CIRCUITE ELECTRONICE PASIVE

Lecia ICircuite electronice pasiveRezistorul este caracterizat printr-o relaie de proporionalitate ntre tensiunea aplicat la bornele sale i intensitatea curentului ce trece prin el (legea lui Ohm: I = U/R).

Principalul parametru al unui rezistor este rezistena nominal. n practic se utilizeaz rezistoare cu valori ale rezistenelor standardizate. De obicei, fabricanii adopt un ir de valori (10, 11, 12, 13, 15, 16, 18, 20, 22, 24, 27, 30, 33, 36, 39, 43, 47, 51, 56, 62, 68, 75, 82, 91, 100) care, nmulite cu puteri ale lui 10, asigur rezistene n limitele 10 W - 10 MW. Prin combinarea (legare serie sau paralel) unora din aceste valori, se pot obine toate celelalte valori care lipsesc din serie. Alegerea s-a fcut innd seama de un alt principiu al rezistenelor: tolerana, care indic, n procente, precizia valorii nominale a rezistenei. Cu seria de valori dat mai sus, se asigur prin fabricare o abatere de cel mult 5% de la valoarea nominal nscris pe rezistor. Dac din serie se elimin valorile 11, 13, 16, 20, 24, 27, 30, 36, 43, 51, 62, 75 i 91 se obin valori care asigur o precizie de cel puin 10%, iar dac se pstreaz numai valorile 10, 15, 22, 23, 47, 68, 100, aceast serie are valori precizate cu o eroare de maxim 20%.

Se poate verifica faptul c, pentru fiecare serie, o valoare plus toleran respectiv este egal(aproximativ) cu valoarea imediat superioar minus tolerana.

De exemplu:

56 + 5% 62 5%

39 + 10% 47 10%

33 + 20% 47 20%

Pentru cazuri deosebite, se construiesc i folosesc i rezistoare cu tolerane mai mici (2%, 1% i 0,5%). Pe fiecare rezistor, fabricantul nscrie obligatoriu valoarea nominal a rezistenei i tolerana. Aceasta se poate face fie n clar, fie utiliznd un cod literal, fie unul al culorilor. Codurile literale pot fi diferite n funcie de fabricant dar cel mai des ntlnit folosesc simbolurile:

R - uniti

K - kilo

M - mega

F - toleran 1%

G - toleran 2%

I - toleran 5%

K - toleran 10%

M - toleran 20%

De exemplu, notaia 1R5F semnific 1,5 toleran 1%, 4K7I - 4,7 k 5%, 2M2K - 2,2 M 10 %.Dac litera corespunztoare toleranei lipsete, sau dac aceasta nu este nscris n clar, ea se consider 20%.

Codul culorilor utilizeaz benzi de diferite culori cu semnificaii bine precizate (figura 1.1). Prima band se consider cea care este cea mai apropiat de unul din capetele rezistorului.

.Fig.1.1.Primele dou benzi (I i II) reprezint cifre semnificative, a treia - numrul de zerouri (puterea lui 10 cu care se nmulete numrul citit pe primele dou benzi) i ultima - tolerana., conform celor prezentate n tabelul urmtor:

Rezistorul: reprezint un element pasiv de circuit

u(t)=u(i(t),t) - caracteristica de tensiunei(t)=u(u(t),t) - caracteristica de curent

Rezistorul reprezint un fir conductor care fiind parcurs de un curent electric degaj cldur. Nu produce cmp electromagnetic, nu conine surse de cmp electric strin.

Tipuri de rezistoare:

1)rezistorul liniar invariabil in timp

Fig.1.2u, i n acelai sens ecuaia de funcionare: u(t)=R i(t)

unde: R(((rezistena) i(t) = Gu (t); G - conductana i se msoar n (-1 sau 1S=1(-1 (Siemens)

Nu ntotdeauna conductana reprezint inversul rezistenei (numai n curent continuu)

Caracteristica tensiune-curent n cazul curentului liniar e reprezentat printr-o dreapt ce trece prin origine => tensiunea i curentul au aceeai form de variaie la bornele rezistorului.

Fig.1.3Dac rezistena tinde la 0 caracteristica devine u = 0 i ramura i devine un scurtcircuit, iar daca rezistena tinde la deci G(0 atunci ramura devine o ramur deschis (deci ramura funcioneaz n gol).

2) rezistorul liniar variabil n timp numit i parametric

Fig.1.4.ec: u(t)=R(t)i(t) reprezentat n planul tensiune - curent

3) Rezistoare neliniare - caracteristica tensiune - curent nu este o dreaptEcuaia de funcionare:

a) f(u(t),i(t),t)=0 dac rezistorul este variabil n timp

b) f(u(t),i(t))=0 dac rezistorul este invariabil in timp

Legarea n serie a rezistoarelor

Considerm un numr de trei rezistene, R1, R2 i R3 legate n serie cuplate la o surs de tensiune U(figura 1.5). Prin circuitul format de cele trei rezistene alimentate la tensiunea U va trece un curent I.

Fig.1.5

Cderile de tensiune la bornele celor trei rezistene vor fi: U1 =IR1; U2= IR2; U3= IR3; U = IRech Dar U = U1+ U2 + U3 rezult IRech = IR1+IR2+IR3

Dup prelucrare rezult:

Rech = R1+ R2+ R3 (1.1)Legarea n paralel a rezistoarelor

Considerm un numr de trei rezistene, R1, R2 i R3 legate n paralel cuplate la o surs de tensiune U(figura 1.6).

Fig.1.6.

Prin circuitul format de cele trei rezistene alimentate la tensiunea U va trece un curent I, care conform legii lui Kircoff se mparte n trei cureni I1, I2 i I3. Cderile de tensiune la bornele celor trei rezistene vor fiegale.

,

EMBED Equation.3 , , dar I = I1+I2+I3 rezult:

sau dup prelucrare rezult

(1.2) Not: Ecuaia de mai sus se poate generaliza pentru n rezistene legate n paralel.

Condensator

Un condensator este un dipol care poate nmagazina energie electric, prin intermediul unui cmp electric. Un condensator este caracterizat de capacitatea C, care depinde de constanta dielectric a materialului izolant (permitivitatea electric), de suprafaa plcilor conductoare A i de distana d, dintre acestea, conform relaiei: (1.3)Simbolul unui condensator i sensurile de referin ale tensiunii i curentului (convenia pentru receptor) sunt:

Figura 1.7 - Reprezentarea simbolic a condensatorului i sensurile de referin

Unitatea de msur a capacitii C a unui condensator este Farad ( ) i, innd cont de expresia anterioar, este intrinsec, pozitiv. n cazul n care elementul este n repaus, curentul ce parcurge un condensator este direct proporional cu derivata n raport cu timpul a tensiunii la bornele sale, multiplicat cu C:

(1.4)

Similar inductanei, o prim observaie ce se poate face, cu referire la expresia de mai sus, este c, n cazul n care tensiunea este constant n timp, curentul ce l parcurge este nul. Aceasta corespunde situaiei atingerii regimului permanent ntr-un circuit alimentat n curent continuu (DC); n aceast situaie, un condensator este echivalent cu un circuit deschis, deoarece . Fig.1.8.

n ceea ce privete puterea la bornele unui condensator, se poate scrie:

(1.5)Similar unei inductane, semnul puterii la bornele unui condensator depinde de semnele tensiunii i ale derivatei acesteia; aceasta nseamn c un condensator poate absorbi sau furniza energie.

Energia care parcurge condensatorul se poate calcula:

, (1.6)n care este energia nmagazinat la momentul .

Considernd sensurile de referin ale tensiunii i curentului corespunztoare conveniei pentru receptor, se observ:

dac (tensiunea la borne i derivata sa au acelai semn), condensatorul absoarbe energie, crescnd energia nmagazinat;

dac (tensiunea la borne i derivata sa au semne diferite), condensatorul furnizeaz energie, restituind energia nmagazinat.

Parametrii condensatoarelor

Capacitatea nominal CN(F) reprezint valoarea capacitii care se dorete a se obine n procesul de fabricaie i se marcheaz n general pe corpul condensatorului.Tolerana t(%) reprezint abaterea reletiv maxim a valorii reale a condensatorului fa de valoarea sa nominal.Tensiunea nominal UN (V) este tensiunea continu maxim sau cea mai mare valoare efectiv a tensiunii alternative care se poate aplica n regim continuu de funcionare la bornele condensatorului.

Tangenta ungiului de pierderi tg, se definete ca raportul ntre puterea activ disipat de condensator i puterea reactiva acestuia. Dac se folosete circuitul echivalent al condensatorului prezentat n figura de mai jos tangenta unghiului de pierderi are expresia:

Fig.1.9 (1.7)Coeficientulde variaie cu temperastura (K-1) se definete prin relaia:

(1.8)n cazul unei variaii liniare a capacitii cu temperatura se poate folosi relaia:

Unde mrimile au urmtoarea semnificaie: C25 valoarea capacitii la temperatura T25 (250 C)

Rezistena de izolaie Riz() se definete ca raportul dintre tensiunea continu aplicat unui condesator i curentul ce strbate acel condensator la un minut dup aplicarea tensiunii.

Intervalul temperaturilor de lucru (Tmin - Tmax)(0C), se definete ca intervalul de temperaturn care condensatorul poate funciona un timp ndelungat. Acest interval depinde n principal de natura dielectricului dar i de celelalte materiale utiliyate la realizarea condensatorului. Elemente parazite L, ROrice condensator prezint elemente parazite de tip inductiv i rezistiv, elemente ce depind de structura constructiv i de materialele folosite. Se poate da urmtoarea schem echivalent pentru o clas mare de condensatoare:

Fig.1.10. Schema echivalent a unui condensator real

Semnificaia elementelor din schema de mai sus esteurmtoarea: rs rezistena armturilor i a rerminalelor; L inductana armturilor i reminalalor;

Rp rezistena de pierdei n dielectic;

Riz rezistena de izolaie.

Schema din figura a poate fi echivalat cu o schem serie unde Res i Ces au valorile date de relaiile:

Aceast modelare ne d o imagine asupra comportrii condensatorului n gama de frecven. Se observ c, la frecvene diferite, capacitatea echivalent Ces variaz. Este posibil ca, peste pulsaia de rezonan, caracterul capacitiv s se transformr n caracter inductiv (capacitate negativ).

Structura constructiv a condensatoarelorCondensatoare ceramice monostrat

Fig.1.11.

Condensatoare ceramice multistrat.

Fig.1.12. a) seciune; b) cip neprotejat; c) condensator protejat

Condensator cu polistiren(stiroflex)

Fig.1.13.

Marcarea condensatoarelor

Condensatoarele se marcheaz fie n clar fie prin codul culorilor. La marcarea n clar conform figurii a) se marcheaz capacitatea nominal i tolerana.(C = 68 pF, t=+10%). Pentru indicarea tipului dielectricului se folosesc litere A,H, P, U pentru tipul I i X,Y, Z pentru tipul II. Cunoscnd tipul dielectricului putem extrage ceilali parametrii din catalog.

Fig.1.14Marcarea prin codul culorilor se face conform figurii b). n figur sunt date 3 situaii posibile: marcarea cu 3,4 sau 5 bare colorate. Semnificaia cifrelor este urmtoarea: 1 coeficientul de variaie cu temperatura,

2 prima cifr semnificativ;

3 a doua cifr semnificativ,

4 coeficientul de multiplicare;

5 tolerana.

Legarea n serie a condensatoarelor

Schema de legare este prezentat n figura. nr.1.15

Fig.1.15.

Sarcina unui condensator este dat de relaia:

Q = C U unde:

C este capacitatea condensatorului i U este tensiunea de la bornele lui. n cazul legrii acestora n serie, n momentul ncrcrii acestora, curentul ce le strbate este acelai. Sarcina echivalent a celor trei condensatoare este dat de relaia: Qech = Cech U

Qech = Q1=Q2=Q3In aceasta grupare fiecare condensator are aceiai sarcin Q datorit fenomenului de inducie electrostatic. Pe fiecare dintre cele trei condensatoare legate n serie va exista o cdere de tensiune. Suma cderilor de tensiune de la bornele celor trei condensatoare este:

U = U1 + U2 + U3

Fiecare din condensatoarele legate n serie va avea o sarcin dat de relaiile:

Q1 = C1 U1; Q2 =C2 U2; Q3 =U3 C3 Din relaiile de mai sus deducem:

rezult:

EMBED Equation.3 sau dup prelucrare (1.9)Deci

Legarea n paralel a condensatoarelorSchema de legare este prezentat n figura. nr.1.16.

Fig.1.16.Sarcina unui condensator este dat de relaia:

Q = C U unde:

C este capacitatea condensatorului i U este tensiunea de la bornele lui. n cazul legrii acestora n serie, n momentul ncrcrii acestora, curentul ce le strbate este acelai

In cazul acestui tip de grupare, se observ c fiecare condensator este conectat la aceiai diferen de potenial U i va avea corespunztor sarcina:

Q1 = C1 U;

Q2 = C2 U;

Q3 = C3 U;

Capacitatea echivalent ce trebuie determinat este capacitatea acelui condensator care - pus n locul gruprii i aplicndu - i- se diferena de potenial U - se ncarc cu o sarcin egal cu suma sarcinilor cu care s-au ncrcat condensatoarele din grupare:Deci la bornele AB vom avea:Q = CU; unde Q = Q1 + Q2 + Q3 nlocuind vom obine:

CU = C1U + C2U + C3U mprim relaia cu U si vom obine relaia:C = C1 + C2 + C3 (1.10)

cu care se calculeaz capacitatea echivalenta a gruprii condensatoarelor n paralel.InductanaO inductan ideal este un dipol care poate nmagazina energia prin intermediul unui cmp magnetic. Ea este realizat dintr-un anumit numr de spire de material bun conductor electric, care, cel mai adesea, nconjoar un circuit din material feromagnetic (bun conductor al cmpului magnetic), a crui funcie este de a concentra liniile de cmp magnetic induse de curentul ce parcurge bobina.

O inductan este caracterizat de inductivitatea proprie L, care depinde de numrul de spire N i de reluctana magnetic a circuitului magnetic , conform relaiei:

(1.11)Simbolul unei inductane i sensurile de referin ale tensiunii i curentului (convenia pentru receptor) sunt:

Figura 1.17 - Reprezentarea simbolic a inductanei i sensurile de referin

Unitatea de msur a inductivitii proprii L a unei inductiviti este Henry ( ) i, innd cont de expresia anterioar, este intrinsec, pozitiv.

n cazul n care elementul este n repaus, tensiunea la bornele unei inductane este direct proporional cu derivata n raport cu timpul a curentului ce o parcurge, multiplicat cu L:

(1.12)O prim observaie ce se poate face, cu referire la expresia de mai sus, este c, n cazul n care curentul este constant n timp, tensiunea la bornele unei inductane este nul. Aceasta corespunde situaiei atingerii regimului permanent ntr-un circuit alimentat n curent continuu (DC); n aceast situaie, o inductan este echivalent cu un conductor perfect (scurt-circuit), deoarece .

Fig.18

n ceea ce privete puterea la bornele unei inductane, se poate scrie:

(1.13)Spre deosebire de expresia puterii la bornele unui rezistor, semnul puterii la bornele unei inductane, depinde de semnele curentului ce o parcurge i al derivatei acestuia n raport cu timpul; aceasta nseamn c o inductan poate absorbi sau furniza energie.

Energia care parcurge inductana se poate calcula:

, (1.14)n care este energia nmagazinat la momentul .

Considernd sensurile de referin ale tensiunii i curentului corespunztoare conveniei pentru receptor, se observ:

dac (curentul i derivata lui au acelai semn), inductana absoarbe energie, crescnd energia nmagazinat;

dac (curentul i derivata lui au semne diferite), inductana furnizeaz energie, restituind energia nmagazinat.

n practic, datorit tehnologiei de realizare, cea mai mare parte a rezistoarelor real au i un anumit comportament inductiv, ceea ce nseamn c modelul real al uni rezistor se obine nseriind un rezistor ideal de valoare R a rezistenei, cu o inductan , aa cum se vede n figura de mai jos.

Figura 1.19- Schema echivalent a unui rezistor real

O bobin este realizat dintr-un anumit numr de spire din material conductor, a crui conductivitate este foarte bun; chiar i aa, datorit rezistivitii materialului conductor, o bobin va avea i un caracter rezistiv. Un model real al unei bobine, se obine nseriind cu inductana L, un rezistor cu valoare mic a rezistenei , aa cum se vede n figura de mai jos.

Figura 1.20- Schema echivalent a unei bobine reale

NOT - Modelele prezentate nu sunt unice; au fost considerate acele modele care, n contextul cursului de fa, pot explica majoritatea fenomenelor studiate. Pentru situaii particulare, sau pentru obinerea unor precizii mai mari, pot fi considerate modele mai complexe.

LECIA IIEmisia termoelectronic

Procedee de emisie a electronilor

Descoperirea razelor catodice i manipularea lor, au permis scoaterea lor n spaiul din afara tubului de descrcare, prin "ferestre" subiri care separau spaiul din tub, de presiune sczut, de cel exterior, de presiune ridicat. Se putea deci lucra cu astfel de radiaii, n condiii relativ comode.

Existau i alte fenomene care ulterior s-au dovedit emitoare de electroni. Astfel, n 1873, Gutrie a observat c metalele nclzite la rou se ncarc ntotdeauna negativ. n 1883, Edison constata c n tuburile lui vidate i cu filament, apare un curent electric ntre filament i un alt electrod introdus n balon dac filamentul se nclzete la rou. Acest curent nu putea fi explicat asemntor cu cel la razele catodice sau canal, deoarece n vidul naintat din tub, nu existau atomi sau molecule.

n 1899, J.J.Thomson a msurat raportul q / m pentru "ionii" negativi emii cu ocazia nclzirii filamentului. El a constat c aceti ioni sunt de fapt identici cu cei din razele catodice, deci au fost identificai cu electronii.

Din 1902, Richardson a nceput un studiu amnunit al emisiei de electroni de ctre metale i corpuri nclzite. Cu aceasta ocazie, el a trasat primele caracteristici "moderne" ale diodei cu vid n care a evideniat prezenta zonei neliniare la nceputul caracteristicii i a zonei de saturaie ctre sfritul acesteia. El a explicat aceasta emisie prin eliberarea electronilor prezeni n metale i care nu pot iei din cauza prezentei la suprafaa metalului a unui potenial de frnare. Acest potenial este rezultatul forei electrostatice imagine care apare cnd un corp neutru iniial, pierde o sarcina electric. *)

Richardson a reuit s determine relaia care guverneaz emisia termoelectronic a unitii de arie a unui metal nclzit la temperatura T (absolut). Relaia presupune cunoaterea dependenei densitii de electroni din metal, de temperatur. Legea dedus de Richardson era de forma:

i = A *Tn exp (-(e*V0) / (k*T)) (2.1)unde n este un exponent care are valoarea 1/2 n ipoteza independenei de temperatur a densitii de electroni din metalul nclzit i 2 dac aceasta densitate depinde de temperatur dup puterea 3/2 a temperaturii T. A este o constant de material, k - constanta lui Boltzmann, iar V0 este potenialul barierei de la suprafaa metalului. Electronul pentru a putea iei din metal, trebuie s efectueze lucrul mecanic eV0 .

Datele experimentale de atunci nu au putut hotr valoarea exponentului n, dar dup lucrrile lui M. von Laue, Dushman i Sommerfeld (bazate pe mecanica cuantica ), a rezultat c valoarea n = 2 este cea corect. n acelai timp s-a determinat i A = 120 Amper/cm2/grad. Msurtorile experimentale au artat ca valoarea lui A de mai sus, este cea ideal, cazurile reale indicnd valori mult mai mici:

iar valorile lucrului de extracie al electronului ( eV0 ) pentru cteva metale, este:

Emisia termoelectronic. Catozii tuburilor cu vid.

Tuburile utilizate n amplificatoarele i oscilatoarele de radiofrecven de putere, numite n general tuburi de emisie trebuie s poat disipa puteri mari pe anozi (20W 100kW), funcionnd cu tensiuni anodice mari (0,5 25kV) n acord cu puterea furnizat, s suporte impulsuri de curent anodic cu amplitudini mari (10 1000A). Pentru puteri utile mici i medii (pn la 2kW), se folosesc triode, tetrode cu fascicul dirijat i pentode, iar la puteri mai mari numai triode i tetrode cu fascicul, deoarece grila supresoare a pentodelor nu permite ca anodul s disipe puteri mari.

Tuburile de emisie au o construcie special, diferit de a tuburilor pentru semnale mici (tuburi de recepie). Funcionarea tuburilor electronice cu vid se bazeaz pe emiterea de electroni de ctre metalele nclzite, fenomen numit emisie termoelectronic sau primar. Exist i emisii electronice secundare, produse prin bombardarea unui metal cu electroni sau ioni rapizi (fenomen care apare uneori n tuburi, n mod accidental i nedorit) sau sub influena unui cmp electric foarte intens (emisie autoelectronic).

Fr a intra n detaliile expuse n cursul de fizic, reamintim c intensitatea curentului emis pe unitatea de suprafa a unui metal este cu att mai mare cu ct:

- temperatura (T) este mai mare;

- lucrul de extracie (W) este mai mic.

Catozii tuburilor se realizeaz n special din wolfram, celelalte metale pure avnd capaciti de emisie mici. Wolframul are dou mari avantaje: poate fi nclzit la temperaturi foarte ridicate (Ttopire = 3655 K) i rezist foarte bine la bombardamentul ionilor pozitivi rapizi, reziduali n tuburi.

Alte metale pure, n afar de W, nu se utilizeaz pentru construcia catozilor, din diverse motive: se oxideaz uor, au emisie slab, nu pot fi nclzite suficient, nu rezist la bombardamentul ionic, etc.

S-a constatat c acoperind filamentele din W cu pelicule din alte metale se obin avantajele temperaturii ridicate suportate de W i ale capacitii de emisie mari a metalelor de acoperire. Dintre toate combinaiile, cea mai avantajoas const dintr-un filament din W pe care se formeaz o pelicul monomolecular din thoriu (Th). Astfel se obin catozii din wolfram thoriat, mult utilizai. Uneori, peste pelicula de Th, se formeaz i o pelicul de carbur de wolfram, pentru reducerea evaporrii thoriului. Se obin catozii din wolfram thoriat carburat.

Catozii tuburilor de emisie sunt numai cu nclzire direct din W pur, lucreaz la 2500 2800 K i se folosesc la tuburile de puteri mari. Catozii din wolfram thoriat (eventual i carburat) lucreaz la 1800 2000 K i se folosesc la tuburile de puteri medii i mici (la puteri mari nu rezist bombardamentului ionic, tensiunile de lucru fiind foarte mari).

S-a constatat c amestecurile din oxizii unor metale ca bariu i stroniu au emisii termoelectronice mari la temperaturi mici (sub 1200 K). Din astfel de oxizi se construiesc catozii cu nclzire indirect pentru tuburile de mic putere (de semnal mic), numite tuburi de recepie. Astfel de catozi nu se pot utiliza n tuburile de emisie,

deoarece cmpul electric mare, creat de tensiunile anodice mari, smulge particule din

amestecul de oxizi, distrugnd catodul; n plus nu rezist la bombardamentul ionic.

Eficienele diverilor catozi, n "curent emis (mA/cm2) / putere consumat (W/cm2)", (deci n mA / W) sunt date n tabelul 2.

Constructiv, catozii pot fi (fig.2.1):

cu nclzire direct simple filamente nclzite;

cu nclzire indirect filamentele din W sunt izolate cu ceramic de suprafeele emisive, acoperite cu oxizi.

Fig. 2.1. Catozi pentru tuburi cu vid: a) cu nclzire direct;

b) cu nclzire indirect

Catozii tuburilor au o durat de via limitat, determinat de reducerea emisiei pn la un procent (indicat de constructor) din valoarea iniial. n toate cazurile, scderea emisiei se datoreaz evaporrii substanei active, iar acest fenomen este cu att mai intens cu ct temperatura de lucru este mai ridicat, deci cu ct curentul de filament (If), respectiv tensiunea de filament (Uf) sunt mai mari; o cretere cu 1% a Uf reduce viaa tubului cu 13% i invers. Pe de alt parte, curentul emis de filament (curentul catodic Ic) este cu att mai mare cu ct temperatura este mai mare, deci cu ct If i Uf, sunt mai mari. Deoarece n funcionare necesitile de curent catodic variaz, este recomandabil s se reduc Uf n acord cu Ic necesar, prelungind astfel durata de utilizare a tubului. Efectul fotoelectricCmpul electromagnetic al undelor luminoase interacioneaz cu substanele asupra crora se proiecteaz. Interaciunea const din transferul energiei asupra particulelor subatomice, n special asupra electronilor. Electronii pot primi suficient energie care depete forele de atracie atomice, iar electronul prsete substana. Acest electron poart numele de fotoelectron iar emisia este denumit emisie fotoelectronic sau efect fotoelectric extern.

S-a constatat experimental c numrul electronilor emii n unitatea de timp sub aciunea luminii este proporional cu fluxul de energie luminoas. Energia total pe care o primete un electron de la lumin este proporional cu frecvena radiaiei, i nu cu intensitatea fluxului, ceea ce a fcut necesar introducerea conceptului de cuante de energie i de foton, de ctre Plack i Einstein.

Efectul fotoelectric in semiconductoriDac un semiconductor este supus cmpului eletromagnetic al undelor luminoase, energia transportat de fotoni disloc electroni de la nivelul atomilor, rezultnd electroni, care se mic liber ca sarcini negative, i ioni, ca sarcini pozitive. Apar astfel purttori de sarcin, care produc scderea rezistentei electrice a semiconductorului, eveniment numit efect fotoelectric.

Creterea conductibilitii este proporional cu fluxul luminos ncasat, dar nu este nelimitat, deoarece, o data cu generarea de purtatori de sarcin apare i fenomenul invers, de cuplare a electronilor liberi cu ionii.

Fig2.2. Fotorezistena in circuitEfectul fotoelectric n semiconductori este intern, adic electronii nu prsesc semiconductorul. Energia necesar apariiei electronilor liberi este mai mic dect n cazul metalelor sau al efectului fotoelectric extern, aa nct apare i la energii (frecvene) mai mici, inclusiv sub efectul radiaiei infraroii.Efectul fotoelectric n semiconductori st la baza construirii fotorezistenelor: un strat de semiconductor este cuplat ntr-un circuit cu o surs de alimentare i un microampermetru. La ntuneric, curentul ce trece prin circuit este foarte mic. Pe msur ce fluxul luminos incident crete, apar purttori de sarcin care duc la scderea rezistentei i deci la creterea curentului n circuit de sute sau chiar mii de ori.

Fotorezistentele sunt utilizate n subansamblele de msur ale fluxului luminos (expunere) a aparatelor fotografice sau ca uniti independente (exponometre).

FotoelementulIntr-o jonciune p-n exist un cmp electric la nivelul stratului de baraj, determinat de trecerea electronilor din partea n n partea p i a golurilor n sens invers.

Fig.2.3. Fotoelement in circuitDac se ilumineaz jonciunea, n stratul de baraj apar purttori de sarcin prin efectul fotoelectric intern, iar electronii sunt mpini de ctre cmpul electric n partea n iar golurile n partea p. Aceasta se traduce prin apariia unui curent electric ntr-un circuit exterior, deci jonciunea devine o surs de tensiune i, de aceea, poart numele de fotoelement

Fotoelementele sunt utilizate la construcia unor exponometre dar i la realizarea captatorilor digitali ai aparatelor fotografice sau video.

Dispozitive fotovoltaice

n general, prin dispozitive optoelectronice se neleg dispozitivele care pot transforma, prin intermediul proceselor electronice, energia radiaiilor luminoase n semnale electrice (sau energie electric), precum i dispozitivele care transform energia electric n radiaie luminoas (optic).

Dup sensul de conversie, deosebim dou categorii de dispozitive optoelectronice:

n prima categorie intr dispozitivele care transform energia radiaiei luminoase n semnale electrice: dac se urmrete punerea n eviden a radiaiei i msurarea intensitii dispozitivele se numesc fotodetectoare, iar dac se urmrete obinerea de energie electric, dispozitivele se numesc celule fotovoltaice.

n cea de-a doua categorie sunt incluse dispozitivele care transform energia electric n radiaie optic - dispozitivele electroluminiscente i laserii cu jonciuni semiconductoare.

Celulele fotovoltaice transform energia luminoas direct n energie electric, cu un randament relativ ridicat (>10%). Procesul de baz n aceste dispozitive este acela de generare de purttori de sarcin sub aciunea radiaiei electromagnetice

Efectul fotovoltaic const n apariia unei tensiuni electromotoare ntr-un semiconductor iluminat. Interaciunea dintre un solid i undele electromagnetice determin, printre alte fenomene, absorbia radiaiei incidente. n cazul semiconductorilor, unul din mecanismele absorbiei const n tranziia unui electron din banda de valen n banda de conducie (n urma absorbiei unui foton).

n consecin numrul purttorilor de sarcin liberi crete, ceea ce determin creterea conductivitii electrice, fenomen numit fotoconductibilitate (sau efect fotoelectric intern). Generarea perechilor electron-gol sub seciunea luminii este o condiie necesar pentru producerea efectului fotovoltaic dar nu i suficient. Noii purttori de sarcin trebuie s se redistribuie, determinnd apariia unei diferene de potenial ntre suprafaa iluminat i cea neiluminat.

Redistribuirea poate fi determinat de:

generarea neuniform a purttorilor de sarcin ntr-un semiconductor omogen (efectul Dember);

un cmp intern local din semiconductor care poate fi realizat prin doparea diferit a semiconductorului (jonciune p-n);

un gradient al timpului de via al purttorilor de sarcin;

prezena unui cmp magnetic (efectul fotoelectromagnetic), etc.

ntr-un semiconductor intrinsec, banda de conducie este nepopulat la 0K i este separat printr-o band interzis Eg de banda de valen ocupat. Diferena dintre valoarea maxim a energiei n banda de valen i valoarea minim n banda de conducie determin valoarea minim a intervalului de energie interzis.

ntr-un semiconductor extrinsec, nivelele energetice ale impuritilor se gsesc n zona interzis, mai aproape de marginea inferioar a zonei de conducie pentru atomii donori i n vecintatea marginii superioare a zonei de valen pentru atomii acceptori. Deoarece diferena de energie dintre nivelele impuritilor i marginea zonei de valen sau de conducie este mic (0,01 eV) chiar la temperatura camerei, energia termic este suficient pentru ionizarea acestor atomi. Acest lucru explic creterea conductibilitii electrice determinate de impuriti.

Pentru majoritatea semiconductorilor intervalul de energie interzis Eg are valori ntre 0,2 i 2,3 eV. Deci vor produce tranziia electronului din B.V. n B.C. fotonii cu frecvene de cel puin:

(2.2)Intervalului energetic 0,2 2,3 eV i corespunde intervalul de lungimi de und 6,2 0,5 m, deci fotonii din domeniul vizibil i infrarou sunt cei ce determin tranziia.

Dac notm cu n0 i p0 concentraiile electronilor i golurilor n lipsa iluminrii i la echilibru termic, sub aciunea unui cmp electric E apare un curent de drift cu densitatea:

(2.3)

innd cont de legtura dintre vitezele vn i vp i mobilitile n i p , se obine:

(2.4)

deci

(2.5)

Dac n urma iluminrii concentraiile electronilor i golurilor se modific cu n i p, , schimbarea conductivitii va fi:

(2.6)

n relaia (2.6) s-a notat .

Notm cu coeficientul de absorbie definit ca raportul dintre cantitatea de energie absorbit de unitatea de volum n unitatea de timp i energia incident pe unitatea de suprafa n unitatea de timp. Se poate arta c atunci cnd dl, intensitatea radiaiei la distana z n prob este:

(2.7)

unde este coeficientul de reflexie la suprafaa iluminat. n consecina va apare un gradient de concentraie care va determina apariia unor cureni de difuzie pentru goluri i electroni.

Considernd o variaie liniar a concentraiei, densitile curenilor de difuzie sunt:

(2.8)

(2.9)

unde Dn i Dp sunt coeficieni de difuzie. Curentul total va fi suma dintre curentul de drift (3) n prezena iluminrii i cel de difuzie:

(2.10)

innd cont c: , i , rezult:

(2.11)

Aadar, n circuit deschis (jz=0)ntre faa iluminat i cea neiluminat apare un cmp electric:

(2.12)

i deci o diferen de potenial V. Dac Dn=Dp (atunci cnd n = p) atunci Ez=0 i V=0.

ntr-o jonciune p-n, ca urmare a difuziei electronilor din domeniul n n domeniul p i difuziei golurilor n sens invers, apare un cmp electric n stratul de baraj i corespunztor o diferen de potenial (fig. 2.4).

Fig.2.4Acest cmp electric mpiedic continuarea difuziei i n acelai timp duce la apariia unor cureni de drift care se opun celor de difuzie. n stare de echilibru, curenii de difuzie vor fi egali cu cei de drift, astfel nct curentul rezultant va fi nul.

Dac jonciunea p-n este iluminat, se vor crea perechi electron-gol n exces. Dac d>>l, fluxul de fotoni va varia exponenial cu adncimea, conform relaiei (2.7). Electronii n exces creai n regiunea p pot difuza prin jonciune i coboar bariera de potenial spre zona n. Golurile n exces create n zona n pot difuza i ele prin jonciune. Apare astfel o sarcin pozitiv pe faa p i una negativ pe faa n. Aceste densiti de sarcin micoreaz diferena de potenial de la j0 la j0 V.

Ecuaia de curent tensiune este:

(2.13)

unde:j0 densitatea curentului invers la saturaie n absena iluminrii, V tensiunea aplicat jonciunii, k constanta lui Boltzmann, jL curentul de generare independent de V i direct proporional cu intensitatea iluminrii (determinat de perechile electron-gol generat de lumina incident).

Relaia (12) este ilustrat n fig. 2.5, pentru iluminri diferite ale jonciunii. Pentru j=0 se obine din relaia (12) tensiunea n circuit deschis Voc:

(2.14)

Curentul de scurt circuit se obine punnd condiia V=0 n relaia (2.14). Rezult:

(2.15)

4> 3> 2> 1Fig. 2.5Fotodioda

Fotodioda este un dispozitiv optoelectronic realizat dintr-o jonciune pn sau un contact metal-semiconductor polarizat invers, cu regiunea de trecere excitat de un flux luminos. Simbolul, modul de polarizare i caracteristicile statice ale fotodiodei sunt prezentate n fig. 3.

a b c

Fig.2.6Caracteristica curent-tensiune reprezint cele trei zone n care poate funciona fotodioda:

cadranul trei, n regim de polarizare invers extern sau regim de fotodiod n care curentul este proporional cu iluminarea.

cadranul patru, n regim de polarizare exterioar nul sau regimul de fotoelement, n care prin fotodiod circul un curent dependent de fluxul luminos incident.

cadranul unu adic polarizare direct n care fotodioda se comport ca o jonciune pn normal.

Parametrii specifici unei fotodiode sunt:

curentul de ntuneric ILo , este curentul prin fotodiod la iluminare nul;

tensiunea invers maxim VR max , este tensiunea invers maxim ce o poate suporta fotodioda fr s apar multiplicarea curentului n avalan. rezistena dinamic la polarizare invers (2.16) sensibilitatea integral ce se poate defini astfel

(2.17)sau:

(2.18)i reprezint variaia curentului la o variaie a fluxului luminos sau a iluminrii.

Fototranzistorul

Principiul de funcionare a unui fototranzistor se bazeaz pe efectul fotoelectric intern: generarea de perechi electron-gol ntr-un semiconductor sub aciunea unei radiaiei electromagnetice cu lungimea de und n domeniul vizibil sau ultraviolet. Dac semiconductorul este supus unei diferene de potenial, atunci el va fi parcurs de un curent a crui intensitate va depinde de mrimea fluxului luminos incident. Intensitatea lui poate fi mrit prin utilizarea proprietii structurii de tranzistor de a amplifica curentul.

Fototranzistorul (fig.2.7.a) este un tranzistor cu regiunea jonciunii emitor - baz expus iluminrii, astfel nct rolul diferenei de potenial dintre baz i emitor este jucat de fluxul luminos incident pe jonciunea emitoare. Generarea de perechi electron-gol contribuie la micorarea barierei de potenial a jonciunii i deschiderea ei mai mult sau mai puin, n funcie de numrul de fotoni incideni. Terminalul bazei poate lipsi sau, dac exist, el permite un control suplimentar al curentului de colector.

Fig.2.7.

Caracteristicile de ieire ale unui fototranzistor sunt similare cu cele ale unui tranzistor obinuit, cu deosebirea c, n locul parametrului IB apare iluminarea sau fluxul luminos (fig.2.7.b).

Sensibilitatea integral a fototranzistorului este mai mare ca la fotodiode datorit amplificrii n curent . Parametrii fototranzistoarelor se aseamn cu ai fotodiodelor i ai tranzistoarelor obinuite.

Dioda luminiscent

Este un dispozitiv fotoemitor fiind realizat dintr-o jonciune pn de construcie special, care emite radiaie luminoas pe seama energiei rezultate din recombinarea purttorilor de sarcin. Ea se polarizeaz direct, emind o lumin n spectrul vizibil, ce depinde de materialul semiconductorului utilizat i natura impuritilor.

Se realizeaz de obicei din GaP cu impuriti de Zn (rou) sau N(verde). Simbolul, caracteristica curenttensiune i caracteristica spectral sunt prezentate n figura 5.

Fig.2.8Parametrii specifici unei diode luminiscente sunt:

intensitatea luminoas emis la un anumit curent direct

lungimea de und la intensitate luminoas maxim P ;

Optocuplorul

Optocuplorul este un dispozitiv optoelectronic obinut prin cuplarea optic a unui fotoemitor i a unui fotodetector. Cu ajutorul lui se poate realiza transferul unei comenzi cu izolare galvanic foarte bun ntre intrare i ieire. Cele mai utilizate optocuploare sunt realizate prin cuplare LED

fototranzistor. Simbolul unui optocuplor mpreun cu caracteristica de transfer C F I =f(I ) sunt prezentate n figura 2.9.

Fig.2.9Dispozitive indicatoare electro -optice

Dispozitivele indicatoare electro-optice convertesc informaia electric ntr-o informaie de natur luminoasa. n cadrul acestor dispozitive, o importan deosebit o prezint dispozitivele de afiare alfa - numerice , dezvoltarea acestora fiind impus de extinderea msurrilor numerice.

Exist o gam larg de dispozitive de afiare alfa-numerica, ns pentru aparatura de msurat prezint importan numai unele tipuri, care vor fi prezentate n continuare.

Dup modul de realizare a cifrelor sau a altor caractere se disting:

dispozitive fr sintetizarea caracterelor;

dispozitive cu sintetizarea caracterelor, care la rndul lor pot fi cu segmente sau cu matrici.

Dispozitivele cu sintetizarea caracterelor cu segmente pot fi cu: 7, 9 14 sau 16 segmente (figura 2.10).

Dispozitivele cu sintetizarea caracterelor cu matrici conin matrici cu: 3x5 puncte, 4x7 puncte sau 5x7 puncte (figura 2.11). Prin iluminarea difereniat a segmentelor sau punctelor din matrici pot fi sintetizate diferite caractere alfa-numerice.

Fig.2.10. Sintetizarea caracterelor cu segmente.

Fig.2.11. Sintetizarea caracteror cu matrici.Dintre cerinele impuse dispozitivelor de afiare alfa numerice se pot cita:

preul de cost / digit mic;

compatibilitate cu circuitele logice;

putere consumat mic;

tensiuni mici de alimentare;

citirea la ntuneric i /sau n condiii de iluminare;

distana i unghi de observare mari;

durata mare de via.

Principalele tipuri de dispozitive de afiare alfa-numerice sunt:

1. Tuburile Nixie sunt dispozitive de afiare fr sintetizarea caracterelor; ele permit vizualizarea diferitelor simboluri prin comanda descrcrii ntr-un gaz inert (neon). Constructiv sunt realizate din 10 catozi avnd forma cifrelor 0...9 i un anod sub forma de plasa ce nconjoar catozii. Dac ntre catod i anod se aplic o diferen de potenial mai mare dect o valoare numit tensiune de aprindere ( 60...70 V) se amorseaz descrcarea, intensitatea maxim fiind n jurul catodului. Principalul lor dezavantaj este tensiunea mare de alimentare.

2. Afisaele cu diode electroluminiscente (LED). Diodele electro-luminiscente sunt realizate cu arseniur de galiu, fosfor, eventual alte substane i au proprietatea ca n cazul n care sunt direct polarizate (U=1,6...3 V) emit unde luminoase de culoare roie, galben sau verde dup compoziia materialului din care sunt confecionate. Cu ajutorul lor se pot realiza sisteme de afiare cu segmente sau matrici (de regula de culoare roie).

3. Afisajele fluorescente cu vid sunt realizate cu tuburi cu vid cu mai muli anozi acoperii de un luminofor de culoare verde i un catod cald, ntre care se dispune o gril de comand. Dac pe gril se aplic o tensiune de circa 20 V, electronii ajung la anod, iar stratul de luminofor emite lumin verde (ochiul omenesc are sensibilitate maxima la verde). Acest sistem de afiare se construiete cu segmente.

4. Afisaj cu cristale lichide nematice. Anumite substane organice avnd molecule n form de bare, care pot fi ntr-o stare stabil ntre starea solid i lichid, se numesc cristale lichide. n aceste condiii ele au anumite proprieti electrice i optice.

n straturi subiri (10 m), dac sunt polarizate electric cu tensiuni de ordinul volilor, ele se ordoneaz prezentnd transparen optic, putnd fi astfel folosite n sisteme de afiare pasiv (cu lumin exterioar), cu segmente sau mai nou, matricial. Au un consum energetic foarte redus (de ordinul W).

Fig.2.12. Constructia afiorului cu cristale lichide5. Afiajul cu tub catodic / cinescop se folosete de obicei la sistemele complexe. Prin utilizarea unor generatoare de caractere sau editoare grafice care aplic simultan tensiuni pe intrrile x, y i z ale osciloscoapului, pe ecran pot fi obinute diferite caractere prin sintetizare. Acest sistem de afiare are un grad de complexitate mare i se utilizeaz mpreun cu sisteme de calcul.

LECXIA III

Tuburi electronice

Dioda cu vid

Dioda cu vid este un dispozitiv compus din doi electrozi dispui coaxial ntr-o incint vidat: catodul (emitorul electronic) filiform, plasat pe axa incintei i anodul (colectorul), de form cilindric.

Catodul este nclzit la temperaturi ntre 700 0C i 1400 0C i, ca urmare, temperatura ridicat permite acestuia s emit, pe baza fenomenului de emisie electronic, electroni.

nclzirea catodului se poate face direct, cnd catodul este un filament adus la incandescen prin trecerea unui curent electric prin el sau indirect, cnd catodul este un cilindru foarte subire, nclzit prin radiaie termic de la un filament aflat n interiorul su.

Fenomenul de emisie termoelectronic are loc datorit creterii energiei cinetice de agitaie termic a electronilor liberi din solid pe seama energiei termice exterioare. Curentul de emisie crete cu creterea temperaturii. n vecintatea suprafeei nclzite se formeaz un nor de electroni care se agit haotic. Acest gaz electronic nu se ndeprteaz de suprafaa metalului deoarece electronii extrai las n metal o sarcin pozitiv, echivalent, care i atrage.

Prin aplicarea unui cmp electric accelerator, peste o valoare critic a acestuia vor fi culei toi electronii din norul electronic, curentul de emisie atingnd valoarea de saturaie.

Richardson i Dushman au stabilit c densitatea de curent a curentului de emisie este dat de:(3.1)

unde W0 reprezint lucrul mecanic (energia) de extracie, care este o constant caracteristic materialului electronoemisiv, iar A o constant ce depinde de natura i starea suprafeei catodului. Folosind schema principial din figura 3.1, se pot trasa caracteristicile statice ale diodei(figura 3.2).

Fig.3.1. Schema diodei cu vid

Fig.3.2. Caracteristicile statice ale diodei

Aceste caracteristici prezint trei zone:

- zona I (zona de lansare sau zona tensiunilor negative) curentul anodic IA este foarte mic i se poate neglija, el fiind datorat unui numr mic de electroni cu viteze iniiale mari, care pot nvinge cmpul electric frnant, ajungnd la anod. n practic, se consider c aceste caracteristici pornesc chiar din origine, zona I fiind foarte greu de pus n eviden.

- zona a II-a (regiunea de sarcin spaial) este zona caracteristicii anodice unde este zona a II-a (regiunea de sarcin spaial) este zona caracteristicii anodice unde este valabil legea 3/2:

(3.2)- zona a III-a (regiunea de saturaie). IA atinge valoarea maxim, conform relaiei Richardson i Dushman.

Pentru o diod se pot defini parametrii:

- rezistena intern static (n curent continuu), R,

(3.3)

rezistena dinamic (n curent alternativ) Ri:

(3.4)Trioda cu vid

Const dintr-un balon vidat n care se afl 3 electrozi (fig. 3.3):

un filament (F) nclzit, cu rol de catod (C);

o gril (G) - o spiral sau sit n jurul catodului;

un anod (A) colector de electroni n jurul grilei.

In circuit, filamentul este nclzit electric de la o surs de nclzire sau de filament i este legat la polul negativ al unei surse de c.c. numit anodic, avnd deci rol de catod. La polul pozitiv al sursei anodice se conecteaz anodul, prin intermediul unei rezistene sau circuit de sarcin. Grila se polarizeaz la potenial negativ sau pozitiv fa de catod, dar ntotdeauna negativ fa de anod, de la o surs separat sau format cu un grup RC (autopolarizare).(Fig.3.4)

Cnd filamentul este nclzit, emite electroni care sunt atrai de anod. Fluxul de electroni este controlat de cmpul electric gril catod, creat de tensiunea de gril. Grila este plasat aproape de catod astfel c tensiunea de gril influeneaz mult numrul de electroni care trec prin gril spre anod, formnd curentul anodic iA. O parte dintre electroni sunt captai de gril, chiar dac este negativ, formnd curentul de gril iG; cnd grila este negativ, iG este foarte mic iar cnd este pozitiv devine semnificativ. Dac grila este destul de negativ, curentul anodic este nul tubul este blocat.

Fig.3.3. Trioda cu vid, construcie i simbol

Fig.3.4. Polarizarea triodei

Curentul total de emisie (curentul catodic) este dat de relaia:

(3.5)

unde uE este tensiunea echivalent anod-catod iar f - factorul de ptrundere al grilei.

n general, iG este foarte mic deci iC iA.

Pentru o triod, se pot trasa caracteristicile anodice,

(3.6)

i de gril

(3.7) Caracteristicile anodice ale unei triode sunt, calitativ, aceleai cu ale unei diode. Caracteristicile de gril arat c acest al treilea electrod poate controla curentul anodic prin variaia potenialului aplicat pe el. Astfel, la valori negative (fa de catod, considerat la potenial nul) ale potenialului de gril, mai mari dect o valoare numit tensiune de stopare, curentul anodic este nul, deoarece cmpul electric de frnare, dintre gril i catod, este att de intens, nct nici un electron din norul electronic din jurul catodului nu are suficient energie pentru a-l nvinge i a ajunge la anod. La valori peste tensiunea de stopare ale potenialului de gril, curentul anodic crete, la nceput mai lent, apoi liniar odat cu creterea acestui potenial, pn cnd se intr n regiunea de saturaie, cnd curentul anodic nu mai crete, ba chiar ncepe s scad uor, datorit faptului c grila este suficient de puternic pozitivat pentru a atrage ea nsui electroni, ceea ce nseamn creterea curentului de gril i, implicit scderea celui anodic.

Fig. 3.5. Caracteristicile curentului anodic la triode: a c. de gril, b c. anodice pentru tensiuni de gril negative, c c. anodice pentru tensiuni de gril pozitive

Pentru poriunea liniar a caracteristicii de gril, a crei zone de mijloc se gsete de obicei la valori negative ale potenialului grilei, se pot defini parametrii triodei: panta S, rezistena intern Ri i factorul de amplificare, .

(3.8)

Cum iA = f(uA, uG), se poate scrie:(3.9)

Pe de alt parte, ntructiA = IA + ia ; uA = UA + ua ; uG = UG + ug i deci diA = ia , duG = ug , duA = ua , (3.10)(3.11)

sau:

Riia = RiSug + ua = ug + ua (3.12)Pentru montajul din figura 3.4, n lipsa semnalului alternativ de gril (ug = 0), mrimile

electrice au expresiile:

uG = Eg ; iA = IA ; uA = UA = EA RAIA (3.13)

Mrimile de mai sus determin regimul static de funcionare a triodei. n prezena componentei alternative, ug = Ugmsint , mrimile au expresiile:

uG = EG + ug = EG + ug = Ugmsint

iA = IA + ia = IA + ug = Iamsint (3.14)

uA = UA + ua = EA ua = EA ug = Uamsint

uA = EA RAiA = EA RA(IA + ia) = EA RAIA RAia = UA - uaDeci,(3.15)

(3.16)

Relaiile de mai sus permit nlocuirea schemelor reale ale circuitului cu triod cu circuiteechivalente. Astfel, relaia (3.15) conduce la schema echivalent cu generator de tensiune constant, cu t.e.m. egal cu ug i rezisten intern Ri, ce debiteaz pe o sarcin RA (figura 3.6.a) iar relaia (3.16) conduce la schema echivalent n care tubul apare ca generator de curent constant, Sug , cu rezistena intern Ri n paralel (figura 3.6.b).

Fig.3.6Din relaiile (3.15) sau (3.16) i schemele echivalente rezult c amplificarea montajului,

(3.17)

Este dat de relaia:(3.18)Tetroda cu fascicule

Este un tub cu 4 electrozi, foarte folosit n circuitele de RF de putere. In tetrode exist o a doua gril numit gril ecran (G2) plasat ntre grila de comand (G1) i anod. Ecranul izoleaz spaiul gril de comand catod de aciunea anodului i ca urmare curentul anodic este puin influenat de tensiunea anodic caracteristicile anodice n regiunea activ sunt aproape orizontale.

Ecranul este pozitiv fa de grila de comand i negativ fa de anod. Ca urmare, la tensiuni anodice mici atrage electroni i curentul anodic scade acesta este efectul dinatron.

Pentru reducerea acestui efect pn aproape de eliminare, se monteaz dou plci deflectoare iar spirele ecranului sunt coplanare cu spirele grilei de comand. Electronii se deplaseaz n fascicule i puini mai ajung pe ecran (fig. 3.7). Astfel s-a ajuns la tetroda cu fascicule, n present tubul cel mai utilizat n RF pentru puteri de 5-10 ... 250-400kW i frecvene pn la 200 400MHz (mai sus se folosesc triode de nalt frecven cu structur special, cu o parte din circuitele de sarcin incluse n tub).

Fig. 3.7. Tetroda cu fascicule: structur i simbol

La tretrode curentul anodic depinde de 3 tensiuni: a grilei de comand (uG1), a grilei ecran (uG2) i anodic (uA):

Grafic, dependena se exprim prin caracteristici statice ale curentului anodic (fig. 3.8): caracteristicile de gril (de comand):

caracteristicile anodice:

Fig. 3.8. Caracteristicile curentului anodic la tetrode cu fascicul (de gril i anodice)

Fig. 3.9. Caracteristici ale curentului de ecran la tetrode

Se observ influena redus a tensiunii anodice asupra curentului anodic, care este mult mai mult influenat de tensiunea ecranului.

Ecranul fiind pozitiv, exist un curent de ecran (iG2) important; de regul se furnizeaz caracteristicile:

care au aspectul din figura 12.

Comparativ cu triodele, tetrodele au rezistena intern Ri din fig. 8.c, mult mai mare (Ri triode = 1 ... 50k, Ri tetrode = 50 ... 500k ). Ca urmare, au i || = SRi mult mai mare. Consecina este c tetrodele asigur amplificri n tensiune i n putere mult mai mari dect triodele acesta este un avantaj esenial.Att n cazul tetrodelor, ct mai ales n al triodelor, curentul grilei de comand este mic, dar destul de mare n valori absolute pentru a trebui s fie luat n considerare la proiectare. De obicei se furnizeaz caracteristici de tipul: la triode i

la tetrode.

Pentoda

Este un tub cu 5 electrozi: catod, anod, gril de comand (G1), gril ecran (G2) i gril supresoare (G3). Grila supresoare este plasat ntre anod i ecran i de regul este conectat la catod. Ca urmare, supresoarea izoleaz foarte bine spaiul catod gril de comand de anod. Curentul anodic depinde foarte puin de tensiunea anodic, depinde practic numai de tensiunea de comand (uG1) i de a ecranului (uG2). De aceea, caracteristicile anodice ale curentului anodic sunt practic orizontale. Urmarea este c Ri pentod este foarte mare (250k ... >1M) deci i amplificrile sunt foarte mari.

Fig. 3.10. Pentoda (simbolizare)

Construcia tuburilor electronice de emisie

Tuburile utilizate n amplificatoarele i oscilatoarele de radiofrecven de putere, numite n general tuburi de emisie, trebuie s poat disipa pe anozi puteri mari (50W ... 100kW), funcionnd cu tensiuni anodice mari (1-2 ... 10-25kV) n acord cu puterea furnizat, s suporte impulsuri de curent anodic cu amplitudini mari (10 ... 200A).

Pentru puteri utile mici i medii (pn la 2-3kW), se folosesc triode, tetrode cu fascicul dirijat i pentode iar la puteri mai mari numai triode i tetrode cu fascicul, deoarece grila supresoare a pentodelor nu permite ca anodul s disipe puteri mari.

Tuburile de emisie au o construcie special, diferit de a tuburilor pentru semnale mici (tuburi de recepie).

Catozii tuburilor de emisie sunt numai cu nclzire direct din wolfram sau wolfram thoriat; alte tipuri nu rezist la supranclzirile frecvente care apar cnd grila devine pozitiv i nu se pot folosi.

[Durata de utilizare a catozilor depinde esenial de curentul de nclzire, deci de tensiunea de filament. O variaie de 5% a tensiunii determin njumtirea sau dublarea duratei de funcionare. Frecvent, productorii livreaz graficul curentului de emisie al catodului n funcie de tensiunea de filament, nct utilizatorul i poate regla regimul n funcie de necesiti.]

Grilele tuburilor de emisie se realizeaz din molibden, mai rar din tantal sau wolfram, deoarece trebuie s reziste la temperaturi mari, s disipe puteri mari, dat fiind c tuburile lucreaz adesea cu grile pozitivate i n consecin, curenii grilelor exist i sunt mari.

Anozii tuburilor de emisie au construcia i modul de rcire n funcie de puterea disipat. Anozii tuburilor cu putere util pn la circa 2kW se execut din molibden sau tantal, eventual cu nervuri de rcire, fiind plasai, ca i ceilali electrozi, n interiorul balonului de sticl (fig. 6). Evacuarea cldurii se face n principal prin radiaie. Frecvent contactul la anod este n vrful tubului.

Anozii tuburilor de putere medie i mare se execut din cupru i se plaseaz n exterior. Astfel, tuburile pot fi montate, cu anodul n jos, n radiatoare cu rcire prin ventilaie liber sau forat.

La puteri foarte mari (peste circa 150kW) rcirea se face cu ap: radiatorul este plasat ntr-o incint cu ap care este adus la fierbere iar vaporii sunt circulai prin radiatoare unde se condenseaz iar apa rezultat este reintrodus n circuit.

Balonul tuburilor de emisie de puteri mici este din sticl, tuburile se folosesc montate n socluri. Contactul de anod este separat, la una din extremiti.

Tuburile actuale de puteri mari sunt realizate n construcii metalo-ceramice: balonul este metalic iar contactele sunt inelare, separate prin inele sau cilindri din ceramic care asigur etanare foarte bun. Asemena tuburi pot fi puternic nclzite pentru degazare, etanarea este perfect i nu necesit instalaii de vidare continu.

Fig. 3.11. Tetrod de mare putere (300kW) n execuie metalo ceramic (rcire cu ap)

Amplificatoare de RF cu tuburi de emisie

Principiile amplificatoarelor de RF cu tuburi. Sarcina tubului n ARF

Ca orice dispozitiv activ n circuit, tuburile trebuie polarizate de la surse de tensiune continu:

anodul se polarizeaz de la o surs anodic EA cu + pe anod;

catodul este conectat la polul negativ () al susrsei anodice EA;

grila (de comand) se polarizeaz ntotdeauna cu tensiune EG1 negativ (fa de catod);

ecranul se polarizeaz cu tensiune pozitiv EG2; uzual EG2 = (0,25 ... 0,66)EA.

Polarizarea anodului se poate face:

Printr-un rezistor, semnalul variabil fiind colectat prin condensator acestea sunt amplificatoarele cu cuplaj RC fig. 3.12. Tensiunea variabil variaz n jurul valorii medii corespunztoare cderii de tensiune continu pe rezistorul de polarizare. Amplificatoarele de RF cu cuplaj RC sunt de band larg (video, de exemplu) i se folosesc numai pentru puteri mici.

Fig. 3.12. Amplificator RC cu triod: schem i diagrama semnalelor

Prin bobin (bobin de oc sau bobina unui circuit rezonant, sau a unui transformator). In acest caz, tensiunea anodic variaz n jurul valorii EA fig. 3.13.

Fig. 3.13. Amplificator cu tetrod cu sarcin LC: schem i diagrama semnalelor

Orice dispozitiv activ, din punct de vedere al semnalului, este echivalent la ieire cu o surs de tensiune real, comandat (cazul tuburilor) sau cu o surs de curent real, comandat (cazul tranzistoarelor).

Sarcina dispozitivului activ, reprezentnd echivalentul electric al circuitului pe care se disip puterea util (de semnal), este n general un circuit RLC; n particular, ca n fig. 3.12, sarcina tubului poate fi o rezisten echivalent RA n paralel cu RL.

In cazul ARF i mai ales al ARFP, sarcina real (antena, intrarea altui tub, ...) este cuplat prin circuite de adaptare cu elemente reactive (cu transformator inclus n circuit rezonant - fig. 3.13, cu condensatoare sau cu circuite mai complicate). In final, pentru sursa echivalent ieirii dispozitivului, sarcina este o rezisten echivalent RLech, existent numai pentru semnal.

In cazul din fig. 3.13, La cu Ca formeaz un circuit care la rezonan este echivalent cu o rezisten de sarcin echivalent Ra rezultat din punerea n paralel a: rezistenei de pierderi a bobinei pL a R = QL

rezistenei de pierderi a condensatorului

rezistena de sarcin reflectat

Rezistena de sarcin echivalent, vzut de tub (pe care debiteaz sursa echivalent ieirii dispozitivului) este:(3.19)

De regul tan Ca RpL, RLrefl i cu bun aproximaie:(3.20)

In concluzie,

sarcina dispozitivului activ n ARF, n condiii normale de funcionare (circuitul LC de la ieire rezonant la frecvena de lucru) se poate considera rezistiv rezistena echivalent Ra;

n cazul ARF de band ngust, banda ocupat de semnal este destul de ngust pentr ca sarcina s rmn rezistiv (Ra) n toat banda;

n cazul ARF de band larg, msurile de compensare a elementelor reactive asigur ca sarcina s rmn rezistiv n band;

n toate cazurile, este vorba de o rezisten de sarcin echivalent.

Fig. 3.14. Sarcina echivalent din anodul tubului n ARF cu sarcin LC acordat

Caracteristici de sarcin la ARF cu tuburi

Se consider ARF cu triod ca n fig. 18, cu caracteristici liniarizate ca n fig. 19. Sunt posibile 2 regimuri de funcionare:

Regimul de funcionare liniar, n care polarizrile i nivelul semnalului de intrare sunt astfel nct tubul nu intr n blocare sau saturaie.

Regimul de funcionare neliniar, n care polarizrile i nivelul semnalului de intrare sunt astfel nct tubul intr cel puin n blocare, eventua i n saturaie.

Se va analiza funcionarea n cele dou regimuri.

Fig.18

ARF cu tubul n regim liniar

In regim liniar, grila este polarizat n regiunea activ iar nivelul semnalului este destul de mic pentru ca prin tub s circule curent tot timpul. In acest caz, pentru semnal de intrare sinusoidal, curentul de ieire (anodic) i tensiunea anodic au componenta variabil sinusoidal.

Frecvena fiind aceeai, sarcina tubului este rezistena echivalent Ra:

(Ua, Ia amplitudinile componentelor variabile)

Pentru analiz se vor considera caracteristicile statice liniarizate, descrise de ec.

Deoarece constantele IA0c, EG0, EA0 se determin greu, se poate folosi tensiunea de gril de blocare la tensiunea sursei anodice EI G din figura 19.

Din:

rezult:

dar

pentru:

rezult:

i ecuaia caracteristicii:

este ecuaia caracteristicilor statice liniarizate, valid att n planul iAuG i n planul iAuA.

Fig. 19. Caracteristici dinamice i forme de semnale n ARF cu triod

n regim liniar cu sarcin acordat

In lipsa semnalului, tubul polarizat cu EG i EA conduce curentul IA0 punctul de funcionare n lipsa semnalului este M (fig. 19).

Dac semnalul de intrare (fig. 18) este sinusoidal, de forma: us (t) =Us cos( t) , tensiunea pe gril, curentul anodic i tensiunea anodic sunt: (21)

n care componenta variabil a tensiunii anodice este determinat numai de componenta variabil a curentului anodic, adic:(22)

In planul iAuA punctul de funcionare se deplaseaz pe o caracteristic dinamic liniar, ntre punctele A i B. Din (2.12) i (2.11) rezult ecuaia caracteristicii dinamice n planul iAuA:(23)

Este o dreapt (AMB) cu panta (dinamic) n regim liniar:(24)

In planul iAuG, din (2.10) i (2.13) rezult imediat ecuaia caracteristicii dinamice:(25)

Este tot o dreapt (AMB), cu panta(26)

ARF cu tubul n regim neliniar

In regim neliniar, tubul este blocat pe o durat din perioada semnalului de intrare. Ca urmare, curentul anodic are forma unor impulsuri sinusoidale cu o durat de conducie 2a fig. 20. Produsul 2a= 2a este unghiul de conducie. Curentul anodic are armonice: IA0 componenta de c.c., ia= I acost - fundamentala, cos(2 ) 2 2 i2a = I2acos( t +) - armonica a 2-a, ...

Amplitudinele armonicelor depind se semiunghiul de conducie (a) i se pot exprima: n funcie de IAmax (fig. 1.14), cu coeficienii k(a):

(27)

n funcie de IA (fig. 1.14), cu coeficienii k(a):(28)

Datorit circuitului acordat din anod, rezistena de

sarcin echivalent Ra exist numai pentru fundamentala

curentului; pentru celelalte componente sarcina este nul. Ca

urmare, tensiunea anodic este:(29)

Curentul anodic iA este de forma unui impuls sinusoidal

cu deschidere 2a, amplitudine IA i valoarea maxim IAmax (fig. 2.14). Aadar, n domeniul

timp curentul anodic este dat de relaiile:(30)

Se observ c la limitele blocrii (-a, +a) din (1.19), tensiunea anodic este:(31)

Rezult ecuaiile ecuaiile caracteristicii dinamice n planul iAuA:(32)

Relaiile (32) sunt ecuaiile dreptei frnte DABC (fig. 2.15), format din segmentele:

DAB, pe abscis, cnd tubul este n regiunea de blocare i

BC, nclinat cu panta dinamic :

, cnd tubul conduce (regiune activ).

Fig. 20. Impulsul de current anodic n regim neliniar

LECIA IVTuburi speciale

Magnetronul

Elemente constructive i principiul de funcionare

Magnetronul este un generator cu autoexcitaie, care convertete puterea continu sau n impulsuri a sursei de alimentare n. putere de microunde. Elementele componente sunt prezentate n fig.1.

Conversia puterii are loc n spaiul de interaciune I aflat ntre blocul anodic A (confecionat din cupru) i catodul C ( realizat din oxizi de bariu, stroniu sau thor). Un cmp magnetic aproximativ uniform, paralel cu axa tubului exist n spaiul de interaciune. Catodul se alimenteaz de la o tensiune negativ n raport cu anodul care se pune la potenial zero (mas). In blocul anodic sunt practicate uri numr par de caviti rezonante R, cuplate la spaiul de interaciune printr-o fant. Forma i dimensiuni1e cavitilor rezonante sunt impuse de funcionarea ct mai stabil la o anumit frecven

Fig.1. Elementele constructive ale magnetronului cu cavit rezonante

.

In fig.2. sunt ilustrate cteva rezonatoare n seciune transversal.

Fig.2. Tipuri de rezonatoare folosite la magnetroane

Capetele rezonatoarelor sunt terminate n gol, ntr-o cavitate denumit spaiu de capt, unde liniile de flux se extind de l a un rezonator la altul. Cuplajul ntre rezonatori este crescut prin utilizarea unor bare conductoare S, cuplate alternativ la rezonatoare. Puterea de microunde se extrage de la un rezonator printr-o bucl de cuplaj L, care face parte din circuitul de ieire. Ansamblul cavitilor rezonante, spaiul de capt i circuitul de ieire alctuiete sistemul rezonant. Catodul se nclzete indirect de la un filament F, din tungsten sau molibden. Liniile coaxiale de alimentare ale filamentului sunt prevzute cu ocuri K, n scopul minimizrii radiaiei energiei de microunde. La fiecare capt al catodului se afl un ecran H, din nichel, care nu permite electronilor de la catodul nclzit s se deplaseze paralel cu axa magnetronului.

Sub aciunea cmpului magnetic continuu i a celui electric datorat sursei de alimentare, electronii emii de catod se deplaseaz n spaiul de interaciune, pe traiectorii epitrohoidale, pn la o distana maxim rb (fig.3.a). Ei se vor roti n jurul catodului asemenea butucului unei roi n jurul axului. Pe timpul acestei de deplasri,

Fig.3. Traiectoria electronilor nainte a) i dup aplicarea cmpului alternativ b)

electronii induc n cavitile rezonante un cmp de microunde. n continuare are loc interaciunea ntre electroni i cmp, n urma creia, o parte din electroni sunt accelerai i se vor ntoarce la catod, iar restul vor fi frnai ponderat, se vor grupa (formnd "spie") i deplasa spre anod. (fig.3.b.). Prin frnare, electronii cedeaz energie cmpului, a crui amplitudine va crete.

Dac viteza unghiular V cu care se rotesc "spiele" de electroni este egal cu viteza de schimbare a polaritii cmpului la rezonatori , atunci interaciunea va avea eficacitatea maxim, spiele cednd energie fiecrui rezonator ori de cte ori trec pe lng ele. Energia stocat se extrage de la un rezonator, care este cuplat funcional n inel cu ceilali .

Parametrii i caracteristici de funcionare

Parametrii de baz ai magnetronului: puterea de ieire, randamentul total, frecventa de lucru i stabilitatea acesteia, depind de curentul anodic Ia, inducia B0, tensiunea anodic Ua i impedana de sarcin Zs. Interdependena acestora este specific prin caracteristicile de funcionare i de sarcin.Caracteristicile de funcionare evaluate n regi de funcionare adaptat sunt caracteristici volt - amperice avnd ca parametrii inducia, puterea de ieire sau randamentul (fig.4).

Fig. 4. Caracteristicile de funcionare Fig. 5. Caracteristicile de sarcin ale

ale magnetronului magnetronului

Caracteristicile de sarcin arat dependena puterii i a frecvenei generate de impedana de sarcin evaluat prin raportul de und staionar i faza coeficientului de reflexie (fig.5). Rezultatele msurtorilor se nscriu pe o diagram circular, constituind o diagram tip Reike.

La magnetroanele actuale puterea de ieire este de 2,5-5 MW, n banda 0,4-3 GHz; 1 MW l a 10 GHz i 100 KW la 35 GHz. Randamentul total scade de l a 80% n gama decimetric la aproximativ 30% n zona milimetric. Timpul de bun funcionare uzual este de 1000 - 2000 ore dar poate ajunge pn l a 10.000 ore.

Magnetroanele care lucreaz n regim de oscilaie continu (de exemplu pentru nclzirea prin microunde) sunt garantate ntre 2 i 10 ani.

Acordul frecvenei la magnetroanele prevzute cu acionare mecanic este de 5-7% din frecvena central, iar la cele cu comand electromecanic 2-3%.

Timpul de nclzire a1 filamentului este 2 - 10 minute i este absolut necesar naintea cuplrii tensiunii anodice (Ua = 0,8 - 10 KV). In timpul funcionrii (n regim de impulsuri sau oscilaie continu), ca urmare a energiei electronilor c faz nefavorabil care ajung pe catod, tensiunea de filament se reduce la aproximativ o zecime din valoarea iniial sau chiar la zero. Clistronul

Construcie i principiul de funcionare

Clistronul reflex este un generator da semnal de mic putere utilizat de la 800 MHz pn la 220 GHz, are o construcie simpl, dimensiuni i greutate reduse. El genereaz un semnal cu frecvena stabil, reglabil electric sau mecanic, iar pe timpul funcionrii este puin influenat de temperatur, vibraii sau radiaii.

Dispozitivul ilustrat n fig. 6, se compune din: circuitul de grupare al electronilor (catod K, electrod de accelerare EA, cavitate rezonant C.R.), un electrod pentru deflexia electronilor(reflector, R) i se alimenteaz de la dou surse da tensiune independente i cu polaritatea indicat.

Sub aciunea cmpului static accelerator, electronii emii de catod ajung la nivelul primei grile C.R . cu viteza

Curentu1.de convecie a1 electronilor, care trec iniial printre gri1ele C.R., determin un curent indus i o tensiune alternativ amorsat cu amplitudinea maxim corespunztoare componentei spectrale pe care este acordat cavitatea.

Fig.6

n continuare asupra electronilor care vor trece prin prima gril a cavitii va aciona cmpul alternativ (cu o amplitudine mult mai mic dect cea a cmpului static) astfel c acetia, la prsirea grilei g2 a C.R. vor fi modulai n vitez. n spaiul C.R. reflector, purttorii de sarcin se deplaseaz n cmp frnat (fig.7.a), dup o traiectorie de tip parabolic n raport cu timpul(fig.7.b), i micoreaz viteza pn la 0 apoi se ntorc spre C.R.

Electronul 1, maxim accelerat la nivelul g2 de tensiunea (Ua + M1U1) va - ptrunde mai mult 2n spaiul C.R.- reflector, n raport cu electronii 2 i 3. Ca rezultat a1 modulrii n vitez dup prsirea C.R.- este posibil gruparea electronilor, n jurul celor neaccelerai de cmpul alternativ, determinnd modularea n densitate a curentului de convecie. Dac gruparea se realizeaz cnd electronii se ntorc spre C.R., la nivelul g2 i n cavitate exist cmp frnant, atunci ntre grile i vor micora viteza cednd energie cmpului de microunde, contribuind la ntreinerea oscilaiilor a cror energie este extras din rezonator prin bucl sau fant.

Fig.7. Distribuia de potenial a) i traiectoriile electronilor n clistron b)

Grupul de electroni poate n cmpul frnant din C.R. dup una sau mai multe perioade T0 ale semnalului de microunde, numrul acestora determinnd. numrul n al , zonei de generare. Dac electronii reflectai ajung la g2 cnd n cavitate exist cmp accelerator atunci cmpul cedeaz energie i oscilaiile se amortizeaz rapid, clistronul nu mai genereaz. Condiia de sincronism se poate scrie sub forma general:

(1)

Dac timpul , ct electronii se deplaseaz n spaiul C.R.- reflector nu este egal cu cel dat de relaia (1), cmpul alternativ n cavitate nu mai are amplitudine maxim, puterea n cadrul zonei n de generare scade. In aceast situaie oscilaiile sunt forate s aib amplitudinea maxim dup perioade diferite de T0 i drept urmare apare o deplasare a frecvenei de lucru. Timpul depinde de gradientul de potenial creat de cele dou surse de alimentare (Ua+ UR ); practic, cavitatea se alimenteaz la o tensiune constant, rezultnd c puterea i frecventa oscilaiilor n cadrul unei zone de generare precum i stabilirea zonei n se face prin modificarea tensiunii de

reflector.

Parametrii clistronului reflex

Puterea pe fundamental se obine prin scrierea sub form complex a mrimilor iil i u1 (Iil respectiv El):

(2)

ii are .valoare maxim, dac unghiul de zbor (0 = corespunde regimului optim exprimat n (1 ). Prin nlocuire rezult: (3)

Randamentul electronic maxim n cadrul unei zone de generare, are expresia:

(4)

Funcia f = r Jl(r), de care depind puterea maxim i randamentul este ilustrat n fig.8 i are un maxim egal cu 1,25 pentru valoarea parametrului de grupare r = 2,41

Din relaiile 3 i 4 se constat o dependen invers proporional cu numrul n al zonei de generare. Din relaia 3, pentru r = 2,41 i la sincronism rezult:

Fig.8.

Din relaiile 3 i 4 se constat o dependen invers proporional cu numrul n al zonei de generare. Din relaia 3, pentru r = 2,41 i la sincronism rezult:

(5)

Gruparea este optim dac raportul U1/Ua este mic, de exemplu Ul< 0,l Ua,. Aceast condiie este valabil pentru n>7. Frecvena oscilaiilor se determin din condiia ca susceptana electronic Be s f i e egal i de semn contrar sumei susceptanei cavitii (Bc) i a sarcinii (Bs). n cazuri practice BS este neglijabil. In apropierea rezonanei, susceptana cavitii (a unui circuit derivaie) este:

(6)

iar partea imaginar din (6) :

(7)

Folosind notaia 0 = s + cu modificarea unghiului de zbor;

condiia Be = -Bc conduce la:

(8)

n care f, este frecvena de rezonan a cavitii, s, factorul de calitate n sarcin iar

f diferena ntre frecvena generat i f0.

Din (8) rezult c n cadrul unei zone, frecvena clistronului reflex are o variaie asemntoare cu a funciei tangent,

Banda de frecvene a acordului electronic se definete ca diferena ntre frecvenele generate, n cadrul unei zone, la care puterea scade cu 3 dB fa de valoarea central. Valoarea-tipic a acestui parametru este 0.3 - 0.5 % din frecvena central. Banda de frecvene necesar a fi acoperit de clistronul reflex, folosit ca oscilator local, trebuie s f i e mai mare dect alunecarea de frecven a magnetronului din staiile de radiolocaie. Semnalul modulator se aplic pe reflector, suprapunndu-se peste o tensiune ce determin frecvena central de oscilaie. Curentul de reflector este foarte mic i datorat numai ionilor astfel c modularea se face cu un consum nesemnificativ de energie. Tensiunile de alimentare ale cavitii i reflectorului trebuie s fie foarte bine filtrare pentru a nu produce o modulaie parazit de amplitudine i frecven.

Modificarea n limite mari a frecvenei generate se realizeaz prin acord mecanic care poate fi: inductiv, capacitiv sau cu o cavitate intermediar.

Extragerea puterii se poate face prin bucl (la caviti externe) sau prin fant.

Clistroanele reflex se utilizeaz n staiile de radiolocaie n calitate de oscilator local sau n circuitele de reglare automat a frecvenei, n generatoarele de semnal cu putere mic l a ieire etc. Ele se pot nlocui cu dispozitive semiconductoare n circuitele electronice n care parametrul principal este numai puterea generat.

Tubul cu und progresiv tip O

Construcia i principiul de funcionare

Tubul de und cltoare (TUC) este un dispozitiv cu fascicul liniar , care funcioneaz pe principiul interaciunii de lung durat n raport cu durata semnalului de microunde. Intre curentul de convecie modulat n densitate i cmpul electromagnetic. Interaciunea este eficace dac vitezele de faz a cmpului i de deplasare a electronilor au aproximativ aceiai valoare, ceea ce impune utilizarea unor sisteme de ntrziere. Dup cum n procesul de funcionare se utilizeaz unda direct sau invers, T.U.C. se numesc tuburi .cu und progresiv (T.u.P.) respectiv tuburi cu und invers (T.U. I.).

Componenta electric a c.e.m. care interacioneaz poate fi longitudinal sau transversal, ceea ce conduce la o alt clasificare a T. U.C. de tip 0 sau M. In dispozitivele de tip 0, spre deosebire de cele de t i p M, cImpu1 static (electric i magnetic) nu intervine n procesul de funcionare. T.U.P. de t i p 0 (T.U.P.O. ) a fost descoperit n 1944 de R. Komphner, avnd ca sistem de ntrziere o spiral.

Configuraia de baz a T.U.P.O. nu a cunoscut modificri eseniale de-a lungul anilor. El se utilizeaz ca amplificator de semnal mic i zgomot redus, sau amplificator de semnal mare, peste 100 KW n impuls.

Coeficientul de amplificare este uzual ntre 20 i 40 dB, putnd ajunge pn la 60 dB. Banda instantanee se poate asigura pn la o decad (n general se lucreaz ntre 10% i7 0% din frecventa central).

Dispozitivul, ilustrat n fig.9 se compune dintr-un balon de sticl n care sunt dispuse: tunul electronic (catod - K, electrozi de focalizare E F , anod de accelerare - A), spiral de ntrziere SI, atenuatori absorbani (Aa) i colectorul C.

Fig.9. Elemente constructive ale T.U.P.O.

Introducerea i extragerea energiei se face prin linie coaxial. Solenoidul (S) menine focalizarea fascicolului de electroni pe timpul deplasrii prin centrul spiralei. Componenta electric longitudinal E, conduce la modularea n densitate a electronilor. In fig.10.a se observ c electronul 2 va fi accelerat, iar 4 va fi frnat, astfel nct va apare o grupare a electronilor n jurul punctelor de minim ale lui EZ, la trecerea acestuia de la pozitiv spre negativ (fig.10.b). ntr-o perioad a c.e.m., numrul electronilor accelerai este egal cu a1 celor frnai, deci energia cedat cmpului este nul. In timp, fasciculul de electroni i cmpul se deplaseaz spre colector.

Dac viteza electronilor (vo) ar fi egal cu viteza de faz (vf) a c.e.m., atunci ar avea loc o grupare i mai puternic, iar interaciunea n ansamblu se va face fr transfer energetic. In realitate v0 > vf i deci grupul de electroni (2,3,4 din fig. 10.a) va f i mereu n cmpul frnant a l lui E, cednd energie semnalului. Apare astfel un proces regenerativ n care cmpul, acum cu amplitudine mai mare, realizeaz o focalizare i mai puternic, iar n final se obine un semnal a crui amplitudine crete exponenial de-a lungul axei z. Gruparea electronilor este un proces continuu, efectundu-se pe tot parcursul spiralei.

Parametrii T.U.P.O.

Amplificarea i banda instantanee

T.U.K.0. se utilizeaz ca amplificatoare de putere mic i medie sau mare, n regim continuu sau n i m p u l suri i cu band larg sau ngust. Se consider c se lucreaz n band ngust dac banda de trecere este sub 10% din frecvena central.

T.U.P.O. funcioneaz cu structuri rezonante, ceea ce-i asigur o band larg de frecvent. Banda n principiu este limitat de banda de trecere a sistemului de ntrziere, de dispersia sa, dependent de modificarea tensiunii de accelerare Ea. n cazul benzilor largi se impune utilizarea structurilor de .frnare cu dispersie mic. Dac dispersia nu afecteaz banda amplificarea depinde de produsul CN. Factorul lui Pierce

iar

(9)

unde K este coeficientul de ncetinire a1 sistemului ( s/):

Din aceste dou relaii se constat c amplificarea variaz neliniar n frecven. La aceasta trebuie adugat reflexia de la intrarea i ieirea sistemului de ntrziere care face ca amplificarea s devin:

n care:

este raportul semnalelor de l a ieire i intrare n absena fasciculului;

este amplificarea n modul i faz n absena reflexiilor.

- tl, t2, rl i r2 sunt coeficienii de transmisie respectiv de reflexele la intrare i ieire.

T.U.P.O. poate amplifica ntr-o band larg, ce poate depi o octav, dar n aceast band este imposibil de fcut adaptarea.

Descrctoare cu gaz

Descrctoarele cu gaze sunt dispozitive reciproce utilizate la construcia comutatoarelor de anten ale instalaiilor de radiolocaie n scopul utilizrii unei singure antene pentru emisie i recepie. Trebuie astfel rezolvate urmtoarele probleme: cuplarea emitorului la anten i apoi blocarea legturii pe timpul recepiei, cu ajutorul unui descrctor serie DS, protecia receptorului pe durata emisiei energiei .foarte mari , cu un alt descrctor de blocare DB, precum i posibilitatea funcionrii pe antena echivalent.

Descrctoarele se realizeaz din tronsoane de linie de transmisie formndu - se o cavitate rezonant n interiorul creia gazul se ionizeaz la trecerea c,e.m. cu o energie foarte mare, rezultnd un scurtcircuit n interiorul rezonatorului. Pe timpul recepiei, semnalul reflectat cu amplitudine mic nu reuete s iniieze ionizarea. Trecerea n stare de plasm a gazului se face ntr-un timp finit , n care o parte din energia de microunde n cazul DB, se poate transmite spre receptor, deteriornd dispozitivele semiconductoare. n scopul micorrii acestor vrfuri de putere, n DB se introduce un electrod la care se aplic o tensiune continu Uo ce determin un cmp staionar E0. In acest mod rigiditatea dielectric este depit pe durata frontului anterior al radioimpulsului, iar puterea instantanee care trece este sub 1 W.In fig.10. sunt ilustrate elementele constructive ale unui descrctor cu electrod de amorsare. Cele dou perechi de conuri opuse la vrf i distane la /4 au o comportare capacitiv. In acelai plan transversal se dispun diafragme inductive realizndu-se

astfel circuite rezonante decalate ntre ele i fa de diafragmele cu fant pentru cuplaj la /4. Descresctorul apare ca un filtru Fig.10. cu transformatori de impedan i asigur o band larg de trecere. Interiorul descrctorului se umple cu un amestec de argon cu vapori de ap sau amoniac la presiune sczut. Scurtcircuitul produs n planul electrodului de amorsare face s apar o tensiune maxim (dublul celei directe) la a1 doilea electrod i plasma apare aproape simultan n dou zone ale descrctorului.

Fig.10

Prin plasm , cmpul de microunde se propag cu o constant de atenuare foarte mare.

Puterea care trece prin descrctor, pe timpul formrii plasmei, dei mic (n raport cu cea emis) poate deteriora receptorul n cazul cnd primele elemente sunt semiconductoare. Msurile de protecie ce se pot lua constau n introducerea a unuia sau mai multor limitatoare cu diode PIN rapide sau a T.U.P.O.

La terminarea impulsului de nalt frecven, numrul de electroni N din plasm, scade fa de valoarea iniial N0, ca urmare a proceselor de difuzie i recombinare.

Timpul de revenire a1 descrctorului, de ordinul microsecundelor, afecteaz distana minim de aciune a radiolocatorului prin atenuarea semnalului recepionat.

In stare neionizat, descrctorul se comport ca un filtru trece band cu atenuarea de inserie sub 0,5 dB.

Electrodul descrctorului care nu este alimentat se poate utiliza pentru controlul periodic al calitii amestecului gazos.

Parametrii i aplicaii practice

Factorul de calitate n sarcin. al descrctorului are valori cuprinse ntre 5 i 10, puterea de vrf pe care o poate comuta :lO KW- 1 MW pentru impulsuri cu raportul ntre durati i perioada repetiie la aproximativ 10-3. Tensiunea pe electrodul de iniiere este de 300 - 700 V, timpul de revenire 2 15 s, iar cel de ionizare .complet

de ordinul nanosecundelor.

In scopul asigurrii unui timp mic de ionizare, n descrctoare se introduc particule radioactive, cu energie mic (de exemplu particule de tritiu). i timp de njumtire mare (peste 10 ani).

In fig.11.a este ilustrat un comutator de anten cu dou descrctoare (serie, DS i de blocare, DB). Pe timpul emisiei, ambele descrctoare sunt ionizate, receptorul este blocat i semnalul se transmite l a anten. In cazul recepiei, semnalul se aplic receptorului, aflat la distanta (2k+l )g/4. DS creaz n planul DB o impedan nul, spre emitor semnalul recepionat neputndu se transmite ca urmare a scurtcircuitului virtual.

In stare ionizat DB asigur o atenuare ntre 60 - 100 dB. Comutatorul din fig.11.b se realizeaz cu descrctoare duale, dispuse ntr-o pute mpreun cu dou cuploare de 3 dB. Aceast configuraie minimizeaz vrfurile de putere care trec prin descrctoare pn la ionizarea complet spre canalul de recepie. n cazul unei realizri simetrice, puterea rezidual se disip pe o sarcin adaptat(S.A.) Puterea semnalului recepionat care se transmite spre emitor este atenuat cu cel puin 20 dB.

Fig. 11. Variante constructive ale comutatoarelor de anten cu descrctori

LECIA V

Dioda semiconductoare

1. Noiuni teoretice

Dioda semiconductoare este o jonciune p-n, reprezentnd zona de trecere de la un semiconductor cu conducie de tip p la unul cu conducie de tip n n aceeai reea cristalin continu. Ca urmare a difuziei purttorilor majoritari dintr-o zon n alta, n proximitatea jonciunii se formeaz o sarcin fix pozitiv n zona n i negativ n zona p, ceea ce creeaz o barier de potenial ce se opune difuziei n continuare a purttorilor majoritari. La o temperatur constant, procesul devine staionar cnd curentul purttorilor majoritari (cu sensul de la zona p la n) devine egal ca valoare cu cel al purttorilor minoritari (cu sensul de la n la p):

La aplicarea unei tensiuni U, de polarizare direct (potenial mai mare) pe zona p (anod) sau invers, curentul purttorilor majoritari crete, respectiv scade, conform relaiei:(1)

unde e este sarcina electric a porttorilor (electroni sau goluri), k - constanta Boltzman, T -

temperatura absolut i U tensiunea (pozitiv sau negativ) aplicat pe diod.Curentul total va fi: I = Im + Is , adic:(2)

relaie care reprezint ecuaia diodei.

Aceast relaie poate fi aproximat pe poriuni prin relaii mai simple:](3)

O diod este caracterizat de mai muli parametri (date de catalog):

coeficientul de temperatur: (4)

tensiunea invers de vrf repetitiv, VRRM

tensiunea de strpungere, Ustr

curentul direct maxim, Imax

timpul de comutare invers, trr (timpul necesar trecerii diodei din stare de conducie

n stare de blocare), etc.

S considerm circuitul din figura 1. Putem scrie:(5)

Fig.1.

Aceasta este o funcie liniar, reprezentat printr-o dreapt, n coordonate (I,U) numit dreap de sarcin. Intersecia acesteia, cu caracteristica diodei este un punct, P(U0, I0), numit punct static de funcionare (PSF) (figura 2).

Fig.2.

Dac variaia curentului sau a tensiunii este mic n raport cu componenta continu (valoarea medie) a respectivei mrimi, se spune c dioda funcioneaz la semnal mic. n acestcaz, n jurul PSF, caracteristica diodei se poate aproxima cu o dreapt, astfel nct acest lucru permite determinarea rezistenei dinamice, definit ca:(6)

Pentru un punct static de funcionare dat, la polarizare direct, rd se poate determina astfel:(7)

Pentru t = 25 C, coeficientul lui U de la exponent are valoarea

i atunci:

(8)

de unde:

(9)

deci:

(10)

pentru punctul static de funcionare de ordonat I0.Dioda stabilizatoare (ZENER)

1. Noiuni teoretice

O diod semiconductoare suport o anumit tensiune invers maxim, care, depit, duce la distrugerea jonciunii. Dioda stabilizatoare prezint un fenomen de strpungere nedistructiv, caracterizat prin creterea puternic a curentului invers, la o valoare aproape constant a tensiunii inverse pe jonciune, fenomen determinat n esen de dou efecte:

Efectul Zener

multiplicarea n avalan a purttorilor de sarcin electric.

Efectul Zener se produce la tensiuni inverse ntre 2,7 V i 5 V cnd, datorit doprii puternice a zonelor n i p bariera de potenial este redus, fiind posibil trecerea purttorilor prin jonciune. n cazul unei dopri mai reduse se produce cellalt efect iar tensiunea de strpungere este peste 7 V. n acest caz, electronii sunt puternic accelerai n cmpul electric intens din jonciune i ciocnirile lor cu atomii din reea duc la formarea altor perechi electron-gol, prin repetarea acestui proces obinndu-se multiplicarea n avalan a purttorilor.

O diod stabilizatoare (Zener) este folosit n aplicaii polarizate invers n regiunea de strpungere. Caracteristica diodei n aceast regiune este reprezentat n figura 3.

Fig.3.

Se observ c, pentru un domeniu larg de valori ale curentului prin diod, tensiunea rmne practic constant, VZ. n fapt, se observ o uoar cretere a tensiunii odat cu creterea curentului, rezistena dinamic a diodei,

(1)

avnd valori mici (120 ). Tensiunea VZ poate avea valori ntre civa voli pn la cteva sute de voli, valoarea exact fiind determinat de tehnologia de construcie a diodei.

n aplicaiile practice, curentul invers prin dioda Zener nu trebuie s depeasc o valoare maxim, caracteristic diodei respective.

Pentru uurina studiului teoretic, este util modelul liniar al diodei, n care caracteristica este aproximat conform figurii 4.a, schema echivalent fiind prezentat n figura 4.b.

Fig.4.

Principala aplicaie a diodei Zener este stabilizatorul de tensiune, care asigur o tensiune de sarcin constant n condiia variaiei ntre anumite limite a tensiunii de intrare i curentului de sarcin.

Schema unui stabilizator simplu este cea din figura 5.a:

Fig.5.

Pentru ca us s fie practic egal cu uz este necesar dimensionarea corect a valorii R.

Considernd modelul liniar al diodei, putem scrie:(2)

sau:

(3)

Ecuaia dreptei de sarcin este:(4)

Cum u, iz i Rs variaz ntre anumite limite, valoarea lui R se va calcula utiliznd valorile medii ale celor trei mrimi sau se vor calcula limitele intervalului de valori ale lui R. Limitele lui iz sunt impuse de tipul diodei (Iz min - valoarea minim a curentului la care se produce strpungerea, Iz max - valoarea maxim a curentului invers), iar ale lui u i Rs de aplicaia practic n care se folosete dioda.

Stabilizatorul de tensiune este caracterizat de doi parametri: factorul de stabilizare i

rezistena la ieire.

Variaia tensiunii pe dioda Zener poate fi produs de modificarea tensiunii de intrare, u i a curentului de sarcin, is.Putem scrie:

(5)

(6)

(7)

Definim:

factorul de stabilizare: (8)

rezistena de ieire: (9)

Se vede c:

(10)

Pentru ca stabilizatorul s fie eficient trebuie ca s s fie ct mai mare, iar re ct mai mic. Diodele detectoare

Diodele detectoare sau amestectoare utilizeaz rezistena neliniar a contactului metal- semiconductor . n scopul asigurrii unor performane bune este necesar ca diodele s prezinte o rezisten serie i o capacitate a jonciunii de valori mici precum i o injecie ct mai mic a purttorilor minoritari. Ultima condiie exclude utilizarea jonciunilor p-n n aplicaiile din gama microundelor.

Dioda se realizeaz prin presarea unui conductor metalic pe suprafaa unui semiconductor. (fig.6 )

Fig.6.

Conductorul metalic cu = 20 30 m se confecioneaz din wolfram, bronz fosforos, cupru sau zinc, iar metalul semiconductor poate fi Ge, Si au Ga Sa. Contactul efectiv se asigur prin aplicarea unui impuls scurt i puternic de curent obinndu-se o microinfuzie a impuritilor n zona respectiv. Cerinele de reproductibilitate i performane au condus la o metod perfecionat ca const n formarea unei reele de oxid pe suprafaa semiconductorului i realizarea jonciunii cu unul din orificii, cu un diametru sub 2 m.

n afara contactului punctiform, jonciunea redresoare se mai poate forma prin depunerea unui contact metalic pe un strat epitaxial (fig.2 ) obinndu-se o barier cu Schottky.

Fig.7. Dioda cu barier Schottky.

Caracteristica static curent tensiune a dispozitivului descris anterior esta descris de relaia:

(11)

Unde n = 1,1 1,5 la dioda Schottky i n = 1,5 2 n cazul contactului punctiform iar Is este curentul la polarizare 0.

Spre deosebire de jonciunea p-n, la dioda cu barier Schottky lipsete injecia purttorilor minoritari n semiconductor la polarizarea direct, ceea ce implic inexistena capacitii de difuzie i un timp de revenire foarte mi