1 TEODORMIRCEA MAGHIARCLUGREANU CONSTANTINKAROLY STNESCUBONDOR ELECTRONIC INDUSTRIAL EDITURA UNIVERSITII DIN ORADEA 2001 ISBN 973-8219-76-0 2 3 CUPRINS PREFA........................................................................................................8 INTRODUCERE............................................................................................10 1.DISPOZITIVE SEMICONDUCTOARE...............................................13 1.1.Conducia electric la semiconductoare.........................................13 1.2.Procese n jonciunea p-n ...............................................................16 1.3.Diode semiconductoare..................................................................19 1.4.Tranzistoare bipolare......................................................................21 1.5.Caracteristicile i parametrii tranzistoarelor bipolare ....................25 1.6.Tranzistoare cu efect de cmp........................................................28 1.6.1.Tranzistoare cu efect de cmp cu jonciune p-n (TEC-J).......28 1.6.2.Tranzistoare cu efect de cmp cu poart izolat (TEC-MOS)30 1.7.Tiristoare ........................................................................................32 1.8.Caracteristicile funcionale ale tiristoarelor ...................................35 1.9.Circuite integrate............................................................................37 1.10.Dispozitive semiconductoare optoelectronice............................41 2.REDRESOAREDEMICPUTEREPENTRUCURENT MONOFAZAT...............................................................................................44 2.1.Schema bloc a redresorului ............................................................44 2.2.Redresoare monofazate cu sarcin activ.......................................45 2.3.Redresoare monofazate cu sarcin inductiv .................................48 2.4.Filtre pentru redresoare de mic putere..........................................51 2.5.Funcionarea i calculul redresorului cu filtru capacitiv ................53 2.6.Caracteristicile externe ale redresoarelor de mic putere...............57 2.7.Stabilizatoare de tensiune...............................................................58 2.8.Surse de alimentare cu transformarea multipl a energiei .............62 3.CONVERTOARE DE MEDIE I MARE PUTERE.............................64 3.1.Utilizarea convertoarelor n energetic i electrotehnic ...............64 3.2.Redresorul monofazat comandat ....................................................65 3.2.1.Funcionarearedresoruluicomandatmonofazatnsarcin activ (LS = 0).........................................................................................65 3.2.2.Regimuldecurentintermitentlafuncionareansarcin activ-inductiv........................................................................................67 3.2.3.Regimuldecurentfrntreruperelafuncionareansarcin activ-inductiv........................................................................................68 3.2.4.Comutareacurentuluilaredresoarelecomandatemonofazate .............................................................................................69 3.3.Invertorul dependent monofazat.....................................................71 3.4.Redresorul trifazat cu nul ...............................................................76 3.5.Redresorul trifazat n punte............................................................79 3.5.1.Funcionarea redresorului necomandat ..................................79 4 3.5.2.Funcionarea redresorului comandat ......................................82 3.5.3.Procesedecomutaieicaracteristicialeredresoruluitrifazat n punte.......................................................................................83 3.6.Scheme de redresare multifazate....................................................85 3.7.Redresoare reversibile i convertoare directe de frecven............91 3.8.Convertoare reglabile de tensiune alternativ ................................95 3.9.Influena convertoarelor asupra reelei de alimentare....................99 3.9.1.Factorul de putere al convertoarelor.......................................99 3.9.2.Convertoare cu tiristoare cu coeficient sporit de putere.......107 3.9.3.Surse de putere reactiv........................................................113 3.10.Sisteme de comand pentru convertoare cu tiristoare..............117 3.10.1.Funciile i structura sistemelor de comand .......................117 3.10.2.Dispozitive de defazare (DDF) ............................................120 3.10.3.Sisteme de comand multicanal ...........................................128 3.10.4.Sisteme de comand monocanal ..........................................131 3.11.Convertoare autonome .............................................................135 3.11.1.Metode de reglare a tensiunii continue ................................135 3.11.2.Blocuri de comutaie a tiristoarelor monooperaionale........138 3.11.3.Invertoare de tensiune ..........................................................142 3.11.4.Invertoare de curent..............................................................146 3.11.5.Invertoare de rezonan ........................................................151 4.AMPLIFICARE CU TRANZISTOARE .............................................154 4.1.Caracteristica de transfer a etajului de amplificare ......................154 4.2.Regimulderepauslaamplificatorulcutranzistornmontajcu emitor comun............................................................................................156 4.3.Reacia negativ i stabilizarea regimului de repaus....................160 4.4.Schema echivalent i parametrii principali ai etajului amplificator cu tranzistor n montaj emitor comun ......................................................162 4.5.Tipurideconexiuniiderivanululuinamplificatoareledecurent continuu....................................................................................................166 4.6.Amplificatorul diferenial.............................................................168 4.7.Etajul amplificator cu tranzistor n montaj colector comun.........173 4.8.Etajulamplificatorcutranzistorcuefectdecmpnmontajsurscomun...........................................................................................175 4.9.Amplificatorul operaional ...........................................................178 4.10.Amplificatorul operaional neinversor cu reacie.....................180 4.11.Amplificatorul operaional inversor cu reacie.........................183 4.12.Scheme operaionale ................................................................184 4.13.Compensareacurenilordeintrareiatensiuniide deplasare a nulului................................................................................188 4.14.Caracteristiciledefrecvenaleamplificatoareloriautoexcitaia .............................................................................................190 5 4.15.Amplificatoareselectiveigeneratoaredeoscilaiisinusoidale................................................................................................193 4.16.Amplificatoare cuplate capacitiv..............................................194 4.17.Etaje amplificatoare de putere..................................................198 5.CIRCUITE DE IMPULSURI...............................................................204 5.1.Avantajele transmiterii informaiei sub forma impulsurilor ........204 5.2.Regimul de comutaie al tranzistorului ........................................206 5.3.Regimulneliniardefuncionareaamplificatoruluioperaional. Comparatoare ...........................................................................................209 5.4.Circuite RC formatoare de impulsuri ...........................................212 5.4.1.Circuite de difereniere (derivare) ........................................212 5.4.2.Circuite de integrare.............................................................213 5.5.Circuitulbasculantastabil(multivibrator)cuamplificator operaional ................................................................................................214 5.6.Circuitul basculant monostabil cu amplificator operaional ........217 5.7.Generatoare de tensiune liniar variabil (GTLV) ........................219 5.8.Generatoare blocking ...................................................................223 6.ELECTRONICA DIGITAL..............................................................226 6.1.Sistemedenumeraienelectronicadigital.Elementedelogic boolean (binar) i circuite logice ..........................................................226 6.1.1.Sisteme de numeraie ...........................................................226 6.1.2.Operaii i circuite logice elementare...................................229 6.1.3.Alte circuite logice mai des folosite.....................................231 6.1.4.Circuite logice cu mai mult de dou intrri..........................234 6.1.5.Utilizareaporiiinversoarepentrutransformarea circuitelorlogice..................................................................................235 6.2.Utilizareacircuitelorlogicebinarepentruobinereafunciilorlogice .....................................................................................236 6.3.Coduri. Codificare i decodificare ...............................................244 6.3.1.Coduri...................................................................................244 6.3.2.Codificatoare ........................................................................247 6.3.3.Dispozitive de afiare cu apte segmente.............................247 6.3.4.Decodificatoare ....................................................................248 6.3.5.Afioare cu cristale lichide...................................................251 6.4.Circuite basculante utilizate ca circuite logice.............................252 6.4.1.Circuite basculante bistabile (triggeri) .................................252 6.4.2.Utilizarea circuitelor basculante logice ca circuite de memorie260 6.4.3.Comanda circuitelor basculante bistabile.............................261 6.5.Numrtoare.................................................................................263 6.5.1.Numrtoare asincrone.........................................................263 6.5.2.Numrtoare sincrone ..........................................................265 6 6.5.3.Numrtoare inverse ............................................................266 6.5.4.Numrtoare cu autooprire...................................................267 6.6.Registre de deplasare....................................................................268 6.7.Dispozitive aritmetice ..................................................................270 6.7.1.Adunarea binar ...................................................................270 6.7.2.Semisumatoare .....................................................................271 6.7.3.Sumatoare.............................................................................272 6.7.4.Scderea binar; semiscztoare; scztoare .......................273 6.7.5.Utilizarea sumatoarelor pentru scdere................................274 6.7.6.Sumatoare cu aciune succesiv ...........................................275 6.7.7.nmulirea binar ..................................................................276 6.7.8.nmulitoare binare ...............................................................277 6.7.9.Scrierea,adunareaiscdereanumerelorprezentatencod complementar .......................................................................................279 6.8.Dispozitive de memorare .............................................................280 6.8.1.Memorii RAM......................................................................280 6.8.2.Memorii ROM; memorii programabile................................281 6.9.Memorii externe ...........................................................................282 6.10.Calculatoare..............................................................................284 6.10.1.Calculatoare personale .........................................................284 6.10.2.Microprocesoare...................................................................286 6.10.3.Scurt istorie a calculatoarelor electronice...........................293 6.11.Conjugarea instalaiilor numerice i analogice ........................295 7.MSURAREA ELECTRIC A MRIMILOR NEELECTRICE......302 7.1.Convertoare. Amplificatoare........................................................305 7.2.Instalaii de adaptare.....................................................................307 7.3.Aparate de ieire...........................................................................318 7.4.Msurarea amplitudinii ................................................................321 7.5.Elementele circuitelor de msur i perturbaiile.........................323 7.5.1.Adaptarea elementelor circuitelor de msur.......................323 7.5.2.Perturbaiile n circuitele de msur.....................................325 7.6.Scheme rezistive de msur .........................................................331 7.6.1.Scheme de msur cu divizoarede tensiune .......................331 7.6.2.Scheme n punte ...................................................................335 7.6.3.Schema de msur cu elemente sensibile.............................341 7.6.4.Puni cu msurarea deviaiei ................................................343 7.6.5.Msurarearezistenelortraductoarelorcuamplificatoare operaionale ..........................................................................................345 7.6.6.Msurarearezisteneitraductoarelorprinmetodaanalogicn punte cu conversie n frecven............................................................346 7.6.7.Msurarea numeric a rezistenei cu convertor n trepte......346 7.7.Elemente sensibile reactive ..........................................................347 7 7.7.1.Elemente inductive...............................................................347 7.7.2.Elemente sensibile cu transformator ....................................348 7.7.3.Puni de curent alternativ pentru msurarea inductanei ......349 7.7.4.Traductoare capacitive .........................................................350 7.7.5.Scheme de msur cu traductoare capacitive.......................353 7.8.Traductoare active electrodinamice .............................................355 7.9.Elemente sensibile piezoelectrice.................................................357 8.TRANSMITEREA DATELOR ...........................................................359 8.1.Instalaiipentruobinereaimemorarearezultatelormsurtorilor ............................................................................................359 8.2.Msurtori la distan i telemetrie ..............................................362 8.2.1.Instalaii pentru msurtori la distan .................................362 8.2.2.Transmiterea semnalelor n curent constant.........................363 8.2.3.Procedeeanalogicedemsurareladistancutransformarea informaiei de tipul frecven structur .............................................364 8.2.4.Multiplexoare de frecven...................................................366 8.2.5.Multiplexoare n timp...........................................................367 9.PRELUCRAREAELECTRONICAREZULTATELOR MSURTORILOR ...................................................................................373 9.1.Aparate de calcul ..........................................................................373 9.1.1.Aparate de legtur...............................................................373 9.1.2.Aparate funcionale ..............................................................376 9.2.Analiza spectral a semnalelor de msur....................................379 9.3.Analiza de corelaie a semnalelor de msur ...............................381 BIBLIOGRAFIE..........................................................................................384 8 PREFA Aceastlucrareafostconceputdreptsuportalunuicursde ElectronicIndustrial,destinatstudenilorseciilordeinginerieelectric. Cumunastfeldecursesteunuldintrecursurileaplicativealedomeniului electronicii,s-aurmritnprimulrndoprezentareclaraaspectelorlegate de problemele practice i aplicaiile din domeniu, astfel ca acestea s poat fi neleseinsuitenmodulcelmaisimpluposibil.Dinaceastcauz,este posibilca,uneori,rigurozitateaexpuneriislasededorit,daracestlucrua fost fcut n scopul simplificrii ei. Dealtfel,acestcursipropunesseconstituiedreptoexpunerea bazelorelectroniciiindustriale;pentruceicaredorescsaprofundeze domeniul,existnumeroaselucrricareprezintfenomenelentratarealor cea mai riguroas, unele dintre ele fiind indicate n bibliografia de la sfritul lucrrii. Domeniul electronicii industriale este un domeniu foarte vast i el se lrgete pe zi ce trece. Din aceast cauz, este practic imposibil abordarea exhaustiv aproblematiciiacesteidiscipline,motivpentrucare,oricelucrarecare abordeazacestsubiect,ipropunetratareanumaiaanumitoraspecte,n funcie de obiectivele urmrite. n acest sens, lucrarea de fa este structurat porninddelaoprezentaresuccintaaspectelorgeneralelegatede dispozitiveleelectronicesemiconductoareicontinundcuprincipalele domeniideaplicaiiindustrialealeelectronicii:electronicaenergetic, electronica digital, msurarea electric a mrimilor neelectrice. Prin coninutul ei, cartea poate fi util i altor categorii de cititori (studeni ai altor secii inginereti, ingineri, profesori, etc.). ntr-undomeniucaresedezvoltfoarterapid,cumestecelalelectronicii, estepracticimposibilscuprinzintr-olucraregeneralaspectelecelemai modernealeproblematiciistudiate.Estenecesarnscaeasofereo informaieclaribinestructuratprivindaspecteledejacompletlmurite, carespermit,prinextrapolare,abordareacelormainoiproblemeale domeniului.Spermcaceastlucraresatisface,mcarntr-oanumit msur, aceast condiie.9 Celorcarevoraveaprilejulsconsulteaceastlucrareleadresm rugminteadeanesemnala,peadresaediturii,diferiteleaspecteconstatate, observaii, propuneri, etc. Pentru aceasta, le mulumim cu anticipaie. Unuldinscopurileprincipalealestudiuluiteoreticnoricedomeniu decunoatereconstngsireaaceluipunctdevedere,dincareobiectulde studiu se reliefeaz n simplitatea sa extrem. ,,TrebuiesmulumimCreatoruluipentrucafcutUniversulastfel ncttotceestesimplusfieadevratitotceestecomplicatsfiefals. Cutai simplitatea i ndoii-v mereu de ea. Autorii 10 INTRODUCERE Unul din domeniile importante ale tiinei i tehnicii este electronica, ceseocupcustudiulbazelorfizice,cucercetarea,elaborareaiutilizarea aparateloracrorfuncionaresebazeazpedispozitiveelectronice.O caracteristicgeneralaacestordispozitiveconstnfaptulcelesunt elemente neliniare, aceast neliniaritate determinndu-le utilizrile. Electronicaindustrialreprezintaceaparteaelectroniciicarese ocup cu utilizarea n industrie a dispozitivelor electronice de diferite tipuri i cu principiile generale de realizare a schemelor electronice funcionale. Ea se mparte n dou domenii generale i anume: 1.Electronicainformaional,careseocupcustudiulsistemelorde reprezentare, prelucrare, transmitere i recepie a informaiei. Caracteristicaelectroniciiinformaionaleconstncomplexitateai diversitatea problemelor de rezolvat, n viteza mare de lucru i n necesitatea uneinaltesiguranenfuncionare.Eaestenemijlocitlegatdeutilizarea microschemelorintegrate,acrordezvoltareiperfecionaredeterminn mod esenial nivelul de dezvoltare al domeniului n ansamblul su. 2.Electronicaenergeticserefernprincipallatehnicaredresoarelori convertoareloriseocupcutransformareaenergieielectricedintr-o form ntr-alta, avnd n vedere c aproape jumtate din energia electric esteconsumatsubformdecurentcontinuusaudefrecven nestandardizat. Inginerilorenergeticieniielectrotehnitileesteutilpregtirean domeniulelectroniciiindustrialenscopulformulriicorecteacondiiilor tehnicepentruelaborareasoluiilorelectronice,alexploatriicorectea acestora,alproiectriiinstalaiilordetransportenergeticdemareputere,al utilizrii documentaiilor specifice n domeniul electronicii. Electronicasedezvoltcontinuu;rezolvareaproblemelorlocalese poatefacecuajutoruldiferitelorvarianteschematice,carenfinalsunt determinate de analiza economic. Inginerul influeneaz deci prin activitatea sa, asupra politicii tehnice din domeniul su de specializare. Electronicafizicseocupcustudiulfenomeneloriproceselor electronice,legatedemodificareaconcentraieiideplasareaparticulelor ncrcate electric n medii i n condiii diferite. Electronica tehnic se refer laelaborareaiexploatareaaparatelorelectroniceiinstalaiilorcudiferite destinaii. 11 Eficacitateaaparaturiielectroniceestedeterminatderapiditatea, preciziaisensibilitateaelementelorsalecomponente.Cuajutorul dispozitivelorelectronicesepoatetransforma,relativuoricueficien marenmajoritateacazurilor,energiaelectricnceeacepriveteforma acesteia,mrimeaifrecvenacurentuluisautensiunii.Cuajutorul dispozitivelor electronice se poate transforma energia neelectric n electric iinvers.Diverseletraductoareiaparatedemsurpermitmsurarea, nregistrareaireglareacumareprecizieamrimilorneelectrice temperatur, presiune, deformaii elastice, transparen, etc. Procesele de transformare a energiei n aparatele electronice au loc cu marevitez.Acestlucruesteasiguratdeineriamic,cepermiteutilizarea acestora ntr-un domeniu larg de frecven, de la zero pn la sute de GHz. n aceste condiii, se asigur i o sensibilitate mare, care nu poate fi obinut n aparatedealttip.Astfel,cuaparateelectronicedemsursepotmsura cureni de ordinul 1017 A i tensiuni de ordinul 1014 V. Aparateleelectronicepotdetectaerorinexecuiainstrumentelor mecanicedemsurdeordinefoartemici.Microscoapeleelectronice,care potmridemilioanedeori,permitptrundereanstructurileatomice,iar instalaiispecialederadioastronomiesuntutilizatepentrucunoaterea universului.Unrolimportantlocupelectronicainbiologie,pentru studierea proceselor n sistemul activitii superioare nervoase, a problemelor codului genetic, etc. Unadincaracteristicileprogresuluitehnicitiinificeste automatizareairobotizareaactivitilorproductive,pebazatehnicii electronice.Odezvoltareputernicnultimultimpacptatmicroelectronica, domeniulelectroniciicareseocupdemicro-miniaturizareaaparaturii electronice,nscopulreduceriivolumului,greutii,preuluidecost,al creterii fiabilitii, pe baza unui complex de metode. Dezvoltarea electronicii tehniceacunoscuttreietapeimportante:electronicacutuburielectronice, electronicasemiconductorilorimicroelectronica.nanii`70auaprut primelemicroschemeintegratemari,careconinctevamiidecomponente ntr-unsingurcristalsemiconductor,cuposibilitiifuncionalemultiple. Eficiena utilizrii acestor circuite este legat de apariia microprocesoarelor, carereprezintdispozitivecomandateprinprogramare,pentruprelucrarea informaiei numerice i care sunt realizate pe una sau mai multe microscheme integrate mari.Progresulndomeniultehnologieiderealizareacircuitelorintegrate continunnanoelectronic,lacaredimensiunileunuielementseparatdin schema integrat sunt de ordinul nm. Astfel, o plcu de siliciu cu suprafaa de civa milimetri ptrai, permite realizarea a zeci de milioane de elemente, 12 cudimensiunidecirca0,2m.Calculatoareleelectronicesuntprincipalul beneficiar al circuitelor integrate pe scar larg. Domeniilededezvoltareaelectroniciinperspectivaimediatse refer la: schemeintegratepescarfoartelarg(VLSIverylargescale integrated) dispozitive optoelectronice dispozitive bazate pe laseri dispozitive holografice dispozitive criogenice dispozitive pe pelicule magnetice dispozitive acustoelectronice dispozitive bioelectronice Esteutilca,labazastudieriimijloacelortehniceelectronice,sse aezeprincipiulanalizeisoluiilortipice,careselecteazparticularitile caracteristicealeuneianumiteclasetipicedescheme,acordndatenie sensuluifiziciaspectelorteoreticefuncionalealeacestora.Oasemenea metod de studiu are n vedere asimilarea creatoare a materialului. Materialul trebuiedeasemeneastudiatsistematicnsferaschemelorlogice,astfelnct informaia nou s se bazeze pe cea anterioar. Esenialulsereferlanelegereasensuluifizicalproceselorcareau loc n aparatura electronic. Scopul principal al studiului, al colii, const n a nvapestudentslucrezeindependenticreator,srecepionezeactiv informaiaprimit,sparticipelarezolvareaianticipareaproblemelor tematicii.13 1.DISPOZITIVE SEMICONDUCTOARE 1.1.Conducia electric la semiconductoare Semiconductoarelesuntmaterialeacrorrezistivitateelectricse gsetenlimitele103104cmicare,dinpunctdevedereal conductivitiielectrice,ocupopoziieintermediar,ntremetalei dielectrici. Laformareaunuicristal,nivelurileenergeticediscretealeatomilor izolaiselrgesc,prinformareaunorbenziconstituitedinsubniveluri energetice infinit apropiate. n figura 1.1 este prezentat diagrama energetic aunuisemiconductor:bandadevalenV,aretoatenivelurileocupatecu electroni la temperaturade zero absolut. Banda de conducie C reprezint banda electronilor liberi, pe nivelurile energetice ale creia pot s se transfere electroniiprinexcitare.BandainterzisI,delrgimeW,esteaceeacu valorialeenergieipecareelectroniinulepotavea.Semnificaiazonei interzise se refer la faptul c transferul electronului n banda de conducie se poate face numai dac acestuia i se transmite o energie mai mare dect W. Fig. 1. 1 Diagrama energetic i procesele de formare a purttorilor de sarcin liberi n semiconductorul pur (a), de tip n (b) i de tip p (c) 14 Metalelesecaracterizeazprinfaptulcbandainterzislipsete, benziledevalenideconduciefiindnvecinate.Caurmare,electroniide valenpottrecenstrienergeticesuperioare,adicnstaredeconducie, fr a avea nevoie practic de energie. Astfel, numrul de electroni liberi este marelametale;aceastsituaieexplicnivelulnaltdeconductivitate electricitermic.Lamaterialeleizolatoare,limeabenziiinterziseeste mare(W>3eV),ceeacefacecaelectroniideconduciesfiepractic abseni.Lasemiconductoareleutilizatefrecventnprezent,limeabenzii interziseestede0,72eVlagermaniuide1,12eVlasiliciu.Acestease gsescngrupaaIV-aasistemuluiperiodicalelementeloriaucte4 electronidevalen.nfigura1.1,legturacovalentdintreatomiireelei cristaline a acestor semiconductoare este marcat cu 2 linii.Pentrucbandainterzislaacestesemiconductoareesterelativ ngust,uniidintreelectronipotobine,chiarlatemperaturamediului ambiant (T 300 K), energie suficient pentru a traversa banda interzis i a trece n banda de conducie. n acest caz, n banda de valen apare un nivel energeticneocupatgolul.Astfel,nreeauacristalinseproduceruperea legturii covalente, iar electronii liberi care apar se pot deplasa liber n cristal. Golurile,carereprezintsarcinileelectricepozitivedinnodurilereelei,sunt lipsite de legturile electronice respective. Procesulderefacerealegturilor,datoritdeplasriielectronilor legaidelaunatomalreeleilaaltul,adicnbandadevalen,sepoate reprezenta (nlocui) prin deplasarea n sens invers a golurilor, a cror sarcin estepozitiv.nacestfel,ncristalesteposibildeplasarealibera electronilor i a golurilor. Procesul de formare n cristalul pur a perechilor de electroninbandadeconducieidegolurinbandadevalensenumete generare intrinsec a purttorilor de sarcin electric liberi. nacelaitimp,arelociefectulderecombinareaelectronilorcu golurile,adicntoarcereaelectronuluidinbandadeconducienbandade valeni,nacestfel,dedispariieapurttorilordesarcinelectricliberi. De obicei, recombinarea se produce datorit defectelor din reeaua cristalin, numite centre de recombinare. Durata medie de timp ntre momentele de generare i de recombinare determin timpul de via mediu al purttorilor de sarcin. Concentraia purttorilor de sarcin n semiconductorul pur este egal pentruceledoutipuridepurttori:n =p=ni.Latemperaturamediului ambiant,aceastconcentraieestemic;semiconductorulpurseapropiede dielectrici din punct de vedere al proprietilor electrice. Introducerea unei cantiti infime de impuriti conduce la schimbarea radicalacaracteristicilordeconductibilitateelectric.Proporiade impuritiestedeordinulaunatomdeimpuritatelaunmiliondeatomide 15 semiconductor.Impuritilecaredispundeunelectronsuplimentarde valen,senumescdonoriiaparingrupeiaV-adinsistemulperiodical elementelor.Arseniulifosforulaupestratuldevalencte5electroni.n cazulsemiconductoruluicuimpuritideacesttip,unuldinelectroniide valenaiatomilordeimpuritatedevineliber,pentrucnuparticipla legturacovalentcuatomiinvecinaiaisemiconductorului.Acestui electronicorespunde,pediagramaenergetic,unnivelenergeticlocal, numit nivel energetic donor, dispus n partea superioar a benzii interzise, n apropiereabenziideconducie,icare,latemperaturadezeroabsolut,este complet.Atomiideimpuritate,prinnclzireuoarseionizeaz,pentruc electronulcaresegsetepeniveluldonortrecenbandadeconducie, mrind numrul existent de electroni liberi. n acest fel, n reeaua cristalin a semiconductoruluiaparionideimpuriticusarcinpozitivielectroni liberi.Schimbuldeelectronidintreatomiideimpuritateesteimposibil, pentruc,latemperaturaambiant,toiacetiasuntionizai.Ionizarea atomilor de impuriti nu duce astfel la creterea concentraiei golurilor, care aparnumailaruperealegturilordintreatomiisemiconductorului.Datorit acestuifapt,concentraiaelectronilorliberinsemiconductorulcuimpuriti donoareestemaimaredectconcentraiagoluriloriarconductivitatea electricestedeterminatdeelectroni.nacestcazelectroniisuntpurttori majoritari, iar golurile sunt purttori minoritari. Semiconductorul se numete semiconductor de tip n, cu toate c, din punct de vedere electric, el rmne n ansambluneutru,pentrucsarcinasuplimentaraelectronilorliberieste compensat de sarcina ionilor de impuriti. Astfel: nn = pn + Nd undennesteconcentraiapurttorilormajoritari(electroniliberi),pneste concentraiapurttorilorminoritari(goluri)iNdesteconcentraiade impuriti donoare. Pentru c pn este mic, nn Nd. ndomeniultemperaturilordelucru,concentraiannnudepindede temperatur, pentru c toi atomii de impuriti sunt ionizai. n cazul cnd n semiconductor se introduc impuriti de tip acceptor, dingrupaaIII-aasistemuluiperiodicalelementelor(aluminiu,borsau indiu),nbandainterzisapareunnivelenergeticsuplimentar,neocupatla temperaturazeroabsolut,situatnapropiereazoneidevalen,numitnivel energeticacceptor.Atomuldeimpuritatedispunenumaidetreielectronide valen, deci el are tendina de a capta nc un electron, pentru a-i completa octetuliarealizatoatelegturilecovalentecuatomiivecini.Astfel,prin preluarea unui electron, se formeaz un ion negativ de impuritate, iar n locul electronuluicaptat,laatomulcruiai-aaparinut,apareosarcinpozitiv golul. Nivelul energetic acceptor este dispus n apropierea benzii de valen i preiauorelectroniidinaceastband,procesulconducndlaformarea golurilor.Purttoriidesarcinelectricliberimajoritarisuntnacestcaz 16 golurile,iarpurttoriiminoritarisuntelectronii.Sarcinasuplimentara goluriloresteechilibratdesarcinaionilornegativi,astfelnctsemenine neutralitateasemiconductorului.Semiconductorulcuimpuritidetipul acceptor se numete semiconductor de tip p, iar: pp = np + Na Na unde Na este concentraia impuritilor acceptoare.Conductivitatea electric a semiconductorului este egal cu: = enn + epp unde:eestesarcinaelectricelementar,nipsuntconcentraiile electronilor,respectivgolurilorinipsuntmobilitileelectronilor, respectiv golurilor. Mobilitateapurttoriloresteomrimenumericegalcuraportul dintrevitezamediedemicaredirijat(vitezadedrift)apurttorilorde sarcin i intensitatea cmpului electric. La semiconductorul de tip n, nn >> pn i, din aceast cauz, n = ennn. La semiconductorul de tip p, pp >> np i, deci p = enpp. Princretereatemperaturii,semreteamplitudineaoscilaiilor termicealereeleicristaline,dincarecauzsemicoreazmobilitatea purttorilordesarcin.Deoarececoncentraiapurttorilormajoritarila semiconductoriicuimpuritiesteconstantlatemperaturileobinuitede lucru,conductivitatealorelectricscadelentprincretereatemperaturii, pentru c se micoreaz mobilitatea. 1.2.Procese n jonciunea p-n ndispozitivelesemiconductoareseutilizeazcristale semiconductoare cu dou sau mai multe straturi care se deosebesc prin natura tipului de conducie (n sau p). De obicei, la structura cu dou straturi de tip n idetipp,concentraiaimpuritiloresteasimetricnstraturi,adicNa >> Nd sauNd >>Na.Caurmare,unuldinstraturiareconcentraiamaimarea purttorilormajoritarii,caurmareiconductivitateaelectricmaimare.n figura1.2esteprezentatschematicstructuracudoustraturi,ncareNa >> Nd, pp >> nn. Zonasemiconductoruluidispusnapropiereasuprafeeideseparare dintrestraturilepin,ncarearelocoschimbarebruscdeconducie,se numete jonciune p-n. nabsenaunuicmpelectricexterior,njonciuneap-n,datorit difereneideconcentraieapurttorilormajoritarinstraturilepin,se produceprocesuldedifuzieprinjonciune apurttorilordesarcindin zona cuconcentraiesuperioarnzonacuconcentraieinferioar.Purttorii majoritaridinzonap,adicgolurile,vordifuzanzonan,iarpurttorii 17 majoritaridinzonan,adicelectronii,vordifuzanzonap.Curentulde difuzie prin jonciune va fi egal cu: Id = Idif-p + Idif-n Idif-p, pentru c pp >> nn. Datorit forelor de difuzie, purttorii de sarcin majoritari trec dintr-o zonnaltaiserecombincupurttoriimajoritaridincealaltzon.Prin plecareapurttorilormajoritaridintr-ozonirecombinareaacestoran cealalt,n apropiereasuprafeeidesepararedintrezonan izonapapareo zonsrcitnpurttorimajoritari,carearedeciorezistenmare, constituind astfel un strat de baraj (de blocare). n acest strat de baraj se stric echilibruldintresarcinilepozitiveinegative,datoritfaptuluic,prin micorareaconcentraieipurttorilorliberi,sarcinadevolumaionilorde impuritistabili(negativinzonapipozitivinzonan)devine necompensat.AceststratelectricdubluproduceuncmpelectricE0,care provoacapariiapecurbadedistribuieapotenialuluidinsemiconductora unei bariere de potenial, 0. Cmpul electric care apare n interiorul stratului debarajprovoacdeplasareadirijatapurttorilorprinjonciune(curentde drift),nsensinversfadecomponentadedifuzieacurentuluiprin jonciune. Curentul de drift prin jonciune este egal cu Idr = Idr-p + Idr-n. Difuziapurttorilorconducelacretereacmpuluielectricia barierei de potenial, ceea ce provoac creterea curentului de drift. Creterea stratului electric dublu nceteaz atunci cnd curentul nsumat prin jonciune se anuleaz, adic atunci cnd Idif = Idr. Regimulstabilizatcorespundestriideechilibruajonciuniip-nn lipsa unui cmp electric extern. n acest caz, curentul prin jonciune devine: Ia = Idif Idr = Idif-p + Idif-n Idr-p Idr-n = 0(1. 1) Lrgimeastratuluidebarajnzonelepindepindedeconcentraia ionilordeimpuritidinacestestraturiiestecuattmaimiccuct Fig. 1. 2 Jonciunea p-n n lipsa cmpului electric exterior (a), la aplicarea unei tensiuni directe (b) i respectiv inverse (c) 18 concentraiaestemaimare.DacNa >>Nd,jonciuneasecompunedintr-un strat electric stabil, a crui lime n zona n este mai mare (figura 1.2.a). Dacpejonciuneap-nseaplicotensiuneUadirect(figura1.2.b), adicplusulpezonapiminusulpezonan,ntreagatensiuneseaplicpe stratuldebaraj,carearerezistenmare.Sensurilecmpurilorelectrice, exteriorEaiinteriorE0suntopuse,cmpulelectricrezultantnstratulde baraj se micoreaz i bariera de potenial devine egal cu = 0 Ua. Din aceast cauz, se mrete componenta de difuzie a curentului Idif prin jonciune, pentru c o cantitate mai mare de purttori de sarcin care au energie suficient pot depi bariera de potenial. Componentadedriftacurentuluinusemodificns,pentrucea estedeterminatnumaidecantitateapurttorilorminoritaricareajungla stratul de baraj n procesul de difuzie, iar aceti purttori vor fi n continuare atraidecmpuljonciunii.nacestfel,curentuldedriftIdrnudepindede valoareatensiuniiexterneaplicatepesemiconductor.Curentultotalprin jonciune este curentul direct Ia = Idif Idr > 0. Barieradepotenial0semsoarnzecimidevolt.Micorarea acesteia face ca sarcina spaial s se reduc, ca i limea stratului de baraj. ncazulaplicriiuneitensiuniinversepejonciune(figura1.2.c),se mretecmpulrezultantdinstratuldebarajisemretevaloareabarierei de potenial = 0 + Ua. Curentulprinsemiconductorestedeterminatdecurentuldedrift, pentru c difuzia purttorilor prin stratul de baraj este blocat: Ia = Idif Idr = Idr. n acest caz, cmpul n jonciunea p-n atrage toi purttorii minoritari desarcin,indiferentdevaloareabariereidepotenial,astfelnctprin jonciune trece practic numai curentul purttorilor minoritari, adic un curent de goluri din zona n n zona p i de electroni din zona p n zona n. Acestcurentinversestensmultmaimicdectcurentuldirectprin jonciunea p-n, cnd tensiunea extern aplicat are acelai sens (plus la stratul piminuslastratuln),deoarecenumrulpurttorilorminoritarin semiconductor este mic. Raportuldintrevalorilecurentuluidirectiinversnjonciuneap-n aratcdispozitivulareconduciedirecional(unilateral),adicpoate funcionacaredresor.CurentulinversapurttorilorminoritariIinv=Idrse numetecurentdesaturaie,saudeoriginetermic,pentruceldepindede temperaturdatoritfaptuluicprinnclzireasemiconductoruluise amplificprocesuldegenerareapurttorilorminoritari.Astfel,curentul termicsedubleazprinnclzirecu8Cadispozitivelorcugermaniuicu 10 C a dispozitivelor cu siliciu. 19 ncazulpolarizriiinverseajonciuniip-n,intensitateacmpului electric rezultant din jonciune crete, din care motiv crete i sarcina stratului electric dublu i limea stratului de baraj. Variaiacurentuluiprinjonciuneap-nnfunciedetensiunea aplicat, Ia = f(Ua) se numete caracteristica jonciunii p-n. LaaplicareauneitensiunidirecteUademicvaloare,prindispozitiv treceuncurentmare.Latensiuniinversemari,curentuldeoriginetermic este mic. Proprietile jonciunii p-n sunt apropiate de cele ideale ale diodei, adicpedispozitivcdereadetensiuneestepracticnulncazulpolarizrii directeicurentulestenulncazulaplicriitensiuniiinverse.ncazreal situaia este prezentat n figura 1.3.b. 1.3.Diode semiconductoare Dioda semiconductoare const dintr-un cristal semiconductor cu dou straturicutipdeconduciediferit,montatntr-ocapsulprevzutcudou bornedeieirepentrucuplareancircuitulexterior.Caracteristicadiodei reale se deosebete de caracteristica ideal a jonciunii p-n. Astfel, cderea de tensiune direct pe diod este mai mare dect tensiunea pe jonciunea p-n cu ovaloareegalcucdereadetensiunepestraturilepinale semiconductorului, rolul principal fiind jucat de cderea de tensiune n stratul n pentru cazul analizat n paragraful anterior (figura 1.3.b, curba 2). Ramurainversacaracteristiciidiodeiestecaracterizatdetreizone ianume:nzonaIdifereniereafadecaracteristicajonciuniip-neste datorat existenei unui curent superficial la suprafaa cristalului. n zona a II-aseremarcexistenastrpungeriielectriceajonciuniicnd,laschimbarea lentatensiunii,curentulelectriccretevertiginos.ncazuldiodelor redresoare, este caracteristic procesul de strpungere n avalan, care const Fig. 1. 3 Caracteristica jonciunii p-n ideale (a) i reale (b) 12 I II III 20 nfaptulc,subinfluenacmpuluielectricputernic,purttoriiminoritari careajungnjonciune,peduratadetimpcorespunztoaretimpuluimediu dintredouciocniriconsecutivecunodurilereeleicristaline,capto energiesuficientpentruionizareaprinciocnireaatomilor.Seformeaz astfeloperechedepurttoridesarcinelectricliberi,care,larndullor, accelerai n cmpul dat, pot provoca alte ionizri. Procesul de strpungere n avalan este, n anumite condiii,reversibil. O alt form a procesului de strpungere reversibil n zona a II-a este efectulZener(tunel).Acestprocesaparenjonciunilesubiri,laintensiti maridecmpelectric,cndenergianecesarpentruruperealegturilordin reeauacristalinsemicoreaz,ceeacefacessporeascgenerarea purttorilor minoritari de sarcin i deci s creasc rapid curentul invers. nzonaaIII-aarelocstrpungereatermic,atuncicnd,prin cretereaintensitiicmpuluielectricinvers,cretecurentulprindiod precum i puterea disipat n jonciunea p-n. Creterea temperaturii cristalului amplificgenerareapurttorilorminoritari,ceeacefacescreasccurentul invers, datorit cruia crete puterea, temperatura jonciunii la rndul ei crete i ea, ceea ce n final face ca jonciunea p-n s se distrug. Alegereadispozitivelorsefacepebazacataloagelordefirmn funciedeparametriinecesaridiodeipentrucazurileconcretedeutilizare. Parametrii de baz ai diodelor redresoare sunt: valoarea medie a curentului maxim admis, determinat de nclzirea admis a dispozitivului la aplicarea tensiunii directe; valoarea tensiunii inverse sub forma impulsurilor repetabile, care este egal cuaproximativ0,7dinvaloareatensiuniidestrpungereicarelimiteaz valorile admise de tensiune invers pe diod; valoarea impulsului de tensiune direct, ce caracterizeaz diferenierea fa de situaia real a curbei directe a caracteristicii i se determin pentru cazul valorii maxime admise a curentului mediu direct; curentulmaximinvers,cecaracterizeazexistenazoneiaIII-apecurba invers a caracteristicii: Deregul,ncataloagesemaiindicialiparametri,necesaripentru realizarea funcionrii la suprasarcini de scurt durat, specifici situaiilor de avarie. Diodeleredresoaresuntdedoutipuri:cugermaniuicusiliciu; ultimeleaucptatolargrspndiredeoarecetemperaturalordelucru admis este de 120C (fa de 55C la germaniu), au cureni inveri mai mici i admit tensiuni inverse mai mari. De remarcat faptul diodele cu siliciu au o cdere de tensiune direct mai mare, de circa 1 V, fa de 0,3 V la germaniu, pentrucparametriidiodelorcusiliciusuntdeterminaidelrgimeamai mare a benzii interzise, n comparaie cu diodele cu germaniu. 21 Din punct de vedere al puterii disipate, diodele redresoare se mpart n diodedemicputere,lacarecurentuldirectestepnla0,3A,diodede putere medie, cnd curentul direct poate lua valori ntre 0,3 i 10 A i diode demareputere,curentuldirectputndluavaloridepeste1000A.Valoarea maxim a tensiunii inverse poate atinge cteva mii de voli n cazul diodelor de siliciu. Diodelecuavalandemareputereaucptatutilizrifrecvente datorit faptului c, prin execuie tehnologic deosebit, se obine o jonciune p-nomogen,ncaresunteliminatescurgeriledecurentdesuprafape marginilestructuriisemiconductorului,ncondiiilemenineriiconstantea densitii de curent prin toat seciunea jonciunii. Se obine astfel reducerea nclzirii dispozitivului i reducerea probabilitii de strpungere. O variant special a diodelor semiconductoare o reprezint diodele de frecven nalt de impulsuri. Datorit construciei speciale, se asigur valori mici pentru capacitile interne i durate mici de timp pentru comutarea ntre starea de conducie i de blocare. Diodele Zener sunt diode cu siliciu, special destinate pentru stabilizarea tensiunii. Intervalul de lucru pe caracteristica acestor diode l reprezint zona a II-a (fig 1.3), care se caracterizeaz prin tensiunea destabilizareiestelimitatdevalorileminimi maximalecurentului.Lavalorimiciatensiunilor destrpungereelectric,putereacaresedisipn dispozitivnzonaaII-aacaracteristiciinueste marei,dinaceastcauz,esteposibil funcionareandelungatadispozitivului. Modificarea tensiunii de stabilizare cu valoarea U, lavariaiacurentului,I,prindispozitiveste caracterizat prin rezistena dinamic a diodei: rst =IU Ideal, rst = 0. n afara limitelor intervalului al II-lea, dioda Zener poate fi considerat ca o diod obinuit. Diodele Zener se fabric la tensiuni de stabilizare n domeniul de la 4 la 200 V, pentru cureni maximi de 0,01 10 A. nfigura1.4seprezintsimboluldiodeiredresoareialdiodeiZener. Electrodulcareseleaglazonapsenumeteanod,iarelectrodullegatla zona n catod. 1.4.Tranzistoare bipolare Acestedispozitivesuntdestinatepentrucomandaprincurenti amplificareasemnalelor.Tranzistorulbipolarconstdintr-uncristalde Fig. 1. 4 Simbolul de reprezentare n scheme a diodei redresoare (a) i a diodei Zener (b) 22 semiconductor, compus din trei straturi cu conducie care alterneaz, cuplate latreibornepentrulegarealaschemaelectric exterioar.nfigura1.5.a,bsuntprezentate simbolurile tranzistoarelor de tipul p-n-p i n-p-n.Straturiledelateralesenumescemitori colector, ntre care se afl stratul numit baz. n aceasttriplstructurexistdoujonciuni: jonciuneaemitor-baz(E-B)ijonciunea colector-baz(C-B).Materialulpentru realizareatranzistoarelorestegermaniulsau siliciul.Laconstruciatranzistoarelorse respect urmtoarele dou condiii: -grosimeabazei,adicdistanadintre jonciunileE-BiC-Btrebuiesfiemicncomparaieculungimeade difuzie a purttorilor de sarcin; -concentraia impuritilor i deci a purttorilor majoritari n emitor trebuie s fie mult mai mare dect cea din baz, adic Na >> Nd n tranzistorul de tip p-n-p. Tranzistorul se cupleaz n serie cu rezistena de sarcin RC n circuitul surseidealimentareacolectoruluiEC.Laintrareatranzistoruluiseaplic tensiunea de comand, EB (figura 1.6.a). Fig. 1. 5 Simbolul de reprezentare n scheme a tranzistorului bipolar p-n-p (a) i n-p-n (b) Fig. 1. 6 Distribuia curenilor (a) i a potenialelor (b) n tranzistorul bipolar de tip p-n-p 23 Schema cu emitor comun este acea schem n care circuitele de intrare compus din EB i RB i de ieire, compus din EC si RC au un punct comun emitorul. n situaia cnd EB i EC sunt egale cu zero, jonciunile E-B i C-B segsescnstaredeechilibruiarcureniiprinacestejonciunisuntnuli. Ambelejonciuniaucteunstratdublu,compusdinionideimpuritatei barier potenial 0, diferit ca valoare pentru fiecare din ele.nfigura1.6.b,culiniepunctatsearatdistribuiapotenialelorn tranzistor n lipsa tensiunilor.PolaritateasurselorexterneEBiECfacecajonciuneaE-Bsfie polarizatdirect,adicminusulsurseiEBseaplicpebaz,iarplusulpe emitor, iar jonciunea C-B s fie polarizat invers, adic minusul sursei EC se aplic pe colector iar plusul pe emitor, astfel nct UCE>UBE. Distribuiapotenialelorntranzistorulpolarizatesteprezentatprin liniecontinunfig1.6.b.BarieradepotenialdinjonciuneaE-Bse micoreaz iar bariera de potenial la jonciunea de colector se mrete. Datorit aplicrii pe jonciunea E-B a unei tensiuni directe, se produce difuziaputerniciinjeciagolurilordinemitornbaz.Componena electronicacurentuluidedifuzieprinjonciuneaE-Bestestabilitanterior de Na >> Nd. Astfel, curentul de emitor este egal cu IE IE dif p. Sub influena forelor de difuzie, ca rezultat al scderii concentraiei de-a lungul bazei, golurile se deplaseaz de la emitor la colector. Cea mai mare parte a golurilor injectate de ctre emitor ajung la jonciunea de colector, fr sptrundncentrelederecombinare,datoritfaptuluicbaza tranzistoruluiestefoartesubire.Acestegolurisuntcaptatedecmpul jonciuniiC-B,polarizatinvers,astfelnctacestcmpesteaccelerator pentrupurttoriiminoritari,adicgolurilenbazadetipn.Curentulde goluri,careajungedinemitorncolector,senchideprincircuitulexternla sursaEC.nacestfel,princretereacurentuluiemitoruluicumrimeaIE, curentul colectorului crete cu valoarea IC = IE. Datoritprobabilitiimiciderecombinarenbazasubirea tranzistorului,factoruldetransferalcurentuluiemitorului,numitfactorde amplificare n curent n montaj baz comun este: =ECII = 0,9 0,99 Omicpartedingolurileinjectatedinemitor,serecombintotuin bazi,nscopulrefaceriineutralitiidesarcinabazei,naceastasunt preluai electroni din circuitul extern al sursei EB. Din aceast cauz, curentul bazeiestecurentulderecombinareIrec =IE(1).Pelngaceste componentealecurentuluiprintranzistor,datoratepurttorilormajoritari, existposibilitateatransferuluipurttorilorminoritaricareaparnbazin colectorcarezultatalgenerriidepurttori,prinjonciuneaC-B,pecarese 24 aplictensiuneinvers.Acestmiccurent,datorattransferuluidegoluridin bazncolectorialelectronilordincolectornbaz,analogcurentului inversprinjonciuneap-n,senumetecurent invers al jonciuniidecolector sau curent termic i se noteaz cu ICB0 (figura 1.6.a). Curentultotaldecolectoresteastfeldeterminatdedeplasareatuturor purttorilor de sarcin prin jonciunea de colector: IC = IE + ICB0(1. 2) Pentru c IE = IB + IC, expresia (1.2) se transform n: IB = (1 )IE ICB0(1. 3) care arat c n tranzistor curenii sunt n relaie liniar. Din expresia (1.3) se obine: IE = +1I I0 CB Bi, avnd n vedere expresia (1.2), rezult: IC =0 CB 0 CB BI I1I1+ + Dac se noteaz = =1 IIBC (numit factor de amplificare n curent n montaj emitor comun) i ICE0 = ICB0(1 + ), atunci: IC = IB + ICE0(1. 4)SeconsidercICE0estemiciar BCBCIIII.Atunci,expresia(1.4)se transform n: IC = h21EIB unde h21E reprezint este factorul de transfer n curent n montaj emitor comun.PrinmodificareacurentuluideintraredinbazcuvaloareaIB,se modificcurentuldeieireICicdereadetensiunepesarcin,cuvaloarea ICRC,precumiputereacaresedisipperezistenaRC.nacestfel,prin modificareaunuicurentmic,IB,ncircuitulsurseidetensiunemic,EB,se modific puterea preluat din sursa EC de ctre RC, n condiiile cnd IC >> IB i ICRC >> UBE. ncazulcuplriitranzistoruluinschemacubazcomun,curentulde intrare este curentul emitorului, iar prin sarcin trece curentul de colector, n condiia cnd IC < IE.. Prin modificarea unei tensiuni mici pe jonciunea E-B, sepoatemodificacurentulncircuitulsurseiECi,astfel,sseobin creterea tensiunii pe sarcin, ICRC >> UEB, adic se amplific semnalul n tensiune.Absenaamplificriincurentreprezintcauzapentrucare schemele cu baz comun sunt puin utilizate n practica industrial. 25 Moduldefuncionareatranzistoruluin-p-nestesimilar,deosebirea constndninversareasensuluicurenilorpurttorilordesarcinia polaritii tensiunilor aplicate. 1.5.Caracteristicile i parametrii tranzistoarelor bipolare Funcionareatranzistoruluicuplatnschemacuemitorcomuneste determinat de familiile caracteristicilor de intrare i ieire. Variaiacurentuluidecolectornfunciedetensiuneacolector-emitor, IC =f(UCE),cndcurentulnbazesteconstant,IB =ct.senumete caracteristicdeieiresaudecolector.Aceastcaracteristicesteneliniar. CndUCE UCES,curentuldecolectornudepindepracticdetensiuneaUCE. Tranzistorul lucreaz n regimul n care pe jonciunea E-B se aplic tensiune directiarpejonciuneaC-Btensiuneinvers.Elfuncioneazcasurs comandatdecurent:sursadecurentIC,acreivaloareestecomandatde curentuldinbaz,IB.Variaiacurentuluidinbazsefaceprinmodificarea tensiuniiEB;princreterea,deexemplu,aacesteia,cretetensiuneadirect pejonciuneaE-Biinjeciapurttorilordesarcindinemitornbaziar curentul emitorului IE crete cu valoarea IE. Cretereacurentuluinbazsedatoreazmririinumruluide recombinrialegolurilornbazadegrosimemicIB =Irec =IE(1). Partea principal din creterea curentului de emitor, E provoac creterea curentului de colector IC = IE = IB. Valoarea lui este n limitele de la 10 la 1000 pentru diferite tipuri de tranzistoare. nclinarea uoar a curbei caracteristiciideieireseexplicprinfaptulc,datoritcreteriitensiunii Fig. 1. 7 Caracteristicile de ieire (a) i de intrare (b) la tranzistorul bipolar 26 UCE, crete tensiunea pe jonciunea C-B i astfel se lrgete stratul de baraj al acestei jonciuni, ceea ce face ca grosimea bazei s se micoreze. Reducerea grosimiibazei,larnduleifacecaprobabilitateaderecombinarea purttorilor s scad i astfel s creasc puin valorile factorilor de transfer a curentului, i . Din relaia (1.4) se obine c, prin creterea lui , curentul de colector se mrete. ncazulcndUCE UCESpejonciuneaB-Capareotensiune invers, iar pe jonciunea B-E se pstreaz tensiunea direct. Curentul bazei, determinat de procesul de recombinare a purttorilor minoritari, este egal cu diferenadintrecureniideemitoridecolector.Caracteristicadeintrarea tranzistoruluiestedeterminatdeunadintrecaracteristicilejonciuniiB-E, darvaloareacurentuluisemicoreazcucoeficientul(1),carearatc curentulbazeireprezintdoarcomponentaderecombinareacurentuluide emitor. Cureniiprintranzistorisuntputernicinfluenaidetemperatura mediuluidelucru.Odatcucretereatemperaturii,cretecurentulICB0, pentrucsemreteconcentraiapurttorilorminoritarinstraturi.De asemenea,factoruldeamplificaresemreteprincretereatemperaturii, datoratfaptuluiccentrelederecombinarelocalizatepedefectelereelei cristaline se completeaz, ceea ce face s scad probabilitatea de recombinare a purttorilor n baz i s creasc astfel factorii de amplificare i respectiv = 1.ModificarealuiICpoateajungelactevazecideprocenteprin cretereatemperaturii cu2030C.Factorii idepinddeasemeneade frecvenadelucruatranzistorului,pentrucproceselecareaulocn tranzistorprintrecereapurttorilordesarcinprinstratulbazeiprecumi schimbareaconcentraieipurttorilornbazprindifuziapurttorilor minoritarisprecolectorsuntcaracterizatedeinerie.Datoritacesteiinerii, variaiacurentuluideieiresuferontrzieredefaznraportcuvariaia curentului de intrare. La frecven mare de repetiie a impulsurilor, pe durata impulsuluicurentuldecolectornureuete sajunglavaloareasamaxim i, prin creterea frecvenei, amplitudinea impulsurilor scade. Factorul se exprim form complex care depinde de frecven, sub forma: =+ffi 10(1. 5) unde 0 este valoarea coeficientului n domeniul frecvenelor joase i medii i f este frecvena pentru care | = 20. ncataloageesteindicatfrecvenalimitafactoruluideamplificare ncurent,flim,pentrucare=1.Prinintroducereavaloriif=flimnrelaia (1.5), se determin , avnd n vedere c flim/f >> 1 i se obine: 28 flim = 0f(1. 6) Valoarealuif,carearatcapacitateatranzistoruluideaamplifica semnaledenaltfrecven,estelatranzistorelemodernedef=106107 Hz. n cazul cnd este necesar amplificarea semnalelor la frecvene mai mari dect f, se folosete schema de cuplare a tranzistorului cu baza comun, ceea ce permite obinerea amplificrii pn la valoarea maxim posibil, de flim. Tranzistoarelebipolaresuntcomandatencurentideciconsum puteredincircuituldeintrare,motivpentrucarenupotfiutilizatepentru amplificarea semnalelor de putere mic. 1.6.Tranzistoare cu efect de cmp Tranzistoarele cu efect de cmp sunt dispozitive semiconductoare care practic nu consum curent din circuitul de intrare i se mpart n dou tipuri, deosebite din punct de vedere al principiului de funcionare: cu jonciune p-n i metal dielectric semiconductor. 1.6.1.Tranzistoare cu efect de cmp cu jonciune p-n (TEC-J) Acesteaaustructuraconstructivprezentatnfigura1.9.Stratulcu conduciedetippsenumetecanaliesteprevzutcudoubornepentru cuplarencircuitulexternianume:drena(D)isursa(S).Straturilecu conduciedetipncaremrginesccanaluldeambeleprisuntunitelao singurborndenumitgrilsaupoart(G)pentrucuplareancircuitul exterior. Exist i tranzistoare cu efect de cmp la care canalul este de tip n; reprezentareaschematicaacestoraseprezintnfigura1.9.c.Principiulde funcionarelatipurilenipesteacelai;deosebireaconstnaceeac direcia curenilor i polaritatea tensiunilor aplicate sunt opuse. CANAL p n n S D G ID EGS IG IS + + RD ED UDS S D G S D G IS UGS UDS = 0,4 V UDS = 0 UDS = 0,8 V UDS = 1,2 V b)c) d)a) Fig. 1. 9 Structura (a), reprezentarea n schem (b canal p, c canal n) i caracteristicile de dren (d) ale tranzistorului cu efect de cmp cu jonciune p-n 29 nfigura1.9.desteprezentatfamiliacaracteristicilordedren(de ieire) a TEC-J, ID = f(UDS), n condiia cnd UGS = ct. Funcionareatranzistoruluicuefectdecmpestedeterminatde procesele care au loc la jonciunea dintre canal i straturile vecine.Astfel, cnd tensiunea de comandUGS = 0 i se cupleaz o surs de tensiunentredrenisurs,UDS,princanaltreceuncurentacruivaloare este determinat de rezistena canalului. TensiuneaUDSsedistribuieuniformpelungimeacanalului,astfel nct tensiunea invers mai mare pe jonciune se gsete n zona apropiat de dren,iarnapropiereasurseijonciuneapnseaflnstaredeechilibru. Aceasttensiuneprovoaclrgireastratuluidebarajaljonciuniipni ngustareacanalului(figura1.10.a).nmoddeosebit,lrgireajonciunii aparenapropiereadrenei,undeexisttensiuneinversmaimarepe jonciune.Lrgireajonciuniip-ndeterminngustareacanaluluiconductor de curent al tranzistorului i astfel rezistena acestuia crete; datorit creterii rezisteneicanaluluilacretereaUDS,caracteristicadedrenatranzistorului cu efect de cmp este neliniar (figura 1.9.d). Pentru o anumit valoare a lui UDS,canalulsenchidecomplet,iarcretereacurentuluiIDnceteazprin mrirea valorii lui UDS (figura 1.10.b). Cnd se aplic o tensiune pozitiv pe gril (UGS > 0), jonciunea pn se lrgete i mai mult n zona tensiunii inverse, ca rezultat canalul conductor de curent se ngusteaz mai pronunat i curentul de dren ID se micoreaz n modcorespunztor(figura1.9.d).nacestfel,rezistenacanaluluiideci curentuldedrenpotficomandatedetensiuneaUGSaplicatpepoart. PentruoanumitvaloarealuiUGS,caresenumetetensiunedeblocare, curentuldedrenpracticseanuleaz,caurmareanchideriicompletea canalului. Se definete panta caracteristicii de dren: S = . ct UGSDDSUI= CANAL b)a) Fig. 1. 10 ngustarea canalului tranzistorului cu efect de cmp la aplicarea tensiunii UDS 30 Spredeosebiredetranzistoarelebipolare,celecuefectdecmpsunt comandate n tensiune, iar n circuitul de gril trece numai un mic curent, de originetermicIG,aljonciuniipn,careestepolarizatinvers. Caracteristicilededrenaudousectoaredistinctecaicaracteristicilede colectordelatranzistoarelebipolare,unuldecretererapidialtulde creterelent.Sectoruldecretererapidalcaracteristiciisefoloseten schemele de comutaie, iar sectorul al doilea pentru amplificarea semnalelor.Curentuldedrenaltranzistoruluicuefectdecmpesteputernic influenatdetemperaturadefuncionare,pentruc,pemsuracreterii temperaturii,conductivitateaelectricasemiconductoarelorcuimpuritin gamatemperaturilordelucrusemicoreaz.Deasemenea,prinnclzire, limeajonciuniipnsemicoreaz,iarcanalulselrgete.Carezultatal aciuniicombinatea acestordoifactori,prinnclzireatranzistorului,la UGS =ct.,curentuldedrensepoatemodificanambelesensuri,adicpoates creasc sau s se micoreze. Frecveneledelucrusuntmari,deordinulMHz,valoareaacestora fiindlimitatdecapacitateajonciuniipn,acreisuprafaesterelativ mare. 1.6.2.Tranzistoare cu efect de cmp cu poart izolat (TEC-MOS) Acestetranzistoaresenumescastfelpentrucsuntconstituitedin suprapunerea a trei straturi: metal, oxid (dielectric) i semiconductor MOS. Lasuprafaacristaluluisemiconductorcarereprezintsuportul(baza)cu conduciedetippsuntformatedouzonecuconductivitatedetipn,legate ntre ele printr-o punte subire care reprezint canalul. Zonele de tipul n sunt prevzutecubornepentrucuplareancircuitulelectricexterior(drenai sursa). Cristalul semiconductor este acoperit de o pelicul de oxid dielectric, pecaresedispunegrilametalicG,legatncircuitulexterior.nacestfel grila este izolat din punct de vedere electric de circuitul dren surs (figura 1.11.a). Suportul (baza) se leag cu sursa, legtura fcndu-se fie n interiorul dispozitivului,fienexteriorulacestuia.Caracteristicilededren(deieire), ID = f(UDS) pentru UGS = ct. sunt prezentate n figura 1.11.b. n lipsa tensiunii de comand, cnd UGS = 0, prin canal ntre zonele de tipul n trece curentul ID. Princretereatensiuniisursei,UDS,jonciuneapndintrebazicanalse lrgetensensinvers,astfelncttensiuneainversmaimarepejonciune se realizeaz n apropierea drenei i astfel se ngusteaz canalul care conduce curent.PemsuracreteriiUDS,rezistenacanaluluisemrete,creterea curentului de dren se ncetinete i, atunci cnd jonciunea acoper seciunea canaluluiprincreterealuiUDS,curentulIDsesatureaz.nacesttimpde funcionare,proceselecareaulocntranzistorulTEC-MOSsuntsimilare proceselor care au loc n tranzistorul TEC-J. 31 Cndseaplicotensiunepozitivpegril,seproduceoatragerea electronilordinbaz,careseacumuleaznzonacanalului,rezistena acestuia se micoreaz iar curentul de dren crete (regimul de mbogire, pe caracteristicadinfigura1.11.b,pentruUDS>0).ncazulcndpegrilse aplicotensiunenegativ,cmpulelectricrespingeelectroniidincanaln suport, rezistena canalului crete, iar curentul ID scade (regimul de srcire). nacestfel,prinmodificareatensiuniidecomandUGS,semodific curentuldeieirealtranzistorului,ID.Sedefinetepantacaracteristiciide dren,lafelcalaTEC-J.Datoritfaptuluicgrilaesteizolatderestul circuitului,curentulacesteia,IG,estefoartemic,fiinddeterminatnumaide rezistenaizolaiei,motivpentrucareputereanecesarpentrucomanda tranzistoarelorMOSestepracticnul.nmodanalogfuncioneazi tranzistoareleMOScucanaldetipp,lacaresuportulestedetipn,sensul cureniloripolaritateatensiunilorfiindnsinversefadecazulanalizat anterior(TEC-MOSdetipp).SimbolurilefolositenschemepentruTEC-MOS de tip n i p sunt prezentate n figura 1.12.a i respectiv 1.12.b. Ambele tipuri de tranzistoare au canalul ncorporat. OvariantconstructivatranzistoarelorMOSseesteceaprezentat nfigurile1.12.ci1.12.d,cucanalindusdetipnsaup.nconstrucia CANAL nn D G ID E + + RD EDS UDS ID UDS UGS = 0,5 V UGS = 0 UGS = 1 V UGS = - 0,5 V b)c) a) SUPORT n p METAL OXID UGS = - 1 V ID UDS UGS = 3,5 V UGS = 2,5V UGS = 3 V UGS = 2 V Fig. 1. 11 Structura (a) i caracteristicile de dren (b cu canal iniial, c cu canal indus) la tranzistoarele MOS 32 acestordispozitivenuexistuncanalspecialntrezonelededrenisurs, astfel c, pentru UGS = 0, curentul de dren este nul. Acest tip de dispozitiv poate funciona numai n regim de mbogire, cndcmpulgrileiatragepurttoriidesarcincorespunztori,cerealizeaz canalulconductordintrezonelesurseiidrenei.Familiacaracteristicilorde drenaletranzistoarelorMOScucanalindusdetipulnesteprezentatn figura 1.10.c. n cazul cnd tensiunea pe gril este mai mic dect tensiunea de deschidere, curentul ID este practic nul. 1.7.Tiristoare Tiristoarele sunt dispozitive semiconductoare comandate, realizate din patrusaumaimultestraturidesemiconductorcutipdeconduciediferit, aezate alternant, care sunt capabile, sub influena semnalelor de comand, s comutedinstareadeblocarenstareadeconducie.Serealizeazmaimult varianteleconstructivedetiristoarecompusedinpatrustraturi,avnd structurapnpn.Caracteristicileacestorasuntprezentatenfigura1.13.a, iarnfigura1.13.besteprezentatsimbolulfolositnschemepentrutiristor, care are trei electrozi: A anodul, K catodul i EC electrodul de comand (poarta). Schema de cuplare a tiristorului se prezint n fig 1.13c. b)c)d)a) S G Sp D S G Sp D S G Sp D S G Sp D Fig. 1. 12 Reprezentarea n schem a tranzistoarelor MOS Fig. 1. 13 Caracteristica (a), reprezentarea n schem (b) i schema de cuplare (c) a tiristorului monooperaional 33 n situaia cnd pe electrodul de comand semnalul este zero, curentul ncircuituldispozitivuluiestenul.Acestlucruestedatoratfaptuluic rezistena limitorului este foarte mare n starea iniial blocate. Dacpeelectroduldecomandaltiristoruluiseaplicunimpulsde deblocare cu polaritate pozitiv, atunci tiristorul se deschide i prin rezistena de sarcin RS apare un curent. Datorit faptului c pe tiristor cade o tensiune foartemic(punctul2pesectorulIIalcaracteristiciidinfigura1.13.b), curentul anodic dup cuplare se determin astfel: Ia =SaRE(1. 7) Deschidereatiristoruluisepoateproduceinlipsa semnalului de comand,dactensiuneadealimentareEadepetevaloarea corespunztoaredeschideriitiristorului,Ud,aacumseobservdinfigura 1.13.a.nacestcaz,punctuldelucrudindomeniulIalcaracteristiciise deplaseazndomeniulII,evitnddomeniulIIIdecdere.Oasemenea cuplareatiristoruluitrebuieevitatnpractic,pentruceapoateducela distrugerea dispozitivului. Particularitateafuncionriitiristoruluiconstnaceeac,dup cuplare,elrmnedeschis,indiferentdacmaiexistsaunutensiunede comandpeelectroduldecomand.Decuplareatiristoruluisepoateface numai prin reducerea tensiunii Ua pn la zero i chiar pentru valori negative aleacesteia(Ua0)sauprinntrerupereacurentuluianodic.Circuitulde comandaltiristoruluiservetedecinumaipentrudeschidereaacestuia. Aceste tipuri de tiristoare se numesc monooperaionale. Soluia constructiv a acestui tiristor este prezentat n figura 1.14.a. La aplicarea pe tiristor a unei tensiuni directe, adic plusul la anod i minusul la catod, aceast tensiune va polariza direct jonciunile p1-n1 i p2-n2 i invers jonciunea n1-p2. O asemenea structur poate fi considerat ca fiind compusdindoutranzistoaredetipulp1-n1-p2irespectivn1-p2-n2(figura 1.14.b).Laambeletranzistoare,jonciunean1-p2estejonciuneabaz-colector,iarjonciunilep1-n1,respectivn2-p2suntjonciuniemitor-baz.n Fig. 1. 14 Repartiia curenilor n tiristor (a) i schema echivalent cu doi tranzistori a tiristorului (b) 34 domeniul I al caracteristicii din figura 1.13.a, jonciunea p1-n1 este polarizat direct,iarjonciunean1-p2invers,motivpentrucaretranzistorulp1-n1-p2 lucreaznregimulprezentatnparagraful1.4,iarcureniisuntdeterminai de relaia (1.2). Prin jonciunea polarizat direct,dinemitorul p1 nbaza n1 difuzeazgolurile,dincare o parte se recombin n baz, formnd curentul(1 p)Ia, restul fiind atrase de cmpul electric al jonciunii n1-p2, ajungnd astfel la colectorul p2, unde formeaz curentul pIa (figura 1.14.a). n acelai regimfuncioneaziceldealdoileatranzistor.Jonciuneap2-n2a tranzistorului n1-p2-n2 este de asemenea polarizat direct, iar jonciunea p2-n2 invers. Prin jonciunea p2-n2 trece curentul total Ia + IC, unde IC este curentul electroduluidecomand(porii).Opartedinelectroniiceformeazacest curentserecombinnbaz,formndcurentul(1n)(Ia+IC),iarcealalt parte ajunge pn la jonciunea n1-p2, unde sunt captai de cmpul acesteia i ptrund la colectorul din stratul n1. Pe lng aceste componente de tranzistor ale curentului jonciunii n1-p2, determinate de curenii jonciunilor p1-n1 i p2-n2, prin jonciunea n1-p2 trece i curentul purttorilor minoritari din straturile n1ip2,adicICB0=IC0p+IC0n.Astfel,Ia=IK,undeIKestecurentultotal prinjonciunean1-p2,adiccurentulnsumatdecolectoralambelor tranzistoare: IK = Ia = pIa + n(IC + Ia) + IC0p + IC0n(1. 8) de unde: IK = Ia =( )n pC n 0 CB1I I + +(1. 9) Factorii de transfer n curent ai ambelor tranzistoare, p i n, depind deprobabilitateaderecombinareapurttorilornbazelen1ip2.Prin creterea curentului Ia, procesul de recombinare ncetinete pentru c centrele derecombinaresencarccompletnfiecareactderecombinare,ceeace provoac creterea factorilor p i n. Jonciunea n1-p2 este blocat pn cnd p +n < 1, adic tiristorul rmne n stare blocat, prezentnd o foarte mare rezistenpentrucurentulIa,corespunztorregiuniiIacaracteristiciidin figura1.13.a.PrincretereacurentuluiIadatoritcreteriicurentuluide comand Icom sau a tensiunii Ua, cretevaloareasumeip + n i, cnd p + n 1, Ia , aa cum rezult i din relaia (1.9). n acest fel, se produce deschidereatiristorului,rezistenaluisemicoreazbrusciartensiuneape tiristor,Uasemicoreaz.Practic,tiristorulsedeschide,curentul stabilizndu-senconformitatecurelaia(1.7)peseciuneaaII-aa caracteristiciidinfigura1.13a.Procesuldedeschidereatiristoruluieste determinatdeexistenareacieipozitiveinterneisedesfoarnavalan (procesregenerator).CndseapliccurentuldecomandIC,seproduce cretereacurentuluiprinjonciuneap2-n2precumiacomponenteiacestuia, n(Ia + IC), care, pentru tranzistorul de tip p-n-p, reprezint curentul de baz 35 i,dinaceastcauz,semretecontribuiacurentuluidecolector,pIa. Curentul total, IK crete, astfel nct, n baza tranzistorului n-p-n ptrunde un curentmaredinstratuln1,carelarndulsuproducedinnoucreterea curentuluidecolectoraltranzistoruluin-p-n.PrincretereacurentuluiIa, valorile factorilor de transfer p i n se mresc i numitorul n expresia (1.9) devinezero.DatoritcreteriirapideacurentuluiIa,cretecdereade tensiune pe rezistorul RS (figura 1.13.c), iar cderea de tensiune pe tiristor se micoreaz.Dac,dupdeschidereatiristorului,semicoreazcurentulde comandICpnlazero,dispozitivulrmnetotuinstaredeschis,de conducie,pentruc,datoritcurentuluiIamare,semeninevaloareanula numitorului din expresia (1.9). Tiristorul se poate bloca (nchide) numai prin aplicarea unei tensiuni Ua inverse sau prin ntreruperea circuitului curentului surseiEa.Prinaplicareatensiuniiinverse,tiristorulsemeninenstare blocat,pentrucjonciunilep1-n1in1-p2suntpolarizateinvers.Ramura invers a caracteristicii tiristorului, n regiunea tensiunilor negative din figura 1.13.aesteasemntoareramuriitensiunilorinverseacaracteristiciidiodei semiconductoare. 1.8.Caracteristicile funcionale ale tiristoarelorParametriidebazaitiristoarelorsunttensiuneadecuplare(de deschidere),Uditensiuneadestrpungere,Usdeperamuratensiunilor inverseacaracteristicii.Dactensiuneadealimentarearevalorinlimitele celordoiparametri,atunci,pentruIC=0,tiristorulvafintotdeaunablocat. Respectareaacesteicondiiisefacederegulnpracticprinmeninerea valorii tensiunii la nivelul de maxim 70 % din valoarea celei mai mici dintre tensiunileUdiUs.Pentrudiferitetipuridetiristoare,aceastvaloareeste indicat n cataloage i se gsete n limitele 100 4000 V. Tiristoarelesuntcaracterizatedeasemeneaideurmtoriiparametri decatalog:valoareamaximadmisacurentului,tensiuneadirectnimpuls icurentulinversmaxim,careaudefaptacelaisenscailadiode.Exist tiristoaredeputerelacarecurentulmediudirectadmisajungela2000A. Prinmicorareacurentuluianodicpnlavaloareacurentuluidemeninere, tiristorul poate trece singur n regim de blocare. Aceast valoare a curentului de meninere a tiristorului cnd curentul de comand IC = 0, este de asemenea indicatnfiadecatalog.Determinareaparametrilorsemnaluluinecesar pentru funcionarea tiristorului se face pe baza valorilor curentului i tensiunii decomandnecesarepentrudeschidereafermaacestuiachiarpentru tensiunimici(510V),aletensiuniiUa,precumipebazavalorii temperaturiiceleimaisczute,carereprezintcondiiilecelemai nefavorabile pentru deschiderea tiristorului. Un parametru dinamic important pentrufuncionareatiristoarelorlreprezintvitezacriticdecreterea 36 curentuluianodic, maxdtdi||

\|lacuplareatiristorului.Depireaacesteivalori poateprovocasupranclzirealocalastructuriisemiconductoareitopirea jonciunii.Latiristoareleobinuite, maxdtdi||

\|=10100A/s,iarlacele rapide,deimpulsuri, maxdtdi||

\|=5001000A/s.Unaltparametrueste timpul de decuplare, ce reprezint intervalul de timp minim de la ntreruperea curentuluianodicpnlaaplicarea tensiuniidirecte,frca, prinaceasta,s seredeschidtiristorul.Timpuldedecuplarelatiristoaredejoastensiune estede100500siarpentrucelerapidede10100s.Parametrul maxdtdu||

\|, care reprezint viteza de cretere a tensiunii anodice directe maxim admis,constituieolimitaredeterminatdeexistenacapacitilor jonciunilor,deoarecetrecereacurentuluiprinacestecapacitilacreterea rapidatensiuniianodicepoateprovocaautodeschidereatiristorului. Valoarea acestui parametru la tiristoarele obinuite este de 20 100 V/s, iar la tiristoarele rapide de 200 500 V/s. Domeniul de utilizare a tiristoarelor monooperaionaleesteelectronicaenergeticunde,pentruputerimari, tiristorulreprezintdispozitivuldeforcomandatcelmaiimportant. Tiristoareledeputeremicsefolosescinschemeledeimpulsuridin electronica informaional.Variantele constructive ale tiristoarelor sunt urmtoarele: 1.Dinistorulestetiristorulfrelectroddecomand.Dispozitivuleste similartiristoruluiobinuitdarlacarenuseaplicsemnalpeelectrodul decomand.Deschidereadinistoruluisefacecndtensiuneaaplicat depetevaloareatensiuniidedeschidere.Prinaplicareauneitensiuni inverse, dinistorul este ntotdeauna nchis.2.Triaculestedispozitivuldecomutarecompusdinmaimultestaturi,la care caracteristica este simetric pentru tensiune direct i invers (figura 1.15.a).Elestecapabilscomutecurentulindiferentdesensipoate nlocui circuitul compus din dou tiristoare obinuite cuplate n paralel i n sens opus (figura 1.15.b; simbolul este cel din figura 1.15.c). 3.Tiristorulbioperaional,esteundispozitivcaresepoateblocaprin aplicarea unui impuls negativ pe electrodul de comand. Puterea necesar pentrublocareacurentuluianodicestemultmaimarencomparaiecu putereaimpulsuluidedeschidere.Existtiristoarebioperaionalepentru curenipnla10002000Aitensiunipnla10002000V. Utilizarea lor este n domeniul electronicii energetice pentru puteri mici i medii. 37 1.9.Circuite integrate Circuitulintegratreprezintdispozitivulelectroniccepoaterealizao anumefunciedetransformareiprelucrareasemnaleloricareareo densitate mare de cuprindere a elementelor de circuit, putnd fi considerat ca untotunitar,ifiindconstruitntr-unsingurprocestehnologicincorporat ntr-ocapsulnchisermetic.Aparaturaelectronicelaboratcucircuite integrate are urmtoarele caliti importante: -siguranmarenfuncionarepentruc,datoritprocesuluitehnologic automatizat,sereducenumrullipiturilor,carereprezintpentru aparaturaelectronicunuldinelementelecelemainesigure;circuitele integrate sunt mai sigure dect schemele cu elemente discrete pentru c se reducdeasemeneaieroriledemontaj;defapt,circuiteleintegrateau permis realizarea sistemelor mari de calcul; -aparatura realizat cu circuite integrate are gabarit mic; -larealizareaaparaturiicucircuiteintegratesereducesubstanialtimpul necesarpentruelaborareaproduselor,pentrucsefolosescsubansamble iblocuridejaexistente,caresimplificiprocesuldeintroduceren fabricaie. Reducereapreuluidecostserefernunumailapreulunuicircuit integrat n comparaie cu schema similar realizat cu circuite discrete, dar i lapreulprodusuluinansamblulsu,pentrucacestaserealizeazcuo tehnologie mai eficient din punct de vedere productiv. Fig. 1. 15 Caracteristica triacului (a), cuplarea n paralel a dou tiristoare pentru obinerea unui triac (b) i simbolul triacului (c) 38 Realizareaaparaturiicucircuiteintegratesimplificorganizarea producieiprinmicorareanumruluideoperaiiireducereanumruluide subansambledecompletare.Sepoateconsideracaparaturaelectronic informaionalserealizeaznprezentnumaicucircuiteintegrate.De asemenea,seevideniaztendinadeintroducereamicroelectroniciitotmai mult n electronica energetic. Microschemele integrate se mpart n dou clase de baz: integrate cu semiconductoare i integrate hibride. Circuitulintegratpebazdesemiconductorconstdintr-uncristal semiconductor(cip),ngrosimeacruiasuntrealizatetoatecomponentele schemei,cumsuntdiode,tranzistoare,rezistoare,etc.Suprafaa semiconductoruluiseacopercustratizolantdeoxid,pecare,nlocuri determinate,sedepunestratuldemetalcareasigurlegturiledintre elementele schemei.nfig1.16.aestereprezentatunfragmentdintr-uncircuitintegrat semiconductor, compus dintr-un rezistor, o diod i un tranzistor, iar n figura 1.16.bseciuneaprincristalulsemiconductor,nadncimeacruiasunt realizateelementeleschemeirespective.Izolareaelementelorntreelese realizeazcuajutoruljonciunilorp-npolarizateinvers.nacestscop,pe suportul de tip p, se aplic un potenial mai negativ. Dup realizarea stratului de oxid pe suprafa i depunerea contactelor, cristalele de semiconductor se introducntr-ocapsulermetic,prevzutcuieirilenecesarencircuitul exterior. Circuitele integrate semiconductoare au urmtoarele particulariti: -ncristalulsemiconductorpotfirealizatedispozitivecumsunt:diode, tranzistoarebipolare,tranzistoarecuefectdecmpprecumirezistoare; condensatoarelecucapacitateadepnla200400pFserealizeazpe bazajonciunilorp-npolarizateinvers.Pentrumicroschemeleintegrate suntpreferatedispozitivelecareocuposuprafamicpecristal,n Fig. 1. 16 Un segment de schem i realizarea acesteia sub forma integratului semiconductor 39 primulrnddetipTEC-MOS.ncomponenacircuitelorintegratenuse includcondensatoaredecapacitatemare,elementemagneticecumsunt transformatoare, etc.-reproductibilitateaparametrilorlacircuiteleintegratenuestemare,ns parametriiaceloraielementerealizatepeacelaicristalsuntpractic identici. -deoarececheltuieliledeintroducerenfabricaieacircuitelorintegrate sunt relativ mari, sunt justificate serii de peste104 de exemplare.-gabaritulcircuitelorintegrateestefoartemic;astfel,peuncristalde siliciu cu dimensiunea de civa mm2 se pot dispune zeci i chiar sute de mii de elemente discrete ale schemei electronice. Circuiteleintegratehibrideserealizeazprinprocedeulpelicular, fiindcompusedintr-oplcudedielectricpesuprafaacreiasedepun componentele schemei i conexiunile corespunztoare, sub form de pelicul cugrosimeadeordinul1m.Prinaceastmetodserealizeazuor conexiunile, rezistoarele i condensatoarele peliculare. Rezistoarele cu valori de pn la 105 se realizeaz sub form de meandre (figura 1.17.a). Condensatoareleserealizeazdintreistraturipeliculare(figura 1.17.b):metal-dielectric-metal.Datoritstratuluidielectricpelicularfoarte subire,capacitateacondensatoarelorpoatedepi10000pF.Bobinele (inductanele) se realizeaz sub form de spiral (figura 1.17.c); se pot obine inductanerelativmici,deordinul100H.Dispozitivelesemiconductoare frcarcas,condensatoarelecucapacitidevalorimariielementele magneticesencorporeazncircuitelehibrideprinsuspendare;aceste elementeselipescpeplacnlocurideterminate;elesuntconectatela elementeleschemeipeliculare,dupcareplacacuschemapelicularicu elementele spaiale este ncapsulat ermetic, avnd bornele de ieire necesare. Fig. 1. 17 Componentele integratelor peliculare: a rezistor; b condensator; c - inductan 40 Circuitele hibride au urmtoarele caracteristici: -ncorporeazcomponentepasive,rezistoareicondensatoare;numrul acestoranconstruciaspaialestetotuimic;realizarealornecesit manoper mult; -precizia reproducerii parametrilor la circuitele hibride este mult mai mare n comparaie cu circuitele integrate semiconductoare; ajustarea valorilor la realizare se face cu precizie prin decuparea corespunztoare a peliculei rezistive; -tehnologia de realizare a circuitelor integrate hibride este mult mai simpl ncomparaiecutehnologiacircuitelorintegratesemiconductoare; circuitele hibride se mpart n circuite cu pelicule subiri la care peliculele serealizeazprinmetodapulverizriitermicenvidincircuitecu pelicule groase, la care peliculele se realizeaz prin depunerea prin ablon cu coacerea ulterioar; tehnologia circuitelor integrate hibride cu pelicule groase este relativ simpl i poate fi realizat n condiii de laborator; -pregtirea de fabricaie a circuitelor hibride este mai puin costisitoare n comparaiecuceaacircuitelorintegratesemiconductoare,motivpentru careorganizareaproducieipentruseriimici,deordinulsutelorichiar zecilor de exemplare, poate fi rentabil; -numrul de elemente care pot fi ncorporate n circuitele integrate hibride nu depete de regul cteva zeci. Fig. 1. 18 Dependena costului relativ, C/N n funcie de nivelul de integrare pentru diferite generaii de circuite integrate 41 Circuiteleintegratesemiconductoaresefabricsubformaunor elemente de uz general, cu utilizri n domenii diferite, principala lor calitate fiind destinaia cu caracter foarte general. Circuitele integrate hibride sunt de preferat numai pentru scopuri dedicate. Numrulcomponentelorncorporatencircuiteleintegratehibride, adicnivelulNdeintegrarealacestora,determinpreullordecostC.n figura 1.18 se prezint cantitativ variaia C/N = f(N) pentru diferite generaii de circuite integrate. Curbele evideniaz existena unui minim optim din punct de vedere al eficieneieconomice.CreterealuiNpestevaloareaoptimestecostisitoare pentrucsemresccheltuielilelegatenprincipaldencapsularei conexiunileinterioare.Pedealtparte,princretereacomplexitii circuitelorintegratesemiconductoare,eledevinmaispecializate,ceeace reduce cantitatea fabricat. De asemenea, odat cu creterea lui N se mrete substanial i suprafaa plachetei de semiconductor. 1.10. Dispozitive semiconductoare optoelectronice Optoelectronicareprezintparteaelectroniciincaresuntstudiate problemele de generare, prelucrare, transmitere i memorare a informaiei pe bazafolosiriincomunafenomenelorelectriceioptice.Dispozitivele optoelectronicefolosescradiaiaelectromagneticdindomeniuloptic (infrarou,vizibiliultraviolet).Utilizareacanaleloropticedecomunicaie permiteasigurareaizolaieielectricefermelaoricaresistem,eliminarea componentelorreactiveideconexiunemariicostisitoare,mrirea siguranei n funcionare, creterea capacitii de transmisie a canalului, etc. Elementele de baz n optoelectronic sunt:1)Sursele optice, care transform un semnal electric n semnal optic 2)Fotoreceptorii, care transform semnalul optic n semnal electric Fig. 1. 19 Simbolurile folosite n schemele electronice pentru dioda luminescent (a), fotodiod (b), fototranzistor (c), fototiristor (d) i optocuplor (e) 42 3)Dispozitivelepentruizolaieelectriclatransmitereainformaieiprin canale optice (optocuploare) 4)Conductorii optici (cablurile) Celemaiobinuitesursesemiconductoaredeluminsuntdiodele luminescente.Emisiafotonilor(cuantedeenergie)seproducedatorit recombinriipurttorilordesarcinprinrevenireaelectronilordinbandade conducie n banda de valen. Recombinarea cea mai puternic se produce n apropiereajonciuniip-n,cndpurttoriimajoritari,depindbarierade potenial,pierdenergiacineticiprobabilitateaderecombinarecrete. Construciadiodelorluminescentesefacepebazamaterialelor semiconductoarecomplexe,lacareemisiacuanteideenergiearelocn domeniulopticvizibilsauinfrarou.AsemeneamaterialesuntGaP,GaAs, SiC,etc.Emisiaseproducedatorittreceriiprinjonciuneacurentului electric n sens direct. Construcia dispozitivului asigur transmiterea luminii delajonciuneap-nfrpierderisemnificativenadncimea semiconductorului.Caracteristicadiodelorluminescenteestesimilar caracteristicilordiodelorcusiliciuigermaniu.Diodeleluminescentesunt realizatesubformaelementelordiscretesaumatriciale,nscopul reprezentriiinformaieisubformaliterelor,cifrelorisimbolurilor.De asemenea, ele intr n compunerea optocuploarelor. Diodele luminescente se reprezint n scheme ca n figura 1.19.a. Grupafotoreceptoarelorsecompunedinfotodiode,fototranzistoare, fototiristoareialtedispozitive.Prinaciunealuminiiasuprastratuluide semiconductor se produce generarea optic a purttorilor de sarcin electric. Carezultatalcreteriinumruluipurttorilorminoritarisemrete conductivitateamaterialului;apareastfelefectuldefotoconducie.Prin iluminarea jonciunii p-n, se mrete curentul purttorilor minoritari, adic se mretecurentulinversalacesteijonciuni:Iinv =f()undeestefluxul luminos. Fotodioda se reprezint n schemele electrice conform figurii 1.19.b. Funcionareafototranzistoruluisebazeazdeasemeneapeefectulde fotoconducie.Deregul,fototranzistorularebazaneconectatncircuitul exterior, deci IB = 0 i curentul IC, n concordan cu relaia (1.4) are expresia: IC =(+1)ICB0.Cndbazasauzonajonciuniicolector-bazsuntluminate, curentul purttorilor minoritari este ICB0 = f() i, proporional, se modific i IC.Lamontajulcuemitorcomun,curentulICB0semretede(+1)ori,din caremotiv,putereasemnaluluipoatefimaimaredectncazulfotodiodei, pentruacelainivelaltensiuniisurseidealimentareE.Reprezentarea fotorezistorului n scheme este cea din figura 1.19.c. Principiuldefuncionareafototiristorului,carenschemese reprezintconformfigurii1.19.d,sebazeazdeasemeneapemodificarea curentuluiinversprinjonciunesubaciunearadiaieioptice.ncazul 43 absenei electrodului de comand, IC = 0 i curentul prin tiristor se determin cu expresia urmtoare, dedus din relaia (1.9): Ia =( )n p0 CB1I + . Curentulfototiristoruluiesteproporionalcuintensitateafluxului optic.LacretereaacestuiacreteICB0icurentulanodicIa.nacestcaz, factorii p i n i mresc valoarea, iar atunci cnd p i n = 1, tiristorul se deschide.Cretereacurentului,datoratcreteriifluxuluioptic,stimuleaz deschidereatiristorului.Curentultiristoruluideschispoatefimultmaimare dect valoarea lui ICB0. nacestfel,dispozitivelesemiconductoarecomandate,cumsunt tranzistoareleitiristoarele,potfolosiradiaialuminoasdreptsemnalde comand. Optocuploarelesecompundinemitor-diodluminescenti fotoreceptor-fotodiod,fototranzistorsaufototiristor,ntrecareestedispus canalul optic, care transmite lumina de la emitor la receptor. Reprezentarea n scheme a optocuplorului, compus din dioda luminescent i fotodiod este ceadinfigura1.19.e.noptocuploarenuexistlegturelectricsau magnetic ntre emitor i receptor.Stabilitateaelectricamaterialelordincaresuntconfecionate optocuploarelepermitetransmitereasemnalelorladiferenedepotenialde ordinul a 103 V ntre emitor i fotoreceptor, n condiiile absenei complete acanalelorparazitaredetransmitereainformaieiprincapacitiproprii, cmp magnetic, etc. Dificultateautilizriioptocuploarelorcudiodconstnvaloarea micfactoruluidetransferncurent,Ai =intiesII,neajunscepoate finlturat prinutilizareaoptocuploarelorcufototranzistor.Unaltneajunsal optocuploarelor este reprezentat de n neliniaritatea acestora.

44 2.REDRESOARE DE MIC PUTERE PENTRU CURENT MONOFAZAT 2.1.Schema bloc a redresorului Redresoarele se construiesc pe baza schemei clasice, de redresor cuplat lareeaprintransformator,saufrtransformatoriacruifuncionarese bazeazpetransformareamultiplaenergieielectrice.Pentrunceput,s analizm schema tradiional, care se compune din urmtoarele: (figura 2.1):-Ttransformatorridictorsaucobortordetensiune,nfunciede raportuldintretensiunealaieireasurseidealimentareitensiunea reelei; -R grup redresor, care servete la transformarea curentului alternativ n curent continuu (de sens unic); -F filtru pentru netezirea pulsaiilor tensiunii redresate; -ST stabilizator de tensiune continu, care asigur valoarea constant a tensiuniideieirelavariaiarezisteneisarcinii,atensiuniide alimentare, etc. nfigura2.1suntreprezentateidiagrameletensiuniindiferitepri aleschemeiredresoruluipentrudouvalorialetensiuniidereea.Partea principaladispozitivuluiestegrupulredresor,ceconineungrupde elementeneliniare,cuconducieunilateral(ntr-unsingursens).Ca dispozitive redresoare, la sursele de alimentare de putere mic se folosesc de obicei diodele cu siliciu i, mai rar, cele cu germaniu. Celelalte elemente ale schemeipot s lipseasc n cazuri particulare. Fig. 2. 1 - Schema bloc a sursei de tensiune continu de putere mic (a) i diagramele de timp pentru tensiunile din surs 45 2.2.Redresoare monofazate cu sarcin activ Sanalizmfuncionarearedresoruluimonofazatcupunctdenulal transformatorului (figura 2.2.a). Cnd polaritatea tensiunii alternative este cea indicatnfigura2.2,pediodaD1seaplictensiuneadirect(pluslaanod, minus la catod). DiodaD1conducecurentulia,caresenchideprinsarcinaRSisemi-nfurareasuperioarasecundaruluitransformatorului.Seconsiderc diodelesuntideale,adicaucderedetensiunenullatrecereacurentului directprinacesteaicurentulinversestenulcndpeacesteaseaplic tensiuneinvers.Astfel,sepoateconsideracanodulicatoduldiodeisunt scurtcircuitate pentru curentul n sens direct, iar n cazul aplicrii pe diod a uneitensiuniinverse,circuitulacesteiaseconsiderntrerupt.nlegturcu aceastaproximare,tensiuneapesarcin,ud,nsemiperioada[0,](figura 2.2.b) se consider egal cu tensiunea la bornele semi-nfurrii superioare a secundaruluitransformatorului:ud(t)=e2(t).nacesttimp,diodaD2este polarizatinversinupermitetrecereacurentului.nadouasemiperioad, [,2],datoritschimbriipolaritiitensiuniialternativennfurrile secundare ale transformatorului, se deschide dioda D2 i pe sarcin se aplic tensiuneasemi-nfurriiinferioare.ncontinuare,lucrurileserepet periodici,prindeschidereasuccesivadiodelor,tensiuneaudconstdin semisinusoide pozitive care se succed (figura 2.2.b). Fig. 2. 2 - Schema redresorului monoalternan cu nul i sarcin activ (a) i diagrama de timp pentru curenii i tensiunile redresorului (b) 46 Tensiunea pe sarcin, ud, este constant ca sens, dar nu este constant ca mrime.Pulsaiatensiunii,adicvariaiaacesteia,atestexistenaunei componentevariabilencurbatensiuniiredresateiindicfaptulc redresareaesteincomplet.Cumtensiuneadeieire,ud,reprezintofuncie periodic,eapoatefidescompusnserieFourier,adicsubforma:ud (t)= Ud +up(t),undeUd =( )T0ddt t uT1estecomponentacontinuutilsau valoarea medie a tensiunii pe o perioad a curbei ud, iar up(t) este componenta variabil,egalcusumatuturorcomponentelorarmonice.nfigura2.3este reprezentatdescompunereagraficacurbeitensiuniiud(t)ndou componente.Sepoateconsiderac,pesarcin,acioneaztensiunea constantcamrimeiform,Ud,distorsionatdecomponentaalternativ, up.Caracteristicadebazatensiuniiredresateestevaloareamedie.Eaeste egalcunlimeadreptunghiuluiacruisuprafaesteegalcusuprafaa limitatdecurbatensiunii,axaabsciseloridoudrepteverticalesituatela distanaegalcuoperioad(figura2.3).nschemaanalizat,perioada tensiuniideieireesteegalcu,dincarecauz,Ud= 0dmd sin U1,unde = t. Avnd vedere c valoarea maxim a tensiunii pe sarcin, Udm, esteegalcuamplitudineaE2m =2 E2,undeE2estevaloareaefectiva tensiunii e2 la bornele nfurrii secundare a transformatorului, rezult: Ud = = 202E 2 2d sin E 21=0,9E2 (2. 1) Ceamaimarevaloareaamplitudiniincurbatensiuniiredresateoare armonicaI,acreifrecvenpestede2orimaimaredectfrecvena tensiuniidealimentare.Aceastarmonicestecelmaigreudeatenuatcu filtre,motivpentrucare,pebazavaloriiacesteia,sefaceoapreciereasupra distorsionriitensiuniiredresate.nfigura2.3,culiniepunctateste reprezentatarmonicaIacomponenteialternativeatensiuniiredresate,up1, amplitudinea acesteia fiind Up1m.Pulsaia tensiuniiredresatesecaracterizeazprin factorulde ondulaie, ,egalcuraportuldintreamplitudineatensiuniiprimeiarmonicia componentei alternative i valoarea tensiunii componentei continue: = dm 1 pUU (2. 2) DindescompunereanserieFourieracurbeitensiuniiredresate,se obine formula: = 1 m22 (2. 3) 47 undemestefactoruldemultiplicareafrecveneicomponenteialternativea tensiuniiredresatenraportcufrecvenareelei,caredepindedeschemade redresare i se numete pulsaia redresorului. Pentruredresoarelemonofazateanalizate,cumesteceldinfigura 2.2.a, m = 2, iar = 0,67. Pentru alegerea diodelor n schema din figura 2.2.a, sedeterminvaloareamedieacurentuluiprinacestea.Pebazadiagramelor de timp din figura 2.2.b, se constat c: Ia = Sd dR 2U2I=(2. 4) Pediodablocat,seaplictensiuneaadounfurrisecundare.Din aceastcauz,tensiuneainversmaximpediod,avndnvedererelaia (2.1), este: Uinv nul = 2E2m = 2 2 E2 = Ud (2. 5) Pe baza valorilor calculate ale lui Ia i Uinv, se aleg diodele convenabile. Putereaactivtotaltransmisnsarcin,nschemadinfigura2.2.a, estedeterminatdevaloareaefectivE2:P= S22RE.Putereaactivtransmis subformacomponenteicontinueacurentului,estedeterminatdevaloarea medieUd=0,9E2:P= S2dRU=0,81P.Prinurmare,nschemadinfigura 2.2.a, o parte substanial din puterea activ se transmite n sarcin sub forma componenteialternative(neredresate),ceeaceconfirminsuficiena redresrii. Fig. 2. 3 Descompunerea grafic a tensiunii redresate n componenta continu i cea alternativ 48 2.3.Redresoare monofazate cu sarcin inductiv Sanalizmfuncionarearedresoruluimonofazatnpunte(figura 2.4.a). Pentru semiperioadapozitiv a tensiunii electromotoare e2 (intervalul [0,])ipentrupolaritateaindicatnfigura2.4.a,curentulredresattrece prindiodaD1,sarcinaRs-LsidiodaD4.DiodeleD3iD2suntpolarizate inversinuconduccurent.Prinschimbareapolaritiitensiuniialternative (intervalul[,2]),sedeschiddiodeleD2iD3,nscurentulnsarcini meninesensulanterior.Dacsarcinaesteactiv(Ls =0),atuncicurentulId repet forma tensiunii n sarcin; curenii bobinelor primar i secundar, i1 i i2auformsinusoidal(figura2.4.b).Dacncircuitulsarciniiexisto inductan(Ls0),easeopunevariaieicurentuluinsarciniacestanu reuetesurmreasctensiuneaud,astfelnctcurentulIdsevanetezi (figura2.4.c).Cndinductanaestemare(XL =pLS>10RS),datorit pulsaiilor mici, curentul n sarcin poate fi considerat constant (adic netezit total), caz n care transmiterea puterii active n sarcin de ctre componentele alternativealecurentuluilipsete.nacestregim,curentulprindiode,ia, curentuli2nsecundaricurentuli1nprimarultransformatoruluicapt forma impulsurilor dreptunghiulare. Fig. 2. 4 - Schema redresorului monoalternan n punte (a) i diagrama de timp pentru curenii i tensiunile re