Componente electronice

nvmntul profesional i tehnic n domeniul TICProiect cofinanat din Fondul Social European n cadrul POS DRU 2007-2013

Beneficiar Centrul Naional de Dezvoltare a nvmntului Profesional i Tehnic

str. Spiru Haret nr. 10-12, sector 1, Bucureti-010176, tel. 021-3111162, fax. 021-3125498, vet@tvet.roCircuite cu componente electronice analogice Material de predare partea I Domeniul: Electronic automatizriCalificarea: Tehnician n automatizriNivel 3 2009AUTOR:

DANIELA CONDEI prof. grad didactic I.COORDONATOR:GABRIELA DIACONU - prof. grad didactic IAcest material a fost elaborat n cadrul proiectului nvmntul profesional i tehnic n domeniul TIC, proiect cofinanat din Fondul Social European n cadrul POS DRU 2007-2013Cuprins4I. Introducere

5II. Documente necesare pentru activitatea de predare

6III. Resurse

6Tema 1. Diode semiconductoare

6Fia suport 1.1 Dioda semiconductoare

9Fia suport 1.2 Tipuri de diode semiconductoare

13Tema 2. Tranzistorul bipolar

13Fia suport 2.1 Funcionarea tranzistorul bipolar

16Fia suport 2.2 Carateristicile tranzistorul bipolar

20Tema 3. Tranzistoare cu efect de cmp

20Fia suport 3.1 Tranzistoare cu efect de cmp

22Fia suport 3.2 Tranzistoare cu efect de cmp cu jonciune (TECJ)

25Fia suport 3.3 Tranzistoare cu efect de cmp cu poart izolat

29Tema 4. Tiristorul

29Fia suport 4.1 Tiristorul

32Tema 5. Dispozitive optoelectronice

32Fia suport 5.1 Dispozitive optoelectronice bazate pe efectul fotoelectric intern

35Fia suport 5.2 Dispozitive optoelectronice electroluminiscente

37IV. Fia rezumat

38V. Bibliografie

39VI. Anexe

39Anexa 1 Tipuri de diode i utilizrile acestora

40Anexa 2 Caractertisticile statice ale tranzistorului bipolar n conexiune EC

I. IntroducereMaterialele de predare reprezint o resurs suport pentru activitatea de predare, instrumente auxiliare care includ un mesaj sau o informaie didactic.

Prezentul material de predare, se adreseaz cadrelor didactice care predau n cadrul liceului tehnologic, filier tehnologic, profil tehnic, domeniul Electronic i automatizri, calificarea Tehnician n automatizri.

El a fost elaborat pentru modulul X: Circuite cu componente electronice analogice, ce se desfoar n 33 ore, din care:

Laborator tehnologic 16 oreCompeteneTemeFie suport

Identific componentele electronice analogice Tema 1 Diode semiconductoare Fia 1.1 Dioda semiconductoare

Fia 1.2 Tipuri de diode semiconductoare

1. Tema 2 Tranzistorul bipolar Fia 2.1 Funcionarea tranzistorului bipolar

Tema 3 Tranzistoare cu efect de cmp Fia 3.1 Tranzistoare cu efect de cmp Fia 3.2 Tranzistoare cu efect de cmp cu jonciune

Fia 3.3 Tranzistoare cu efect de cmp cu poart izolat

Tema 4 Tiristorul Fia 4.1 Tiristorul

Tema 5 Dispozitive optoelectronice

Fia 5.1 Dispozitive optoelectronice bazate pe efectul fotoelectric intern Fia 5.2 Dispozitive optoelectronice electroluminiscente

Verific funcionalitatea componentelor electronice analogice Tema 1 Diode semiconductoare Fia 1.1 Dioda semiconductoare

Fia 1.2 Tipuri de diode semiconductoare

Tema 2 Tranzistorul bipolar Fia 2.1 Funcionarea tranzistorului bipolar Fia 2.2 Caracteristicile tranzistorului bipolar

Tema 3 Tranzistoare cu efect de cmp Fia 3.2 Tranzistoare cu efect de cmp cu jonciune

Fia 3.3 Tranzistoare cu efect de cmp cu poart izolat

Tema 4 Tiristorul Fia 4.1 Tiristorul

Tema 5 Dispozitive optoelectronice Fia 5.1 Dispozitive optoelectronice bazate pe efectul fotoelectric intern Fia 5.2 Dispozitive optoelectronice electroluminiscente

Absolvenii nivelului 3, liceu tehnologic, calificarea Tehnician n automatizri, vor fi capabili s ndeplineasc sarcini cu caracter tehnic i se vor familiariza cu principiile de funcionare, caracteristicile i parametrii specifici ai componentelor analogice de circuit dar i cu schemele de principiu i funcionarea circuitelor electronice uzuale.II. Documente necesare pentru activitatea de predare

Pentru predarea coninuturilor abordate n cadrul materialului de predare cadrul didactic are obligaia de a studia urmtoarele documente: Standardul de Pregtire Profesional pentru calificarea Tehnician n automatizri, nivelul 3 www.tvet.ro, seciunea SPP sau www.edu.ro , seciunea nvmnt preuniversitar Curriculum pentru calificarea Tehnician n automatizri, nivelul 3 www.tvet.ro, seciunea Curriculum sau www.edu.ro , seciunea nvmnt preuniversitar

Alte surse pot fi: lecii AeL http://portal.edu.ro/index.php/base/materiale/ http://www.datasheet4u.com/ http://vlab.unitbv.ro/VELab/papers/datasheets.phpIII. Resurse

Tema 1. Diode semiconductoareFia suport 1.1 Dioda semiconductoareDispozitivele semiconductoare au n construcia lor regiuni ale reelei monocristaline cu diverse impurificri att ca mrime a concentraiei ct i ca tip de impuritate (regiune de tip donor - n, regiune tip acceptor - p). Cele mai utilizate materiale semiconductoare folosite n construcia dispozitivelor semiconductoare de circuit sunt siliciul i germaniul.

Jonciunea pn (Fig.1.1.1) reprezint o zon de contact dintre dou cristale semiconductoare, unul de tip p i unul de tip n, avnd o grosime foarte mic de aproximativ 10-8 ... 10-6 m. Datorit faptului c n zona jonciunii se creeaz un cmp electric intern, se obine o barier de potenial, al crei efect principal const n modificarea rezistenei de trecere a jonciunii, n funcie de polarizarea exterioar a terminalelor cristalelor.

Fig. 1.1.1 Jonciunea pn

Jonciunea pn are o importan esenial n funcionarea unei clase mari de dispozitive electronice. Majoritatea dispozitivelor electronice semiconductoare conin una sau mai multe jonciuni.

Dioda (grec.: di - doi, dublu; hodos - drum) este o component electronic constituit dintr-o jonciune pn prevzut cu contacte metalice la regiunile p i n i introdus ntr-o capsul din sticl, material plastic, ceramic sau metal.

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

Dioda semiconductoare, al crei simbol este reprezentat n Fig. 1.1.2, se caracterizeaz prin conducie unidirecional:

- 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).

Fig. 1.1.2 Simbolul general al diodei semiconductoare

Funcionarea diodei este descris prin intermediul unui grafic denumit caracteristica static de funcionare (Fig. 1.1.3). Aceasta furnizeaz informaii despre modul n care curentul prin diod variaz n funcie de tensiunea care se aplic ntre terminalele acesteia.

Fig. 1.1.3 Caracteristica de funcionare a diodei semiconductoare

n cazul n care tensiunea pe diod este pozitiv, se spune c aceasta funcioneaz n conducie direct. n cazul n care tensiunea pe diod este negativ, se spune c aceasta funcioneaz n conducie invers.

Prin noiunea de polarizare a unei diode se nelege stabilirea tipului de conducie n curent continuu. Astfel, dac dioda funcioneaz n curent continuu n conducie direct, se spune c aceasta este polarizat direct. Analog, dac dioda funcioneaz n curent continuu n conducie invers, se spune c aceasta este polarizat invers.

Funcionarea n curent continuu a unei diode este complet caracterizat de ctre valorea curentului continuu care trece prin aceasta i de tensiunea continu ntre terminalele diodei.

Perechea de mrimi electrice compus din curentul continuu prin diod i de tensiunea continu pe diod se numete Punct Static de Funionare, prescurtat PSF, fiind reprezentat n planul caracteristicii, cu coordonatele iA, uA.

Punctul Static de Funcionare furnizeaz ntotdeauna informaii despre regimul n care funcioneaz dioda. Aceast observaie este valabil i pentru alte tipuri de dispozitive semiconductoare.

Polarizarea diodei este realizat prin intermediul unui circuit special, numit circuit de polarizare. Circuitul de polarizare conine ntotdeauna o surs de alimentare (o surs de tensiune continu sau o surs de curent continuu), care se mai numete i surs de polarizare i o rezisten de polarizare care are rolul de a limita curentul prin diod astfel nct aceasta s nu se distrug.

Principalii parametrii ai diodei semiconductoare sunt:

Tensiunea de deschidere, (UD) - la diodele care sunt construite din germaniu UD este cuprins ntre 0,2V- 0,4V, iar cele din siliciu ntre 0,4V- 0,8V; Curentul maxim direct, (IAm); Tensiunea maxim invers, (UBR). Sugestii metodologice

CU CE? tipuri de diode semiconductoare; lecii AeL: Jonciunea pn dioda semiconductoare n polarizare direct i Dioda semiconductoare calculator cu soft educaional; folii transparente cu jonciunea pn, caracteristica curent - tensiune a diodei semiconductoare.

CUM?

metode de nvmnt: explicaia; observaia dirijat; problematizare; conversaia euristic;

activiti practice de determinare a PSF, msurarea parametrilor, vitualizarea caracteristicilor.

organizarea clasei: frontal, pe grupe de elevi sau invididualUNDE?

sala de clas;

laborator tehnologic;

laborator informatizat.

Respectnd SPP-ul, cadrul didactic, stabilete numrul de ore alocat fiecrei teme i are libertatea de a dezvolta fiecare tem parcurs n funcie de nivelul de cunotine al elevilor, de ritmul lor de asimilare a cunotinelor i deprinderilor.

Fia suport 1.2 Tipuri de diode semiconductoare

Diodele redresoare sunt utilizate pentru redresarea curentului electric alternativ. Frecvena semnalelor redresate este, de regul, frecvena industrial (50/60Hz).Se pot construi cu germaniu, cu siliciu, iar la puteri mici, cu seleniu. Cele mai rspndite sunt cele cu siliciu. Avantajele diodelor cu siliciu fa de cele cu germaniu sunt:

curentul invers este mult mai mic;

tensiunea de strpungere este mult mai mare;

temperatura maxim de lucru de 190 grade fa de 90 grade la germaniu.

Dezavantajul diodelor cu siliciu fa de cele cu germaniu este:

tensiunea de deschidere puin mai mare.

Performanele unei diode redresoare sunt caracteristice prin 2 mrimi limit care nu trebuie depite n timpul funcionrii:

Intensitatea maxim a curentului direct (IM), de ordinul amperi - zeci de mii de amperi;

Tensiunea invers maxim (UM), de ordinul zeci de voli - zeci de mii de voli.

Parametrii acestor diode sunt:

Tensiunea invers repetitiv maxim admis, (URM); Curentul mediu redresat (curentul mediu la care poate fi solicitat dioda), I0; Cderea de tensiune n regim de polarizare direct la un curent dat, (UFM); Rezistena termic jonciune capsul, (Rthj-c), sau jonciune ambiant, (Rthj-a).

Diodele varicap (varactoare), cu simbolul din Fig. 1.2.1, prezint capaciti diferite n funcie de tensiunea de polarizare. Denumirea diodei provine de la VARIable CAPacitor.

Fig. 1.2.1 Simbolul diodei varicap

Aceste diode utilizeaz proprietatea jonciunii p-n de a se comporta ca o capacitate ce depinde de tensiunea continu de polarizare invers (aceasta este capacitatea de barier).

Posibilitatea 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 cu siliciu pentru a avea o rezisten intern mai mare n polarizarea invers. n acest fel ele pot fi asimilate cu un condensator cu pierderi neglijabile.

Diodele Zener (diode stabilizatoare), cu simbolul din Fig. 1.2.2, sunt diode de construcie special, care nu se distrug n cazul n care se strpung, ci funcioneaz chiar n regiunea de strpungere i se utilizeaz ca stabilizatoare de tensiune.

Fig. 1.2.2 Simbolul diodei Zener

Funcionarea acestora 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, cum se poate observa n caracteristica curent tensiune (Fig. 1.2.3).

Fig. 1.2.3 Caracteristica curent - tensiune a diodei ZenerDioda funcioneaz ntr-un regim de strpungere controlat, n care att curentul ct i puterea disipat sunt meninute la valori pe care dioda le poate suporta n regim permanent, fr s se distrug.

Dioda Zener este construit cu siliciu, caracteristica de funcionare a acesteia modificndu-se la variaia temperaturii de lucru.Cnd este polarizat direct (+ pe anod i pe catod) funcioneaz ca o diod cu jonciune i cnd este polarizat invers (- pe anod i + pe catod) funcioneaz n regim de strpungere.

Parametrii principali ai diodelor Zener sunt:

Tensinea nominal de stabilizare, (UZ); Rezistena dinamic, (Rzd); Curentul maxim admis n polarizare invers, (IZmax); Puterea de disipaie a diodei, (Pd); Coeficientul de variaie a tensiunii stabilizate cu temperatura, ().

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

Fig. 1.2.4 Simbolul diodei tunelLa baza funcionrii diodelor tunel st aa - numitul efect tunel.

Efectul tunel const n faptul c un electron cu energie mai mic dect bariera energetic corespunztoare barierei de potenial reuete s treac dincolo de aceasta nu peste barier ci prin ea (ca printr-un tunel).

Diodele tunel au concentraii mari de impuriti att n zona p ct i n zona n (jonciune de tip p+n+). De aceea, regiunea de trecere este foarte ngust n raport cu diodele obinuite. La polarizare direct caracteristica curent - tensiune (Fig. 1.2.5) are forma literei N i posed o zon p-v de rezisten negativ de valoarea zecilor de ohmi. La polarizare invers dioda tunel nu are regim de saturaie, ci are o rezisten intern foarte mic. De aceea o inversare a tensiunii pe dioda tunel poate duce la distrugerea acesteia. Diodele tunel au o vitez de comutare foarte mare.

Fig. 1.2.5 Caracteristica curent tensiune a diodei tunel

Pentru o bun funcionare este de dorit ca raportul dintre curentul maxim i curentul minim s fie ct mai mare. Dac se folosete ca material semiconductor, arseniura de galiu acest raport depete valoare 15.Dioda tunel lucreaz la puteri mici de ordinul wailor. Caracteristica diodei nu depinde de variaiile de temperatur de aceea ea poate lucra la frecvene foarte nalte de ordinul 104 MHz.

Parametrii diodei tunel sunt:

Punctul de vale corespunztor curentului Iv i tensiunii Uv; Punctul de vrf corespunztor curentului Ip i tensiunii Up.

Aceast diod este folosit la realizarea urmtoarelor circuite:

amplificatoare de frecvene 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 ieire. Sugestii metodologice

CU CE?

tipuri de diode semiconductoare;

lecii AeL: Dioda Zener dioda tunel; calculator cu soft educaional; folii transparente cu simbolurile, caracteristicile curent tensiune ale diferitelor tipuri de diode semiconductoare.

CUM?

metode de nvmnt: explicaia; observaia dirijat; problematizarea; conversaia euristic;

activiti practice de msurarea parametrilor, vizualizarea caracteristicilor. organizarea clasei: frontal, grupe de elevi sau individualUNDE?

sala de clas;

laborator tehnologic;

laborator informatizat.

Respectnd SPP-ul, cadrul didactic, stabilete numrul de ore alocat fiecrei teme i are libertatea de a dezvolta fiecare tem parcurs n funcie de nivelul de cunotine al elevilor, de ritmul lor de asimilare a cunotinelor i deprinderilor.

Tema 2. Tranzistorul bipolarFia suport 2.1 Funcionarea tranzistorul bipolar

Tranzistorul bipolar este un dispozitiv semiconductor cu dou jonciuni n succesiune npn sau pnp. Cele trei zone se numesc emitor (E), baz (B), colector (C). Se numete bipolar deoarece conducia este asigurat de dou tipuri de purttori de sarcin, electroni i goluri. Se folosete n circuitele electronice att digitale ct i analogice, de obicei pentru amplifica sau transmite un semnal electric.

Particulariti constructive:

- E este mult mai impurificat dect B sau C;- B este mult mai subire dect E i C (de ordinul micronilor sau chiar zecimilor de microni).n simbolurile grafice corespunztoare celor dou structuri, npn i pnp (Fig. 2.1.1), sgeata din simbol corespunde jonciunii pn emitor-baz (vrful sgeii merge ntotdeauna de la zona p spre zona n) i arat i sensul normal pozitiv al curentului principal prin tranzistor.

Fig. 2.1.1 Structura i simbolurile grafice ale tranzistorului bipolar

Se pot defini trei cureni i trei tensiuni (Fig. 2.1.2), dar pentru descrierea funcionrii nu sunt necesare toate aceste ase mrimi. Tensiunile i curenii sunt legate prin relaiile:

uCB = uCE + uEB i iE = iB + iC

Fig. 2.1.2 Curenii i tensiunile tranzistorului bipolarTranzistorul poate fi asimilat cu un nod n care suma algebric a curenilor este zero,deci numai dou tensiuni i doi cureni sunt independeni. Alegerea mrimilor electricecare descriu comportarea tranzistorului se poate face n moduri diferite. Se consider tranzistorul ca un diport (cuadripol), adic un bloc cu dou intrri i cu dou ieiri dar dat fiind faptul c tranzistorul are numai trei borne, una trebuie s fie comun intrrii i ieirii. Borna comun definete conexiunea tranzistorului.

n principiu un tranzistor bipolar este o pastil de siliciu dopat astfel inct s se creeze trei straturi dopate diferit, i deci dou jonciuni pn; una emitor-baz i alta baz-colector. Tranzistoarele pot fi pnp (zona din mijloc dopat cu elemente donoare de electroni, celelalte dou dopate cu elemente acceptoare), sau npn (dopat invers). Totui, din cauza grosimii foarte mici a zonei centrale (baza), cele dou jonciuni nu funcioneaz independent i ntre terminalele extreme (colector i emitor) poate aprea un curent, aceasta fiind i proprietatea cea mai important a tranzistorului, i aceea care permite folosirea lui pe post de amplificator.

Fig. 2.1.3 Structura tranzistorului npn n circuitul de alimentare i distribuia curenilorPentru funcionarea tranzistorului a crui structur i alimentare sunt prezentate n Fig. 2.1.3, pe jonciunea baz-colector, se aplic o tensiune invers, cu polul pozitiv la partea n, adic la colector. Deoarece n zona p nu sunt electroni liberi care s fie atrai de polul pozitiv de la colector, n circuitul colectorului curentul este practic nul. Dac n baz se injecteaz electroni din emitor, prin aplicarea unei tensiuni directe pe jonciunea emitor-baz, electronii injectati vor fi atrai de colectorul pozitiv i n circuitul colectorului va circula curent. n acest fel curentul n circuitul colectorului este comandat de curentul din circuitul emitorului, care la rndul su este determinat de tensiunea aplicat ntre emitor i baz (EE). Peste anumite valori ale tensiunii baz-colector (EC) toi electronii injectai n baz sunt colectai de colector, curentul de colector atinge valori de saturaie i curentul de baz (care circul ntre baz i sursa EC) este foarte mic. Se observ c pe msur ce crete curentul emitorului crete i curentul colectorului, iar tensiunea baz-colector, practic, nu influeneaz curentul colectorului.

Aplicnd ntre emitor i baz o tensiune alternativ, variaiile de tensiune provoac variaii ale curentului emitorului, care produc variaii ale curentului colectorului. Pe rezistorul de sarcin Rs, mare, din circuitul colectorului, variaiile de curent produc variaii de tensiune mai mari dect ale tensiunii de intrare. Aadar tranzistorul poate funciona ca amplificator de tensiune. Pentru ca semnalul amplificat s nu fie deformat, n circuitul emitorului se introduce o tensiune continu U0 care are rolul de a stabili un punct de funcionare al tranzistorului: tensiunea U0 produce un anumit curent de emitor, n jurul cruia se produc variaiile de tensiunea alternativ. Aceast amplificare poate lua valori mari. Deoarece tranzistorul amplific n putere, adic transfer curentul din circuitul de intrare de rezisten mic n circuitul de ieire de rezisten mare, de aici denumirea TRANSfer reZISTOR adic transfer de rezisten.

Acest efect de comand a curentului printr-o jonciune polarizat invers cu ajutorul curentului unei jonciuni polarizate direct i plasat n apropiere, se numeste efect de tranzistor.

Sugestii metodologice

CU CE?

tipuri de tranzistoare bipolare;

lecii AeL: Tranzistoare bipolare, Polarizarea tranzistoarelor bipolare partea I, Polarizarea tranzistoarelor bipolare partea II; folii transparente cu structura, simbolurile, funcionarea tranzistorului bipolar.

CUM?

metode de nvmnt: explicaia; observaia dirijat; problematizare; conversaia euristic; activiti practice de msurarea parametrilor, vizualizarea caracteristicilor. organizarea clasei: frontal, pe grupe de elevi sau individualUNDE?

sala de clas;

laborator tehnologic; laborator informatizat.

Respectnd SPP-ul, cadrul didactic, stabilete numrul de ore alocat fiecrei teme i are libertatea de a dezvolta fiecare tem parcurs n funcie de nivelul de cunotine al elevilor, de ritmul lor de asimilare a cunotinelor i deprinderilor.

Fia suport 2.2 Carateristicile tranzistorul bipolar

n funcie de modul n care sunt polarizate cele dou jonciuni, un tranzistor bipolar se poate afla n urmtoarele regimuri de funcionare:

a) regimul activ normal, n care jonciunea emitor-baz este polarizat direct iar jonciunea colector-baz este polarizat invers. n acest regim se obine cea mai mare amplificare;b) regimul invers n care jonciunile sunt polarizate invers fa de cazul anterior;c) regimul de blocare n care ambele jonciuni sunt polarizate invers. n acest caz tranzistorul este blocat (prin el nu circul curent);d) regimul de saturaie n care cele dou jonciuni sunt polarizate direct.

Cea mai mare parte a aplicailor folosesc tranzistorul bipolar n regimul activ normal de funcionare.

n regim activ normal al unui tranzistor npn, curentul total al emitorului IE = IEn + IEp + IErec este alctuit din curentul IEn de electroni, injectai din emitor n baz, curentul IEp a golurilor, injectai din baz n emitor, i curentul IErec de recombinare a purttorilor de sarcin n jonciunea emitorului. n aceast sum numai prima component este util, deoarece anume ea influeneaz asupra curentului colectorului, celelalte componente sunt duntoare, i se tinde de obinut valorile lor ct mai mici. Micarea electronilor, injectai n baz este condus de recombinarea unei pri e electronilor, de aceea curentul electronilor ICn ce se apropie de jonciunea colectorului, este mai mic ca curentul IEn cu mrimea IBrec, ce se numete curentul de recombinare n baz, care se tinde de a fi micorat.

Curenii tranzistorului. Notnd IE ( unde - coeficient de transfer al emitorului) acea parte a curentului emitorului care trece prin jonciunea colectorului, vom scrie expresia pentru curentul colectorului n modul urmtor:

IC = IE + ICB0Curentul invers al colectorului. ICB0 este egal cu curentul ce trece prin jonciunea colectorului, cnd la colector se aplic tensiune invers i cnd curentul emitorului este egal cu zero.

Prin contactul bazei trece curentul IB, care este egal cu diferena dintre curentul emitorului i colectorului:

IB = IE ICDin cele dou relaii avem:

IB = IE (1 ) ICB0Dac vom deconecta circuitul emitorului (IE = 0 i IC = ICB0), atunci vom avea:

IB = ICB0n aa mod, prin contactul emitorului (circuitul emitor - baz) curge curentul de dirijare IE (de intrare), prin contactul colectorului (circuitul colector - baza) curentul de dirijare IE (de ieire) i curentul invers al colectorului ICB0, iar prin contactul bazei diferena curentului emitorului i colectorului.n tranzistoarele reale curenii IE i IC i creterile lor IE i IC sunt aproximativ egale dup valori.

Coeficienii de transfer a curenilor. Modificarea curentului colectorului rezultat din modificarea curentului emitorului este condiionat numai de electroni. ns, curentul total al emitorului este determinat att de electroni ct i de goluri. Cu ct mai muli electroni (n comparaie cu numrul golurilor) trec prin jonciunea emitorului i cu ct mai puini din aceti electroni se recombin n baz, neajungnd la jonciunea colectorului, cu att mai bine tranzistorul transmite schimbrile curentului emitorului n circuitul colectorului.Coeficientul static de transfer al emitorului poate fi determinat dup formula:

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

Caracteristicile statice ale unui tranzistor bipolar sunt grafice ce reprezint dependena dintre curenii ce trec prin bornele tranzistorului i tensiunile ce se aplic la aceste borne. Tranzistorului fiind un dispozitiv cu trei borne, n orice schem electric el poate fi conectat n trei moduri diferite: conectare cu baza comun (BC) (Fig. 4.2.1.a), conectare cu emitorul comun (EC) (Fig. 4.2.1.b) i cu colectorul comun (CC) (Fig. 4.2.1.c).

a baz comun;

b emitor comun;

c colector comun

Fig. 4.2.1 Moduri fundamentale de conectare ale tranzistorului

Fiecare din schemele de conectare ale tranzistorului se caracterizeaz prin patru familii de caracteristici:

Iie = f (Uie) la Iin = const caracteristici de ieire; Uin = f (Iin) la Uie = const caracteristici de intrare; Iie = f (Iin) la Uie = const caracteristici de transfer a curentului; Uin = f (Uie) la Iin = const caracteristici de reacie invers dup tensiune.n cataloage de obicei sunt prezentate primele dou tipuri de caracteristici (de intrare i de ieire), cci sunt cele mai importante i utilizabile. n anexa 2 prezentm caracteristicile statice ale tranzistorului bipolar n conexiune EC.

Indiferent de tipul tranzistorului, n planul caracteristicilor de ieire se disting trei regiuni de lucru :

- regiunea de saturaie care se afl n extremitatea stng a caracteristicilor de ieire;- regiunea de blocare care se afl sub caracteristica IB = 0;- regiunea activ normal de lucru care se afl ntre cele dou regiuni de blocare i saturaie.

Asigurarea integritii tranzistoarelor necesit considerarea unor limitri impuse mrimilor ce le determin regimul de lucru. Valorile maxime absolute sunt valori care nu trebuie depite n timpul funcionrii montajului, deoarece se pot produce defectarea tranzistorului. De regul n aceast grup apar:

tensiunile maxime ntre terminale: VCB0, VCE0, VEB0; curentul maxim de collector i de baz: ICM, IBM;

puterea maxim disipat: Ptot;

temperature maxim a jonciunii: TjM.

O regul practic util recomand ncrcarea tranzistorului la cel mult, 0,75 din valorile de catalog ale acestor parametri.

Tranzistoarele pot fi folosite n echipamentele electronice cu componente discrete, n amplificatoare de semnal (n domeniul audio, video, radio), amplificatoare de instrumentaie, oscilatoare, modulatoare i demodulatoare, filtre, surse de alimentare liniare sau n comutaie sau n circuite integrate, tehnologia de astzi permind integrarea ntr-o singur capsul a milioane de tranzistori. Sugestii metodologice

CU CE? tipuri de tranzistoare bipolare;

lecii AeL: Caracteristicile statice ale tranzistoarelor bipolare, Modele pentru tranzistori bipolarei n regim dinamic;

calculator cu soft educaional ; folii transparente cu modurile de conectare i caracteristicile tranzistoarelor bipolare.

CUM?

metode de nvmnt: explicaia; observaia dirijat; problematizare; conversaia euristic;

activiti practice de msurarea parametrilor, vizualizri de caracteristici

organizarea clasei: frontal, pe grupe de elevi sau individualUNDE?

sala de clas;

laborator tehnologic; laborator informatizat.

Respectnd SPP-ul, cadrul didactic, stabilete numrul de ore alocat fiecrei teme i are libertatea de a dezvolta fiecare tem parcurs n funcie de nivelul de cunotine al elevilor, de ritmul lor de asimilare a cunotinelor i deprinderilor.

Tema 3. Tranzistoare cu efect de cmpFia suport 3.1 Tranzistoare cu efect de cmp

Tranzistoarele cu efect de cmp prescurtate TEC sau FET (Field Effect Transistor) fac parte din familia tranzistoarelor unipolare. Spre deosebire de tranzistoarele bipolare, unde conducia electric este asigurat de dou categorii de purttori, electroni i goluri, la tranzistoarele unipolare conducia electric este asigurat de un singur tip de purttor de sarcin, fie electroni, fie goluri. Funcionarea lor se bazeaz pe variaia conductivitii unui "canal" dintr-un material semiconductor, ale crui dimensiuni transversale sau concentraii de purttori de sarcin mobili pot fi controlate cu ajutorul cmpului electric transversal, creat ntre un electrod de comand numit poart (gate) situat n vecintatea canalului i masa semiconductorului unde este format sau indus acest canal.

Ele se impart n dou categorii, n funcie de tipul de purttori care produc curentul electric:

TEC cu canal de tip n, n care purttorii sunt electroni;

TEC cu canal de tip p, n care purttorii sunt goluri.

Dup modul de realizare a controlului conductanei canalului, TEC se mpart n:

TEC cu jonciuni (TECJ sau J-FET);

TEC cu gril (poart izolat), avnd la baz structura metal oxid semiconductor (MOS), numit prescurtat TECMOS sau TECMIS (metal izolator semiconductor)

Tranzistoarele cu efect de cmp sunt larg utilizate n prezent, datorit avantajelor: Tranzistorul bipolar este un dispozitiv comandat n curent, iar TEC, un dispozitiv comandat n tensiune;

Impedana de intrare emitor-baz a tranzistoarelor bipolare este mic de ordinul x (0.1 1) k( - reprezentnd impedana unei diode polarizate direct. Tranzistoarele unipolare au impedan de intrare foarte mare de ordinul x 100 M(. La TEC-J, aceast impedan corespunde unei jonciuni polarizate invers (n circuitul de intrare gril-surs);

Tranzistoarele cu efect de cmp prezint o capacitate de intrare i ieire mai redus, comparativ cu cele bipolare, ceea ce le confer avantaje la amplificarea semnalelor de frecvene nalte;

Structurile TEC-MOS se obin cu o tehnologie mai simpl dect tranzistoarele bipolare (circuitele integrate TEC-MOS se formeaz prin utilizarea a numai 2/3 din numrul de operaii necesar circuitelor integrate bipolare) i implicit, au un pre de cost mai redus;

TEC prezint unele dezavantaje fa de tranzistoarele bipolare, cum ar fi:

vitez de comutaie mai redus;

tensiune de saturaie mai mare;

pericol de distrugere n prezena cmpurilor electrice, prin strpungerea instalaiei dintre gril i substrat (la tranzistoarele TEC-MOS).

Protecia intern a dispozitivelor TEC-MOS mpotriva strpungerii prin cmp electric se realizeaz prin diode nglobate n capsul, iar protecia extern prin scurtcircuitarea terminalelor (cu un inel) i respectarea unor tehnologii speciale de testare, montare i depanare. Sugestii metodologice

CU CE?

tipuri de TEC - uri;

folii transparente cu clasificri, avantaje, dezavantaje.

CUM?

metode de nvmnt: explicaia; observaia dirijat; problematizarea; conversaia euristic; organizarea clasei: frontal, grupe de elevi sau individualUNDE?

sala de clas;

laborator tehnologic; laborator informatizat.

Respectnd SPP-ul, cadrul didactic, stabilete numrul de ore alocat fiecrei teme i are libertatea de a dezvolta fiecare tem parcurs n funcie de nivelul de cunotine al elevilor, de ritmul lor de asimilare a cunotinelor i deprinderilor.

Fia suport 3.2 Tranzistoare cu efect de cmp cu jonciune (TECJ)

Tranzistorul cu efect de cmp cu jonciune (TEC-J) funcioneaz cu purttori majoritari (electroni n canalul n, respectiv goluri n canalul p). Tranzistorul cu efect de cmp cu jonciune (TEC-J) a fost propus de Schockley n 1952 i este n esen un rezistor a crui seciune este controlat de grosimea regiunii sarcinii spaiale a unei jonciuni pn. Termenul de efect de cmp este legat de existena cmpului electric n zona de sarcin spaial, cmp a crui intensitate este determinat de tensiunea aplicat pe terminalul poart (gate).

Fig.3.2.1 Structura unui TEC-J cu canal nConducia are loc ntr-un canal n (Fig. 3.2.1) ntre contactele surs (care emite electroni) i respectiv dren (care i colecteaz). Electrodul denumit poart contacteaz zona difuzat p+ care mpreun cu substratul p+ delimiteaz canalul n. Jonciunea pn poart-canal este polarizat invers, iar grosimea regiunii de sarcin spaial asociat acestei jonciuni face ca seciunea conductiv a canalului (regiunea n neutr) s fie mai mic dect distana dintre cele doua jonciuni. Aceast seciune este controlabil electric prin diferena de potenial care exist ntre poart i canal.

Pe de alt parte TEC-J nu amplific n curent, iar amplificarea n tensiune este mai mic. De obicei n circuitele electronice discrete se ntlnete i n combinaie cu tranzistorul bipolar (se exploateaz avantajele ambelor tipuri de tranzistoare).

Fig. 3.2.2 Simboluri grafice pentru TEC - JTrebuie remarcat faptul c sgeata din simbolul grafic (Fig. 3.2.2) i n acest caz desemneaz o jonciune pn (sensul sgeii de la plan). Curentul de poart este foarte mic (de ordinul nA) i va fi considerat practic nul. Curentul de dren iD este normal pozitiv intr n drena tranzistorului cu canal n (electrod care evacueaz electroni) i iese din drena tranzistorului cu canal p. Curentul de surs este egal cu cel de dren.

Caracteristicile statice ale TEC-J

a. Caracteristicile de ieire (Fig.3.2.3) iD = iD (uDS ) cu uGS = constant numite i caracteristici de dren.

Fig. 3.2.3 Caracteristici de ieire ale TEC-JTEC-J este folosit n zona liniar la tensiuni mici dren-surs ca rezisten controlat n tensiune. Aici conductana dren-surs este identic cu conductana canalului i rezistena dren-surs este funcie liniar de tensiunea poart-surs aplicat.

Pentru tensiuni mai mari, distingem a zona neliniar, o zona de saturaie a curentului de dren (aici curentul de dren depinde foarte slab de tensiunea dren-surs), dup care urmeaz o zon de cretere abrupt (strpungere) a curentului, nemarcat pe grafic.

Zona neliniar este caracterizat de uDS < uDS,sat, unde uDS,sat este tensiunea la care apare saturaia curentului de dren.

Zona de saturaie este caracterizat de faptul c ID nu mai crete cu uDS.

uDS < uDS,sat,

iD = iD,sat

Saturaia corespunde momentului n care canalul este strangulat lng dren. Aceast strangulare apare la rndul ei atunci cnd diferena de potenial ntre poart i extremitatea de lng dren a canalului este egal cu tensiunea de prag.b. Caracteristicile de transfer (Fig. 3.2.4) sunt iD = iD(uGS). Dispozitivul este folosit ca amplificator n zona de saturaie caracterizat de uDS >uDS,sat , unde iD este practic independent de uDS.

Fig.3.2.4 Caracteristicile de transfer ale TEC-J

Zona preferat de lucru este cea de la cureni mari, acolo unde i panta caracteristicii este mai mare. Aici curentul scade cu creterea temperaturii (la UGS = const) dar problema ambalrii termice nu se pune n cazul TEC-J.

Sugestii metodologice

CU CE?

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

CUM?

metode de nvmnt: explicaia; observaia dirijat; problematizarea; conversaia euristic; activiti practice de msurarea parametrilor, vizualizarea caracteristicilor. organizarea clasei: frontal, pe grupe de elevi sau individualUNDE?

sala de clas;

laborator tehnologic; laborator informatizat.

Respectnd SPP-ul, cadrul didactic, stabilete numrul de ore alocat fiecrei teme i are libertatea de a dezvolta fiecare tem parcurs n funcie de nivelul de cunotine al elevilor, de ritmul lor de asimilare a cunotinelor i deprinderilor.

Fia suport 3.3 Tranzistoare cu efect de cmp cu poart izolat

Tranzistorul TEC-MOS este un dispozitiv electronic bazat pe conducia curentului electric la suprafaa semiconductorului. Proprietile conductive ale suprafeei semiconductorului sunt controlate de un cmp electric aplicat printr-un electrod izolat de semiconductor (poart). Aceste aspecte constructive definesc familia tranzistoarelor cu efect de cmp cu poarta izolat sau, pe scurt, TEC-MIS (tranzistor cu efect de cmp-metal-izolator-semiconductor). Izolatorul folosit este un strat subire de oxid (SiO2) crescut prin oxidarea termic a suprafeei siliciului (de unde denumirea TEC-MOS, adic tranzistor cu efect de cmp-metal-oxid-semiconductor).

Conducia se realizeaz pe suprafaa substratului de siliciu, ntre doua zone cu tip de conductivitate opus celui al substratului; numite surs (S) i dren (D).

n funcie de modul de formare a canalului i de tipul su, TEC-MOS urile sunt de patru categorii:

cu canal n, iniial;

cu canal p, iniial;

cu canal n, Indus;

cu canal p, Indus.

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

n figura 3.3.1 s-a considerat un substrat de tip n; n acest caz sursa i drena sunt de tip p. Pentru a se putea stabili un curent electric ntre surs i dren, suprafaa semiconductorului trebuie inversat ca tip de conductivitate, adic s devin de tip p. n acest caz, la suprafa apare un canal conductor, de tip p, care leag sursa de dren. Inversarea tipului de conductivitate a suprafeei, precum i controlul rezistivitii canalului se face de ctre poart. Simbolurile grafice pentru tranzistoare MOS cu canal n i p sunt prezentate n figura 3.3.2:

Fig. 3.3.2 Simboluri pentru TEC-MOS

De obicei n aplicaii obinuite substratul se leag la surs, dar exist dispozitive la care substratul apare ca un terminal separat. Se observ aceeai semnificaie pentru sgeata din simbolul grafic.

Caracteristicile statice ale tranzistorului MOS

Fie un TEC-MOS cu canal n (cel cu canal p se descrie identic) la care substratul se leag la surs. Tensiunile de poart UGS i de dren UDS sunt pozitive. Pentru tensiuni de poart mai mici de tensiunea de prag UT nu apare canal la suprafa i ca urmare curentul de dren ID este nul.Dac tensiunea de poart depeste valoarea de prag, ntre surs i dren se formeaz un canal n care permite conducia curentului electric (cu att mai bine cu ct tensiunea UGS este mai mare). Caracteristicile statice ale tranzistorului MOS reprezint dependena curentului de dren de tensiunile de poart i de dren:

ID = ID (UGS, UDS)

a. Caracteristicile de dren sau de ieire (Fig. 3.3.3) reprezint dependena curentului de dren n funcie de tensiunea dren surs pentru diferite valori ale tensiunii gril surs.

Fig. 3.3.3 Caracteristicile de ieire ale unui TEC- MOS

Pentru toate tipurile de TEC caracteristicile de ieire sunt asemntoare i se pot deosebi trei regiuni:

Regiunea liniar, pentru valori mici ale tensiunii dren surs, curentul de dren crete proporional cu tensiunea; Regiunea de saturaie, curentul de dren rmne aproape constant chiar la creteri relative mari ale tensiunii de dren surs; Regiunea de strpungere, creterea tensiunii dren- surs peste o anumit valoare produce o multiplicare n avalan a purttorilor de sarcin.b. Caracteristicile de transfer reprezint variaia curentului de dren n funcie de tensiunea gril surs pentru diferite valori ale tensiunii de dren surs.

tip n

tip pFig. 3.3.4 Caracteristicile de transfer pentru TEC-MOS cu canal indusn cazul TEC-MOS cu canal indus (Fig. 3.3.4), dac acesta este de tip p ambele tensiuni UGS, UDS sunt negative. Aceste tranzistoare au canal indus prin aplicarea unei tensiuni UGS mai mari dect valoarea de prag. Unele tranzistoare prezint canal chiar la tensiuni poart-surs nule (UGS = 0) i se numesc tranzistoare MOS cu canal iniial (Fig. 3.3.5). Aceast situaie se ntlnete n special la tranzistoare cu canal n. Un asemenea tranzistor poate lucra cu orice polaritate a tensiunii de poart. Dac tensiunea de poart este pozitiv UGS > 0, regimul se numete regim de mbogire datorit creterii concentraiei de electroni n canal; dac tensiunea de poart este negativ UGS < 0, regimul poart denumirea de regim de srcire i duce la scderea concentraiei de electroni din canal pn la dispariia lui (la UGS = U T).

tip n

tip pFig. 3.3.5 Caracteristica de transfer pentru TEC-MOS cu canal iniial

Din punctul de vedere al dependenei de temperatur, tranzistorul MOS prezint avantaje deosebite fa de tranzistoarele bipolare. La creterea temperaturii, curentul de dren scade, dar dependena este foarte slab. Ca urmare tranzistoarele MOS nu prezint fenomenele de strpungere secundar i ambalare termic. Sugestii metodologice

CU CE?

tipuri de TEC-MOS;

calculator cu soft educaional; folii transparente cu simbolurile, caracteristicile statice ale TEC-MOS.

CUM?

metode de nvmnt: explicaia; observaia dirijat; problematizarea; conversaia euristic;

activiti practice de msurarea parametrilor, vizualizarea caracteristicilor.

organizarea clasei: frontal, pe grupe de elevi sau individualUNDE?

sala de clas;

laborator tehnologic; laborator informatizat.

Respectnd SPP-ul, cadrul didactic, stabilete numrul de ore alocat fiecrei teme i are libertatea de a dezvolta fiecare tem parcurs n funcie de nivelul de cunotine al elevilor, de ritmul lor de asimilare a cunotinelor i deprinderilor.

Tema 4. TiristorulFia suport 4.1 Tiristorul

Dispozitivele multijonciune au trei sau mai multe jonciuni, au la baz structura pnpn, care are patru straturi i trei jonciuni i care, datorit caracteristicii sale statice curent-tensiune cu dou stri stabile, se folosete n circuitele de comutaie. Din aceast categorie cele mai utilizate sunt: tiristorul, diacul, triacul.

Tiristorul

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

a structur;

b - simbol

Fig. 4.1.1. TiristorulElectrodul de comand, poarta, G (gate), anod i catod sunt cele trei terminale ale tiristorului simbolizat n Fig. 4.1.1.b).

Amorsarea tiristorului se realizeaz prin injectarea unui curent pe poart, la o tensiune mai mic dect cea de autoamorsare sau la tensiunea de autoamorsare fr curent de poart, mod utilizat foarte rar sau deloc.

Analiza fenomenelor fizice ce au loc la amorsarea tiristorului prin injectarea unui curent de poart se poate face echivalnd structura cu dou tranzistoare complementare , dup cum se vede n schema echivalent (Fig. 4.1.2)

Fig. 4.1.2 Schema echivalent a unui tiristor

Din caracteristicile statice curent tensiune ale tiristorului (Fig. 4.1.3) se observ posibilitatea creterii nelimitate a curentului prin structur, dac este ndeplinit condiia de amorsare, amorsarea poate avea loc la o tensiune anodic mai mic dect tensiunea de autoamorsare. Iniierea amorsrii este provocat prin injectarea unui curent iG prin jonciunea J3 i nu prin creterea tensiunii anodice. Dependena factorilor de curent de curentul prin dispozitiv st la baza procesului de amorsare a tiristorului. Se observ c la curenii de poart mai mari tensiunea de amorsare este mic, peste o anumit valoare a curentului de poart, amorsarea are loc pe curba punctat, ca la o jonciune pn (tiristorul este de fapt o diod comandat).

Fig. 4.1.3 Caracteristicile statice curent tensiune ale tiristorului

n funcionare normal, tensiunea anodic trebuie s fie mai mic dect tensiunea de autoaprindere UBO. Pentru comutare direct se aplic un curent de poart cruia i corespunde o tensiune de aprindere UA