizat invers). Singura diferen notabil este cderea de tensiune mult mai mare la bornele diodei (0,7 V), faa de cderea de tensiune pe un ntreruptor mecanic (civa mV). Dioda semiconductoare este un dispozitiv electronic constituit dintr-o jonciune pn prevzut cu contacte metalice la regiunile p i n i introdus ntr-o capsul din sticl, metal, ceramic sau plastic.

Fig. 5. Simbolul diodei Regiunea p a jonciunii constituie anodul diodei, iar jonciunea n , catodul. Dioda semiconductoare se caracterizeaz prin conductivitate unidirecional, ca i dioda cu vid: - n cazul polarizrii n sens direct permite trecerea unui curent mare (curent direct), - n cazul polarizrii n sens invers permite trecerea unui curent mic (curent invers).

Aceast cdere de tensiune de polarizare direct se datoreaz aciunii zonei de golire format de jonciunea P-N sub influena tensiunii aplicate. Dac nu exist nicio tensiune aplicat la bornele diodei semiconductoare, existena zonei de golire nguste n jurul jonciunii P-N previne apariia curentului (figura alturat (a)). Purttorii de sarcin aproape c lipsesc n zona de golire, i prin urmare aceasta se comport precum un izolator.

7

8

Fig. 6. Polarizarea invers a diodei Dac dioda este polarizat invers, zona de golire se extinde i blocheaz i mai bine trecerea curentului prin dispozitiv. Tensiunea de polarizare direct

Fig. 7. Polarizarea direct a diodei

Dac dioda este polarizat direct ns, zona de golire devine mult mai subire (figura alturat (a), polarizare parial), iar rezistena fa de curent scade. Pentru funcionarea corect a diodei ns, zona de golire trebuie s dispar complet. Acest lucru se poate realiza prin aplicarea unei anumite tensiuni minime, denumit tensiune de polarizare direct (figura alturat (b)), care pentru diodele de siliciu este n mod normal 0,7 V, iar pentru cele de germaniu de doar 0,3 V. Cderea de tensiune la bornele diodei rmne aproximativ constant pentru o gam larg de cureni prin diod. Pentru analiza circuitelor electronice simplificate, putem considera cderea de tensiune pe diod ca fiind constant (nu depinde de valoarea curentului prin diod). Ecuaia diodei

8

9 unde, ID = curentul diodei (A) IS = curentul de saturaie (aproximativ 10-12 A) e = constanta lui Euler (2,718) q = sarcina electronului (1,6 10-19 C) VD = tensiunea aplicat la bornele diodei (V) N = factor de idealitate sau coeficient de emisie (ntre 1 i 2) k = constanta lui Boltzmann (1,3810-23) T = temperatura jonciunii (K) Ecuaia exact ce descrie curentul printr-o diod poart numele de ecuaia diodei. Termenul q/KT descrie tensiunea produs n jonciunea P-N datorit aciunii temperaturii, i poart numele de tensiune termic, sau Vt. La temperatura camerei, aceast temperatur este de aproximativ 26 mV. Ecuaia simplificat a diodei

unde, ID = curentul diodei (A) IS = curentul de saturaie (aproximativ 10-12 A) e = constanta lui euler (2,718) VD = tensiunea aplicat la bornele diodei (V) Cunoscnd acest fapt, i considernd factorul de idealitate ca fiind 1, putem simplifica ecuaia de mai sus i s ajungem la urmtoarea relaie. Aceste ecuaii nu trebuie neaprat luat n considerare la analiza circuitelor simple cu diode, ci este menionat aici doar pentru a nelege faptul c exist o variaie a cderii de tensiune la bornele diodei pentru diferite valori ale curenilor prin diod. Aceast variaie este foarte mic, aceasta fiind i motivul pentru care se consider c, la bornele diodei, cderea de tensiune rmne constant la 0,7 (siliciu) sau 0,3 V (germaniu). Totui, unele circuite folosesc n mod intenionat relaia curent/tensiune a jonciunii P-N, i ele pot fi nelese doar n contextul acestei ecuaii. De asemenea, din moment ce temperatura este un factor n ecuaia diodei, o jonciune P-N polarizat direct poate fi folosit ca un dispozitiv de determinare a temperaturii, iar aceast utilizarea poate fi neleas doar dac nelegem n primul rnd ecuaia diodei de mai sus. Curentul invers Dei o diod polarizat invers, nu permite curentului s treac prin ea datorit extinderii zonei de golire, n realitate exist un mic curent de scurgere ce trece prin diod chiar i la polarizarea invers, 9

10 iar acest curent poart numele de curent invers. Curentul invers poate fi ns ignorat pentru majoritatea aplicaiilor. Tensiunea de strpungere Dioda nu poate suporta o tensiune de polarizare invers infinit de mare. Dac aceast tensiune devine prea mare, dioda va fi distrus datorit unei condiii denumit strpungere. Aceast tensiune invers maxim poart numele de tensiune de strpungere (invers), notat cu Vs. Tensiunea de strpungerea crete odat cu creterea temperaturii i scade cu scderea temperaturii - exact invers fa de tensiunea de polarizare direct. Variaia curent-tensiune a diodei

Fig. 8. Graficul curent-tensiune al diodei Conectarea diodei la ohmmetru

Fig. 9. Conectarea diodei la ohmmetru

10

11 Din moment ce o diod nu este nimic altceva dect o valv uni-direcional de curent, putem verifica acest lucru folosind un ohmmetru alimentat n curent continuu (cu baterie). La conectarea diodei ntr-o anumit direcie, aparatul de msur ar trebui s indice o rezisten foarte mic (figura de alturat (a)), iar la conectarea invers, aparatul ar trebui s indice o rezisten foarte mare (figura alturat (b)). (OL reprezint o valoarea prea mare ce nu poate fi indicat de aparatul de msur (din engl. Over-Limit); n acest caz, putem considera rezistena ca fiind infinit). Folosirea corect ohmmetrului Desigur, determinarea polaritii diodei (care terminal este anodul i care catodul) necesit ca n primul rnd s cunoatem care din sondele aparatului de msur este cea pozitiv (+) i care sond este cea negativ (-), atunci cnd aparatul este trecut pe funcia . La majoritatea multimetrelor digitale, sonda roie reprezint terminalul pozitiv iar sonda neagr reprezint terminalul negativ, atunci cnd aparatul este setat pe msurarea rezistenelor. Totui, acest lucru nu este valabil pentru toate multimetrele, existnd posibilitatea ca sonda neagr s fie pozitiv (+) i cea roie negativ (-). Neajunsuri Problema folosirii unui ohmmetru pentru verificarea unei diode, este c indicaia afiajului are doar valoare calitativ, nu i cantitativ. Cu alte cuvinte, un ohmmetru poate doar s ne spun dac dioda funcioneaz (dac aceasta conduce curent), dar valoarea rezistenei obinute din msurtoare nu ne este de niciun folos. Dac un ohmmetru indic o valoare de 1,73 la polarizarea direct, aceast valoarea nu este folositoare unui tehnician sau proiectantului circuitului. Aceast valoare nu reprezint nici cderea de tensiune la polarizarea direct i nici rezistena materialului semiconductor din diod, ci este o mrime dependent de ambele cantiti i variaz substanial n funcie de ohmmetrul folosit pentru efectuarea citirii. Utilizarea funciei speciale de verificare diod

Fig. 10. Verificarea diodei 11

12 Din acest motiv, unele multimetre digitale sunt prevzute cu o funcie special de verificare a diodei ce indic tensiunea real de polarizare direct a diodei, n voli, n loc de o rezisten n ohmi. Principiul de funcionare al acestor aparate de msur const n forarea unui curent mic prin diod i msurarea cderii de tensiune dintre cele dou borne ale diodei. Folosirea unui circuit special

Fig. 11. Msurarea tensiunii de polarizare

Totui, valoarea tensiunii de polarizare direct indicat de aceste aparate va fi de obicei mai mic dect valoarea normal de 0,7 V, deoarece curentul furnizat de aparatul de msur prin diod este foarte mic. Dac nu avem la dispoziie un multimetru cu funcie de verificare a diodelor, sau dac vrem s msurm tensiunea de polarizare direct a diodei folosind un curent mai mare, putem realiza un circuit electric precum n figura alturat, folosind o baterie, un rezistor i un voltmetru.

Lista parametrilor Principalele caracteristici ale diodelor, trecute n cataloage, sunt urmtoarele: VRRM - tensiunea invers repetitiv maxim, este tensiunea maxim invers la care poate rezista dioda, atunci cnd aceast tensiune este atins n mod repetat. Ideal, aceast valoare ar fi infinit. VR sau VDC - tensiunea maxim invers de curent continuu, este valoarea maxim a tensiunii la care dioda poate funciona nentrerupt, fr distrugerea acesteia. Ideal, aceast valoare a fi infinit. VF - tensiunea (de polarizare) direct maxim, de obicei este specificat mpreun cu valoarea curentului direct. Ideal, aceast valoare ar fi zero: ideal, dioda nu ar prezenta niciun fel de opoziie n faa deplasrii electronilor. n realitate, tensiunea direct este descris de ecuaia diodei. IF(AV) - valoarea maxim (medie) a curentului direct, valoarea maxim medie a curentului pe care bobina o poate suport la polarizarea direct. Aceast limitarea este practic o limitare termic: ct 12

13 cldur poate suporta jonciunea P-N, avnd n vedere c puterea disipat reprezint produsul dintre curent i tensiune, iar tensiunea de polarizare direct depinde att de curent ct i de temperatura jonciunii. Ideal, aceast valoare ar fi infinit. IFSM sau if(vrf) - curentul de polarizare direct maxim, reprezint curentul de vrf maxim pe care dioda l poate conduce la polarizare direct, fr ca acest curent s duc la distrugerea diodei. Din nou, aceast valoare este limitat de capacitatea termic a jonciunii diodei, i este de obicei mult mai mare dect valoarea curentului mediu datorit ineriei termice. Ideal, aceast valoare ar fi infinit. PD - puterea maxim disipat total, reprezint valoarea puterii (n Watt) pe care dioda o poate disipa fr ca aceast putere s duc la distrugerea diodei. Aceast valoare este limitat de capacitatea termic a diodei. Ideal, aceast valoare ar fi infinit. TJ - temperatura de funcionare a jonciunii, reprezint temperatura maxim admis a jonciunii P-N a diodei, valoare dat de obicei n oC. Cldura reprezint punctul critic al dispozitivelor semiconductoare: acestea trebuie meninute la o temperatur ct mai apropiat de temperatura camerei pentru funcionarea lor corect i o durat de funcionare ct mai lung. TSTG - temperatura de depozitare, reprezint valoarea temperaturii de stocare a diodelor (nepolarizate). R() - rezistena termic, reprezint diferena dintre temperatura jonciunii i temperatura aerului exterior diodei (R()JA), sau dintre jonciune i contacte (R()JL), pentru o anumit putere disipat. Valoarea este exprimat n oC/W. Ideal, aceast valoare ar fi zero, ceea ce ar nseamna c nveliul (carcasa) diodei ar fi un conductor i radiator termic perfect, fiind capabil s transfere energie sub form de cldur dinspre jonciune spre mediul exterior (sau spre contacte) fr nicio diferen de temperatur existent n grosimea carcasei. O rezisten termic ridicat se traduce prin faptul c dioda va stoca o temperatur excesiv n jurul jonciunii (punctul critic), n ciuda eforturilor susinute de rcire a mediului exterior diodei; acest lucru duce la limitarea puterii maxime disipate. IR - curentul maxim de polarizare invers, reprezint valoarea curentului prin diod la polarizarea invers i aplicarea tensiunii de polarizare invers maxim de curent continuu(VDC). Mai este cunoscut i sub numele de curent de scpri. Ideal, aceast valoare ar fi zero, deoarece o diod perfect ar bloca toi curenii atunci cnd este polarizat invers. n realitate, aceast valoarea este mic n comparaie cu valoarea curentului maxim de polarizare direct. CJ - capacitatea tipic a jonciunii, reprezint capacitatea intrinsec jonciunii, datorit comportrii zonei de golire precum un dielectric ntre anod i catod. Aceast valoare este de obicei foarte mic, de ordinul picofarazilor (pF). trr - timpul de revenire invers, reprezint durata de timp necesar stingerii diodei atunci cnd tensiunea la bornele sale alterneaz ntre polarizare direct i polarizare invers. Ideal, aceast valoare ar fi zero: dioda se stinge imediat dup inversarea polaritii. Pentru o diod redresoare tipic, timpul de revenire este de ordinul zecilor de microsecunde (ms); pentru o diod de comutaie rapid, acest timp poate ajunge la doar cteva nanosecunde (ns).

13

14

CAP.II. CLASIFICAREA DIODELORClasificarea diodelor semiconductoare se poate face dup tehnologia de fabricaie i dup domeniul de aplicaie. n Tabelul 1.1 (vezi Anexa nr.1) se prezint clasificarea diodelor semiconductoare dup procesul tehnologic de realizare. n Tabelul 1.2 (vezi Anexa nr.2) se propune o clasificare a diodelor semiconductoare dup funciile pe care acestea le ndeplinesc n circuitele electronice.

Caracteristici principale ale diodelor semiconductoareCaracteristica direct. Curentul este egal cu zero, pn la o anumit valoare numit tensiune de prag, de la care crete rapid cu creterea tensiunii U; valori tipice pentru tensiunea de prag sunt cuprinse ntre limitele 0,2 0,3 V pentru diode cu germaniu i 0,6 0,7 pentru diode cu siliciu. Caracteristica invers. La polarizare invers, diodele semiconductoare sunt parcurse de cureni foarte mici (de ordinul microamperilor sau nanoamperilor). La creterea tensiunii inverse aplicate diodei; peste aceast valoare, chiar la variaii mici ale tensiunii inverse aplicate diodei, curentul (invers) crete rapid. Dac aceast cretere a curentului invers nu este evitat sau limitat, dioda se poate distruge. Tensiunea la care apare acest fenomen se numete tensiune de strpungere. Caracteristica invers a diodelor semiconductoare este puternic dependent de temperatur. Puterea de disipaie maxim. La utilizarea diodelor semiconductoare este necesar s se in seama de dou limitri importante: curentul direct maxim i tensiunea invers maxim; depirea acestor mrimi poate produce distrugerea diodei. Puterea maxim de disipaie Pdmax este determinat prin produsul: i u Pd max , relaie care este reprezentat grafic n figura 1.2 unde limitele de funcionare fr pericol ale unei diode semiconductoare sunt haurate. n relaia de mai sus i i u reprezint curentul care trece prin diod respectiv tensiunea la bornele ei la un moment dat n planul i-u.

Fig. 12. Hiperbola de disipaie pentru o diod semiconductoare

14

15

CAP.III. TIPURI DE DIODEIII.1. Dioda redresoareDiodele redresoare se construiesc de obicei din trei straturi: un strat p+ cu concentraie mare de impuriti acceptoare, un strat s cu concentraie foarte mic de impuriti avnd o rezistivitate = 30...300 cm i un strat n+ cu concentraie mare de impuriti donoare. Jonciunea apare la contactul cu stratul n+ dac s este de tip p i la contactul p+ dac s este de tipul n. Tensiunea de strpungere ridicat este asigurat de regiunea s care la aplicarea unei tensiuni inverse se golete de purttorii de sarcin mobili i devine o regiune de sarcin spaial. n conducia direct dioda prezint o rezisten ohmic de valoare mic datorit faptului c regiunea s este saturat de purttorii de sarcin injectai din regiunea n+ sau p+.

p+ s n+ Fig. 13. Structura unei diode redresoare Acest tip de diod poate fi realizat prin aliere, difuzie sau epitaxie. n cazul diodei cu germaniu aliat regiunea p+ se realizeaz cu indiu, iar regiunea n+ cu un aliaj staniu-stibiu. Pentru diodele cu siliciu aliate, regiunea p+ se realizeaz cu aluminiu, iar regiunea n+ cu un aliaj aur-stibiu.

Fig. 14. Dioda redresoare

III.2. Dioda ZenerEste o diod stabilizatoare de tensiune. Funcionarea ei se bazeaz pe proprietatea jonciunii p-n de a avea n regiunea de strpungere o tensiune la borne constant, ntr-o gam larg de variaie a curentului invers. Dioda funcioneaz ntr-un regim de strpungere controlat, n care att curentul, ct si puterea disipat sunt meninute la valori pe care dioda le poate suporta n regim permanent, fr sa se distrug. 15

16 Dioda zener este construit din siliciu : -cnd este polarizat direct (+ pe anod si pe catod) funcioneaz ca o diod cu jonciune. -cnd este polarizat invers (- pe anod si + pe catod) funcioneaz n regim de strpungere.

Fig. 15. Semnul convenional al diodei Zener Funcionarea diodei zener este caracteristic urmtoarelor mrimi: 1) Tensiunea de stabilizare ( este tensiunea la care apare regimul de strpungere; poate avea valori ntre 4-200 V) 2) Rezistena dinamic (este rezistena intern a diodei n regiunea de strpungere) Rd = DU/DI - cu ct rezistena dinamic este mai mic cu att tensiunea diodei este mai mic. 3) Curentul invers maxim (este valoare maxim a curentului pe care o poate suporta diode, fr s se deterioreze) 4) Putere maxim disipat (este produsul dintre tensiunea de strpungere i curentul invers maxim; are valori cuprinse ntre 0,2-50 W) 5)Coeficientul de temperatur a tensiunii de stabilizare, care reprezint variaia tensiunii de stabilizare pentru o variaie a temperaturii de 1grad C - acest coeficient este negativ pentru tensiunea la bornele diodei, adic Uz mai mic de 6V i pozitiv pentru tensiuni mai mari de 6V.

III.3. Dioda tunelAre o concentraie mare de impuriti, ducnd la micorarea ltimii regiunii de trecere pna la (10la-2 microni). Datorit acestei limi mici a barierei de potenial; apare un fenomen numit efectul tunel. Datorit acestui efect electronii pot nvinge bariera de potential chiar dac lipsete energia suplimentar. Tot datorit acestui effect, apare curentul tunel, care se suprapune peste curentul normal al unei jonctiuni p-n modificnd caracteristica curent-tensiune, caracteristica ce se deosebete de cea a unei diode semiconductoare prin urmtoarele: - n regiunea de polarizare invers dependena curent-tensiune este liniar, deci dioda nu prezint conducte unilateral; - n regiunea polarizrii directe, pentru valori mici ale tensiunii, caracteristica are forma de N. Aceasta caracteristic arat, ca pe o anumit poriune la creteri ale tensiunii corespund micri ale curentului. n acest domeniu dioda prezint o rezisten negativ, care de obicei este de valoarea zecilor de ohmi. Pentru o bun funcionare este de dorit, ca raportul dintre curentul maxim i curentul minim s fie ct mai mare. Dac se folosete material semiconductor, arseniura de galiu acest raport depasete valoare 15. Dioda tunel lucreaz la puteri mici de ordinul watilor. Caracteristica diodei nu depinde de variaiile de temperatur de aceea ea poate lucra la frecvene 16

17 foarte nalte de ordinul 10 la a 4 MHz.

Fig. 16. Semnul convenional al diodei tunel Datorita caracteristicii n N i a funcionrii la frecvente, aceasta diod este folosit la realizarea urmtoarelor circuite: - amplificatoare de frecvente foarte nalte; - oscilatoare de frecvene foarte nalte; - circuite basculante monostabile, bistabile i astabile. Dezavantajul diodei tunel este c are numai dou borne i deci nu se poate face separarea ntre circuitul de intrare i cel de iesire.

III.4. Dioda VaricapSunt diode cu jonciune , care funcioneaz n regim de polarizare invers pna la valoarea de strpungere . Aceste diode utilizeaz proprietatea jonciunii p-n de a se comporta ca o capacitate ce depinde de tensiunea continu de polarizare invers (acesta este capacitatea de barier). Aceasta posibilitate de a varia o capacitate ntr-un circuit prin varierea unei surse de polarizare este necesar n circuitele de schimbare a frecvenei: circuitele de reglaj automat al frecvenei, precum i modulaia frecvenei. Diodele varicap au capaciti de ordinul pF sau zecilor de pF i se construiesc din siliciu pentru a avea o rezistent intern mai mare n polarizarea invers. n acest fel, ele pot fi asimilate cu un condensator cu pierderi neglijabile.

Fig. 17. Semnul convenional al diodei Varicap

III.5. Dioda cu contact punctiformEste folosit pentru frecvene nalte. Este alctuit din urmtoarele componente: - o capsul de sticl strbtut de 2 electrozi metalici. La captul unui electrod se gsete un monocristal de germaniu (semiconductor de tip n). Cellalt electrod se continu cu un conductor de wolfram, care vine n contact cu monocristalul. Dac se trece un impuls de curent scurt, dar puternic la contactul dintre conductori i monocristal n interiorul acestuia din urm se formeaz o regiune de tip p . Apare astfel o jonciune de tip p-n de suprafa foarte mic, cu o capacitate foarte mic ( < 1pF ) Datorita acestei jonciuni, dioda funcioneaz la frecvene foarte nalte. Acest tip de diod poate fi folosit ca detector, schimbtor de frecven sau ca diod de comutaie. 17

18

Fig. 18. Structura unei diode cu contact punctiform: 1-capsula de sticla; 2-electrozi metalici; 3-semiconductor de tip N; 4-conductor subtire de Wolfram

Fig. 19. Semn convenional

III.6. FotodiodaSunt astfel construite, nct lumina s ptrund n dreptul jonciunii. Radiaia luminoas, ajungnd n dreptul jonciunii, genereaz purttori excedentari de sarcin, care se vor deplasa sub aciunea cmpului electric creat de tensiunea aplicat diodei. Fotodiod cu contact punctiform: 1 pastil de germaniu; 2 lentil; 3 izolator; 4 fir de tungsten; 5 carcasa diodei (catod); 6 terminal anod.

Fig. 20. Construcia fotodiodei

III.7. Dioida luminoasCunoscute n literatura de specialitate sub denumirea de LED-uri (LIGHT EMITTING DIODES), diodele luminoase au proprietatea de a emite lumin la trecerea curentului prin ele. Principiul de funcionare se bazeaz pe faptul c n anumite materiale semiconductoare (ex. arseniura de galiu) energia care se degaj n urma procesului de recombinare electron-gol poate fi emis sub forma de lumin. Diodele luminoase intr n compunerea caracterelor luminoase (cifre, litere, semne) folosite pentru afiarea informaiilor (ex. n aparatele electronice cu citire numeric) Folosirea diodelor luminoase mpreun cu un dispozitiv fotosensibil creeaz un cuplaj optic ntre dou circuite perfect izolate din punct de vedere electric, folosit n realizarea circuitelor optoelectronice. 18

19

Fig. 21. Dioda de tip LED

Fig. 22. Dioda LED - semn convenional

19

20

CAP.IV. REDRESAREA, CEA MAI RSPNDIT APLICAIE A DIODELOR

Definiia redresrii Cea mai popular aplicaia e diodelor este redresarea. Pe scurt, redresarea reprezint transformarea curentului alternativ n curent continuu. Acest lucru implic folosirea unui dispozitiv ce permite trecerea electronilor doar ntr-o singur direcie, iar dioda realizeaz ntocmai acest lucru. Redresorul mono-alternan

Fig. 23. Redresor monoalternan

Cel mai simplu circuit de redresare l reprezint redresorul mono-alternan. Acesta permite trecerea doar a unei jumti a formei de und de curent alternativ dinspre surs, nspre sarcin. Neajunsuri Pentru majoritatea aplicaiilor de putere ns, redresarea mono-alternan nu este suficient. Coninutul armonic al undei de ieire este foarte mare i prin urmare dificil de filtrat. Mai mult, sursa de tensiune alternativ este vzut de sarcin doar odat la fiecare jumtate de perioad, ceea ce nseamn, c mare parte din capacitatea sursei nu este folosit. Utilizare

Fig. 24. Utilizarea redresorului monoalternan

20

21 Redresarea mono-alternan este totui o modalitatea foarte uoar de reducere a puterii generate pe o sarcin rezistiv. Unele comutatoare cu rezisten reglabil folosite la lmpi, aplic ntreaga tensiune de curent continuu pe filamentul lmpii n poziia maxim, i doar o jumtate (folosind un redresor mono-alternan) din tensiunea maxim disponibil pe cealalt poziie, pentru o intensitate luminoas mai sczut. Cnd ntreruptorul este n poziie mediu, lampa incandescent primete aproximativ jumtate din puterea disponibil la sursa de curent alternativ. Datorit faptului c forma de und mono-alternan pulseaz mult mai rapid, dect timpul necesar pentru nclzirea i rcirea filamentului, lampa nu clipete, ci, filamentul ei pur i simplu opereaz la o temperatur mai mic dect temperatura normal de funcionare. Redresor dubl-alternan cu punct median Pentru redresarea i folosirea ambelor alternane a undelor sinusoidale, avem nevoie de o alt configuraie a circuitului redresor, i anume, un redresor dubl-alternan.

Fig. 25. Schem de montaj cu redresor dubl-alternan Una dintre posibiliti este realizarea redresorului cu punct median, folosind un transformator cu priz median pe nfurarea secundar i dou diode. Putem nelege mult mai bine funcionarea acestui redresor dac lum pe rnd fiecare jumtate de perioad (semi-perioad). Prima semi-perioad

Fig. 26. Prima perioad n funcionare

21

22 S considerm de exemplu prima jumtate a perioadei, cnd polaritatea tensiunii de alimentare este pozitiv (+) sus i negativ (-) jos. n aceast situaie, doar dioda de sus va conduce, iar dioda de jos este blocat. Sarcina vede prima jumtate a formei de und sinusoidale, pozitiv sus i negativ jos. Doar partea de sus a nfurrii secundare a transformatorului conduce curent n acest caz. A doua semi-perioad

Fig. 27. A doua perioad n funcionare

n a doua parte a perioadei, polaritatea tensiunii alternative se inverseaz. n acest caz, cealalt diod, cea de jos, i cealalt jumtate a secundarului transformatorului, vor conduce curent, iar celelalte poriuni ale circuitului ce au fost active la pasul precedent, nu vor conduce curent. Sarcina vede i n acest caz o jumtate de form de und sinusoidal, de aceeai polaritate ca i n cazul precedent: pozitiv n partea de sus i negativ n partea de jos. Redresor dubl-alternan cu polaritate dubl

Fig. 28. Redresor dubl-alternan cu polaritate dubl

Polaritatea sarcinii poate fi inversat prin inversarea direciilor diodelor. Mai mult, diodele inversate pot fi conectate n paralel cu configuraia pozitiv deja existent. Rezultatul este un redresor dubl-alternan cu polaritate dubl. Modul de conectare al diodelor este acelai ca i la redresorul n punte.

22

23 Dezavantaje Un mare dezavantaj al acestei configuraii este necesitatea folosirii unui transformator cu priz median pe nfurarea secundar. Dac circuitul n cauz este un circuit de putere mare, mrimea i costul unui astfel de transformator pot fi suficient de mari. Prin urmare, redresorul dublu alternana cu punct median este folosit doar n aplicaiile de putere mic. Redresor dubl-alternan n punte (punte redresoare)

Fig. 29. Redresor dubl-alternan n punte

Probabil c cel mai popular redresor este cel dubl-alternan n punte. Aceste utilizeaz patru diode conectate n punte. Semi-perioadele pozitive

Fig. 30. Funcionarea redresorului n punte

Direcia curentului pentru semi-perioadele pozitive este prezentat n figura alturat.

23

24 Semi-perioadele negative

Fig. 31. Funcionarea redresorului n punte a doua perioad

Direcia curentului pentru semi-perioadele negative este prezentat n figura alturat. Avantaje i dezavantaje Indiferent de polaritatea intrrii, curentul prin sarcin are aceeai direcie de curgere. Cu alte cuvinte, o semi-perioad negativ la surs este o semi-perioad pozitiv pe sarcin. Curgerea curentului are loc prin dou diode serie, pentru ambele polariti. Astfel, cderea de tensiune pierdut dinspre surs spre sarcin datorit diodelor este dubl (0,7 2 = 1,4 V pentru Si) faa de redresorul dub alternan cu punct median. Acest dezavantaj reprezint ns o problem doar pentru sursele cu o tensiune de alimentarea foarte sczut. Reprezentarea echivalent

Fig. 32. Prezentarea funcionrii

Modul corect de aezare n punte al diodelor poate prezenta pentru nceptori unele dificulti. O reprezentare alternativa, dar echivalent, a acestui circuit este mult mai uor de inut minte i de neles. Este exact acelai circuit, doar c toate diodele sunt poziionate orizontal, i toate indic n aceeai direcie.

24

25 Configuraie trifazat

Fig. 33. Redresor trifazat

Un avantaj al acestei notaii este c poate fi uor aplicat unei versiuni trifazate a redresorului. Configuraie polifazat

Fig. 34. Redresor polifazat

...sau oricrei configuraii polifazate.

25

26 Forma de und a tensiunii redresate

Fig. 34. Forme de unde nainte i dup redresare

n cazul redresrii unui circuit de curent alternativ polifazat, suprapunerea pulsurilor defazate produce o tensiune de curent continuu mult mai neted (cu un coninut mai mic de curent alternativ) dect cea produs prin redresarea unei singure faze de curent alternativ. Acesta este un avantaj important n circuitele redresoare de putere, unde doar mrimea fizic a componentelor necesare pentru realizarea filtrrii ar impune unele limite. Tensiunea de pulsaie Indiferent de tipul redresrii - monofazat sau polifazat - cantitatea de tensiune alternativ suprapus peste tensiunea de curent continuu la ieirea redresorului, poart numele de tensiune de pulsaie, sau simplupulsaie. n majoritatea cazurilor, din moment ce la ieire dorim o tensiune de curent continuu pur, pulsaia reprezint o tensiune nedorit. Dac puterile implicate nu sunt foarte mari, se pot folosi reele de filtrare pentru reducerea cu succes a acestui efect. Numrul pulsurilor semnalului redresat Cteodat, metoda rectificrii (redresrii) este descris numrnd pulsurile tensiunii de curent continuu pentru fiecare 360o electrice. Un redresor monofazat, mono-alternan, este prin urmare un redresor cu un puls, deoarece produce un singur puls ntr-o perioad complet (360o) a formei de und alternative. Un redresor monofazat, dubl-alternan (indiferent dac este cu punct median sau n punte), poate fi numit redresor cu dou pulsuri, deoarece produce dou pulsuri de tensiune continu ntr-o perioad a tensiunii de curent alternativ. Un redresor trifazat, dubl-alternan poate fi denumit redresor cu ase pulsuri.

26

27 Dublarea numrului de pulsuri

Fig. 35. Dublarea numrului de pulsuri

Este posibil obinerea unui numru dublu de pulsuri fa de numrul fazelor cu ajutorului unui redresor. Folosind transformatoare, putem conecta n paralel un set de redresoare dubl-alternan n punte astfel nct s rezulte mai mult de 6 pulsuri de tensiune continu pentru cele trei faze ale curentului alternativ. Dac se introduce un defazaj de 30o ntre primarul i secundarul transformatorului trifazat atunci nfurrile nu sunt de acelai tip. Cu alte cuvinte, un transformator n configuraie Y- (stea-triunghi) sau -Y (triunghi-stea), va prezenta acest defazaj de 30o, dar nu i un transformator n configuraie Y-Y sau -. Acest fenomen poate fi exploatat prin utilizarea unui transformator n configuraie Y-Y conectat la un redresor n punte, iar un alt transformator n configuraie Y- conectat la un al doilea redresor n punte; cele dou puni redresoare le conectm apoi n paralel. Din moment de tensiunea de pulsaie dintre cele dou redresoare este defazat cu 30o, tensiunea de pulsaie rezultat prin superpoziia lor va fi mai mic dect tensiunea de pulsaie luat individual pentru cele dou redresoare: 12 pulsuri pentru o perioad (360o) n loc de 6.

27

28

BIBLIOGRAFIE

1. Ceang E., .a.- Electronic industrial, E.D.P. Bucureti, 1981. 2. Ceang E., .a.- ndrumr de laborator pentru electronic, Universitatea din Galai, 1978. 3. Aiordchioaie D., .a. Electronic. ndrumar de laborator,. Universitatea din Galai, 1994. 4. Iliev Mircea, Popa Rustem, Iliev Voichia-Marcela - Dispozitive i circuite electronice partea I-a, Editura Fundaiei Universitare Dunrea de Jos, Galai, 2001. 5. internet6. Bodea M. Circuite integrate liniare

7. Bodea M. Diode i tiristoare de putere 8. Dragulanescu N. Agenda radioelectronistului 9. Manolescu A. M. Realizarea rezistenelor de, precizie in tehnologia straturilor subiri, Automatica i electronica 10. Ctuneanu V.M. Materiale i componente electronice11. Germn S. Zoltn Dispozitive i circuite electronice

12. Ptruescu M. Diodele tunel i utilizarea lor 13. Petru A.D. Diode cu siliciu 14. Rabeja R.I. Diode i tranzistoare 15. Ristea I. Manualul muncitorului electronist 16. Schlett Z. Semiconductoare i aplicaii

28

29

AnexeANEXA NR.1 Clasificarea diodelor semiconductoare n tipuri tehnologice

DIODECU CONTACT PUNCIFORM

MICROALIATE

ALIATE

DIFUZATE

EPITAXIALE

MESA-ALIATE

MESA-DIFUZATE

ALIAT-DIFUZATE

PLANARE

PLANAR-EPITAXIALE

MESA-PLANARE

MESA-PLANAR EPITAXIALE

29

30

ANEXA NR.2 Clasificarea diodelor semiconductoare dup funciile lor n circuite electronice

DIODEDE NALT FRECVEN (pn la300MHz) DE ULTRANALT FRECVEN (pn la300MHz)

REDRESOARE

STABILIZATOARE

VARICAP

FOTODIODE

DE MIC PUTERE IF 0,3A

DE MIC PUTERE Pd 0,3W

DE NALT FRECVEN

DETECTOARE

DETECTOARE

PENTRU SPECTRUL VIZIBIL

DE PUTERE MEDIE IF 10A

DE PUTERE MEDIE Pd 5W

DE ULTRANALT FRECVEN

MIXER

MIXER

SPECIALE

DE PUTERE MARE IF > 10A

DE PUTERE MARE Pd > 5W

COMUTATOARE

COMUTATOARE

30