Dispozitive electronice

I.Introducere

Materialul de predare este resursa-suport pentru activitatea de predare, contine instrumente auxiliare care includ un mesaj/ o informatie didactica si care pot fi utilizate in contexte diferite.

Prezentul material de predare se adreseaza cadrelor didactice care predau la clasele din domeniul Electronica si automatizari, calificarea: Electronist retele de Telecomunicatii, nivel de calificare 2. Acesta a fost intocmit pentru modulul Dispozitive electronice si acopera doua teme din continutul modulului. Intreg modulul este dezvoltat pe 116 ore din care 29 ore laborator tehnologic si 58 ore instruire practica

III.Resurse

Tema 1. Tranzistoare bipolare

Fisa suport 1.1. Structura si simbolul tranzistorului bipolar

Competenta C1.Identifica dispozitivele electronice discrete

Tranzistorul bipolar este un dispozitiv implantat intr-un monocristal de material semiconductor (Ge sau Si) in care se creeaza prin impurificare trei regiuni alternativ dopate, despartite prin suprafete de separatie.

Regiunile de la extremitati au acelasi tip de conductibilitate (de tip p sau de tip n ) si se numesc EMITOR (E) si COLECTOR (C). Regiunea centrala are conductibilitate opusa si se numeste BAZA (B).

p

p

n

E C E C

B B

Fig. 1.1 Tranzistor tip pnp si npn

In jurul suprafetelor de separatie se formeaza doua jonctiuni:

- jonctiunea emitor-baza EB

- jonctiunea colector-baza CB

C

C

B B

E E

Fig. 1.2 Simbolul tranzistorului pnp si npn

Se observa ca sageata marcheaza intotdeauna emitorul si indica sensul curentului prin tranzistor.

Gradul de dopare al regiunilor se refera la procentajul alocat purtatorilor majoritari in raport cu purtatorii minoritari.

Din analiza comparativa a dimensiunilor si a gradului de dopare a regiunilor tranzistorului, rezulta urmatoarele concluzii:

Emitorul este de dimensiune relativ mare si este puternic dopat

Baza este foarte subtire ( 1µm , ceea ce reprezinta 1% din suprafata emitorului) si este slab dopata

Colectorul are dimensiunea cea mai mare si este dopat moderat

Din cauza deosebirilor structurale, emitorul si colectorul nu isi pot inversa rolurile desi au acelasi tip de conductibilitate.

Pentru a-l feri de agenti externi, monocristalul in care s-a implantat tranzistorul va fi introdus intr-o capsula ermetica, terminalele E,B,C fiind accesibile prin electrozi sudati pe regiunea respectiva.

Aspectul fizic al tranzistoarelor si marcajul inscris pe capsula va fi analizat pentru diferite tipuri de tranzistoare, clasificate in functie de materialul semiconductor, puterea maxima disipata sau factorul de amplificare.

Elevii vor fi capabili, la finalizarea activitatilor propuse de cadrul didactic, sa:

- explice deosebirile structurale intre tranzistoarele pnp si npn

- identifice simbolurile tranzistoarelor pnp si npn

- numeasca cele trei regiuni ale tranzistorului

- stabileasca gradul de dopare al regiunilor

-identifice capsula tranzistorului bipolar

- identifice configuratia terminalelor tranzistorului

Fig. 1.3. Tranzistoare incapsulate

Tema 1. Tranzistoare bipolare

Fisa suport 1.2. Functionarea tranzistorului bipolar

Competenta C1. Identifica dispozitivele electronice discrete.

Se analizeaza functionarea tranzistorului in situatia in care jonctiunea emitor-baza EB este direct polarizata, iar jonctiunea colector-baza CB invers polarizata.

In figura de mai jos este indeplinita aceasta conditie pentru tranzistorul de tip pnp.

Fig 1.4 Reprezentarea curentilor tranzistorului pnp

Emitorul de tip p puternic dopat are un numar foarte mare de sarcini pozitive majoritare, care se deplaseaza in baza datorita polarizarii directe a jonctiunii emitor-baza; in acest fel apare un curent de difuzie mare dinspre emitor spre baza notat cu

Baza este foarte ingusta si slab dopata si ca urmare are un numar mai mic de purtatori, respectiv un numar mic de sarcini negative disponibile pentru recombinarea cu numarul mare de sarcini pozitive venite din emitor. Sarcinile relativ putine care s-au recombinat parasesc baza prin terminalul B formand curentul de baza de valoare mica.

Majoritatea sarcinilor pozitive care circula dinspre emitor catre baza nu se recombina si sunt atrasi prin jonctiunea BC invers polarizata, de tensiunea de alimentare a colectorului. Astfel se formeaza curentul de colector . Curentii sunt formati de purtatori de sarcina minoritari din fiecare jonctiune si au valoare foarte mica, deci 0.

Relatia intre curentii tranzistorului este exprimata prin Ecuatia I a fundamentala a tranzistorului.

= + ( 1 )

Cea mai mare parte a purtatorilor de sarcina din emitor ajung in colector, de aceea curentul de colector are valoare mult mai mare decat curentul din baza ceea ce este exprimat prin Ecuatia a -II-a a tranzistorului.

= α * ( 2 )

Cu α = ( 0.95 ÷ 0.998 )

Din ( 1 ) si ( 2 ) rezulta = β * si cu β =

Toate ecuatiile sunt valabile pentru tranzistoarele pnp si npn

Desi jonctiunea colector-baza este invers polarizata favorizeaza trecerea unui curent de valoare mare, acest fenomen fiind denumit " Efect de tranzistor "

Prin latimea si doparea bazei este controlata valoarea curentilor Acest aspect este exprimat prin valorile coeficientilor α si β.

Elevii vor fi capabili, la finalizarea activitatilor propuse de cadrul didactic, sa:

- descrie modul de polarizare al jonctiunilor tranzistorului

- explice principiul de functionare al tranzistorului

- enunte formulele ce stabilesc relatii intre curentii tranzistorului

Tema 1. Tranzistoare bipolare

Fisa suport 1.3. Parametrii tranzistoarelor bipolare

Competenta C2.Selecteaza dispozitivele electronice discrete.

Parametrii tranzistoarelor bipolare sunt marimi care definesc conditiile de functionare a tranzistorului si stabilesc limitele in care acesta poate sa functioneze fara a se deteriora.

a)     Factorul de amplificare al tranzistorului

Raportul dintre curentul continuu din colector Ic si curentul continuu din baza I_B este factorul de amplificare in curent din baza in colector. ß=I_C/I_B (1)

In fapt, ß este castigul in c.c al tranzistorului si indica de cate ori este mai mare curentul de colector I_C fata de curentul de baza I_B.

ß este o marime statica de c.c, iar valoarea acesteia pentru un tranzistor anume este precizata in cataloagele de componente, fiind stabilita de producator (intre 10 si 1000)

Raportul dintre curentul din colector Ic si curentul continuu din emitor I_E se numeste factor de amplificare in curentul din emitor in colector. =I_C/I_E (2)

De regula, α are valori intre 0,95 si 0,99 deci intotdeauna este subunitar pentru ca I_C este putin mai mic decat I_E. Valoarea parametrului α pentru un tranzistor anume este data in cataloagele de componente.

Valorile precizate in catalogul de componente pentru parametrii α si ß pentru un tranzistor, se considera ca nu se vor modifica pe durata utilizarii acestuia.

Relatia matematica dintre α si ß este:

α/1- α (3) sau α=

Cu cat α este mai aproape de 1. cu atat ß are valoare mai mare.

b)    Valori limita ale parametrilor functionali ai tranzistorului

Depasirea valorilor limita ale unor parametri poate provoca distrugerea tranzistorului, acestea fiind:

- temperatura maxima a jonctiunilor T⁰C

- puterea disipata maxima P_Dmax

- curentul de colector maxim I_Cmax

- tensiunea maxima U_{Bemax ,} U_CEmax

Temperatura maxima a jonctiunilor este, pentru tranzistoarele de Ge de 85 °C, iar pentru tranzistoarele cu Si intre 175-200 °C

Nu se refera la temperatura mediului ambiant.

Puterea disipata maxima este determinata de conditia ca temperatura jonctiunii colector-baza sa nu depaseasca temperatura maxima admisa. De aceea se utilizeaza radiatoare metalice montate pe colector pentru a mari suprafata de radiatie a caldurii.

Curentul de colector maxim este valoarea maxima pe care o poate avea curentul de colector fara a distruge tranzistorul prin efect termic.

Tensiunea maxima este valoarea limita pe care o poate avea tensiunea colector-emitor, U_CEmax, pentru care tranzistorul nu este distrus, respectiv valoarea maxima a tensiunii emitor baza U_BEmax pentru care tranzistorul nu este distrus.

Valorile numerice ale parametrilor sunt precizate in cataloagele de componente electronice pentru fiecare tranzistor.

Parametrii nu vor atinge simultan valorile limita deci este necesar sa ne asiguram ca puterea disipata de tranzistor P_D=I_C*U_CE este mai mica decat P_Dmax.

c)     Dependenta cu temperatura a parametrilor tranzistorului

Valoarea curentului rezidual colector-baza I_cb0 se dubleaza la fiecare crestere a temperaturii cu 9 °C pentru tranzistoarele de Ge, respective la cresterea cu 6 °C pentru tranzistoarele cu Si. Aceasta marire a curentului rezidual are drept consecinta cresterea semnificativa a curentului de colector care poate depasi curentul maxim ceea ce are drept consecinta distrugerea tranzistorului. De aceea in circuitul de polarizare a tranzistorului se introduc elemente de circuit care sa asigure stabilizarea termica a curentilor tranzistorului astfel incat cresterea temperaturii sa nu influenteze regimul de functionare al tranzistorului.

Elevii vor fi capabili, la finalizarea activitatilor propuse de cadrul didactic, sa:

- defineasca factorii de amplificare in curent continuu α si

- enunte relatiile matematice dintre α si ß

- enumere valorile limita ale parametrilor tranzistorului

- utilizeze concret valorile limita enumerate

- interpreteze o foaie de catalog pentru tranzistoare

Tema 1. Tranzistoare bipolare

Fisa suport 1.4. Modurile de conexiune ale tranzistoarelor bipolare

Competenta C3. Verifica functionalitatea dispozitivelor electronice discrete

Tranzistorul dispune de trei terminale care pot fi conectate in 3 moduri:

- modul de conexiune emitor comun, in care emitorul este conectat la masa; emitorul si baza sunt borne de intrare iar la emitor si colector sunt borne de iesire.

Fig 1.5 Conexiunea emitor comun

- modul de conexiune baza comuna, in care baza este conectata la masa; baza si emitorul sunt borne de intrare iar baza si colectorul sunt borne de iesire.

Fig 1.6 Conexiunea baza comuna

- modul de conexiune colector comun, in care colectorul este conectat la masa; colectorul si baza sunt borne de intrare iar colectorul si emitorul sunt borne de iesire.

Fig 1.7 Conexiunea colector comun

Fiecare mod de conexiune este caracterizat de marimile electrice de intrare si de iesire respectiv

- curentul de intrare ; tensiunea de intrare

- curentul de iesire ; tensiunea de iesire

Schema electrica a modurilor de conexiune este identica pentru ambele tipuri de tranzistoare pnp si npn.

Se vor determina marimile de intrare si iesire pentru fiecare mod de conexiune.

Se va calcula raportul / in functie de parametrii α si ß pentru fiecare mod de conexiune conform relatiilor din fisa suport 1.2.

Se va aprecia in care mod de conexiune tranzistorul realizeaza functia de amplificare a curentului.

Elevii vor fi capabili la finalizarea activitatilor propuse de cadrul didactic sa:

identifice modul de conexiune al tranzistorului dupa schema electrica

precizeze marimile electrice de intrare si iesire ale conexiunii

identifice modurile de conexiune in care tranzistorul functioneaza ca amplificator

Tema 1. Tranzistoare bipolare

Fisa suport 1.5. Regimurile de functionare ale tranzistoarelor bipolare.

Competenta C3. Determina functionalitatea dispozitivelor electronice discrete

Dupa felul in care sunt polarizate cele doua jonctiuni, tranzistorul functioneaza in unul din urmatoarele regimuri functionare:

a) regimul activ normal daca: - jonctiunea emitor- baza este direct polarizata

- jonctiunea collector- baza este invers polarizata

b) regimul de saturatie daca: - jonctiunea emitor- baza este direct polarizata

- jonctiunea colector- baza este direct polarizata

c) regimul de blocare sau de taiere daca: - jonctiunea emitor- baza este invers polarizata

- jonctiunea colector- baza este direct polarizata

d) regimul activ invers daca: - jonctiunea emitor- baza este invers polarizata

- jonctiunea collector- baza este direct polarizata

Regimul activ normal se bazeaza pe existenta efectului de tranzistor, iar dispozitivul functioneaza practic in regim de amplificare. Sunt valabile relatiile intre curentii tranzistorului stabilite prin ecuatiile fundamentale ale acestuia. Factorul de amplificare in curent are valoare de catalog cand tranzistorul functioneaza in acest regim

Regimul de saturatie. Tensiunea de colector - emitor are valoare foarte mica, de aproximativ 0,2- 0,3 V, deoarece este determinata ca diferenta tensiunilor si care au valori apropiate datorita polarizarii directe ambelor jonctiuni. Ca urmare, rezistenta de iesire a tranzistorului este foarte mica.

Regimul de blocare. Prin ambele jonctiuni invers polarizate trec doar curentii reziduali de valoare foarte mica, rezistenta echivalenta a tranzistorului este deci foarte mare. Tranzistorul in acest regim intrerupe curentul.

Stabilirea regimului de functionare va fi realizata in urmatoarele etape:

se va considera simbolul tranzistorului pnp

tranzistorul va fi polarizat pe simbol astfel incat sa functioneze in regim normal activ

se va proceda similar pentru regimul de saturatie respectiv de blocare

problema va fi reluata pentru tranzistorul npn

Regimul activ invers. In aceasta situatie, emitorul are rolul colectorului iar colectorul pe cel al emitorului. Din cauza deosebirilor tehnologice (suprafata, grad de dopare) al celor doua regiuni, factorul de amplificare in curent al tranzistorului este mult mai mic decat in regim normal.

Se va consulta Fisa 1.1 si Fisa 1.2

- Elevii vor fi capabili, la finalizarea activitatilor propuse de cadrul didactic, sa:

identifice regimul de functionare al tranzistorului in functie de polarizarea jonctiunilor

descrie starea tranzistorului aflat intr-un anumit regim de functionare identificat

reprezinte simbolul tranzistorului polarizat pentru fiecare regim de functionare

Tema 1: Tranzistoare bipolare

Fisa suport 1.6. Circuite de polarizare ale tranzistorului

Competenta: C4. Verifica functionalitatea dispozitivelor electronice discrete

Circuitul de polarizare are rolul de a fixa valorile curentilor si tensiunilor corespunzatoare tranzistorului in regimul de c.c. , fiind format din rezistoare si surse de alimentare.

Astfel, sunt polarizate jonctiunile tranzistorului si este stabilit regimul de functionare al acestuia.

a)     Rezistenta din colector

Fig 1.8. Modul de conectare al rezistentei din colector R_C

Tensiunile de alimentare de valoare constanta E_B si E_C polarizeaza jonctiunea EB si indirect jonctiunea CB_. Pentru tranzistorul in conexiune emitor comun, iesirea se afla in colector iar potentialul colectorului in raport cu masa este:

U_C = E_C - I_C · R_C

Prezenta rezistentei R_C in colectorul tranzistorului permite reglarea valorii U_C , care altfel ar fi constanta si egala cu tensiunea de alimentare E_C.

In situatia in care se va conecta un semnal alternativ la intrarea circuitului, rezistenta de colector R_C va avea si rol de rezistenta, de sarcina, care va prelua variatiile semnalului alternativ format la iesirea circuitului: u_S = i_C · R_C

Valoarea u_S este direct proportionala cu a rezistentei R_C, de aceea este indicat ca aceasta sa fie mare.

Insa consumul de energie de la sursa de alimentare E_C depinde si de valoarea rezistentei R_C direct proportional deoarece puterea disipata la iesire este :

P_D = I_C² · R_C

Pentru a limita consumul in c.c. este necesar ca valoarea rezistentei R_C sa fie mica.

Aceste doua considerente vor influenta alegerea valorii rezistentei din colectorul tranzistorului.

b)     Rezistenta din emitor

Fig 1.9. Modul de conectare al rezistentei din emitor R_E

La variatiile temperaturii mediului ambiant se consemneaza o variatie semnificativa a curentului de colector, acesta depasind valoarea maxima admisa si provocand distrugerea tranzistorului.

Se va consulta fisa 1.3

Rezistenta R_E introdusa intre emitor si masa are rolul de a stabiliza valoarea curentului prin tranzistor la variatii ale temperaturii.

Interdependenta curentilor tranzistorului I_E, I_B, I_C este exprimata de ecuatiile fundamentale ale tranzistorului si justifica afirmatia ca variatia unui curent va provoca variatii ale celorlalti doi, respectiv stabilizarea termica a unui curent este echivalenta cu stabilizarea termica a celor trei curenti amintiti.

Se va consulta fisa 1.2

In acest circuit, potentialul bazei in raport cu masa este constant si egal cu tensiunea de alimentare E_{B .}

E_B=U_BE + I_E ·R_E = constant

O eventuala crestere, a temperaturii va avea ca efect o tendinta de crestere a curentului I_E ceea ce va determina scaderea tensiunii U_BE, conform ecuatiei prezentate.

Din analiza caracteristicilor de intrare ale conexiunii emitor comun (Fisa 1.8) rezulta ca o scadere a U_BE implica o scadere a curentului I_B, deci si o scadere a curentului I_C=β· I_B si a curentului I_E= I_B + I_C

Scaderea valorii curentului I_E compenseaza tendinta initiala de crestere a aceluiasi curent, astfel ca valorile curentilor prin tranzistor nu vor fi afectate de variatiile temperaturii si aceasta datorita potentialului constant al bazei in raport cu masa si rezistentei din emitor. Valoarea acestei rezistente, R_E , va fi stabilita astfel incat sa faca posibila stabilizarea termica a curentilor.

Daca, insa, la utilizarea circuitului in regim de curent alternativ ar fi benefica micsorarea valorii rezistentei R_E , se va aplica o solutie de compromis: conectarea unui condensator in paralel cu rezistenta R_E.

Fig 1.10 Conectarea condensatorului C_E

Astfel in regim de c.c. condensatorul C_E nu are nici o functie si valoarea rezistentei R_E nu este afectata de prezenta C_E dar in regim de c.a. intre emitor si masa este conectata o impedanta echivalenta Z_E = R_E ll C_E de valoare foarte mica, astfel incat emitorul poate fi considerat a fi legat direct la masa.

De aceea, C_E se numeste "condensator de decuplare a rezistentei R_E in c.a."

c)     Rezistentele de polarizare a bazei

Pentru polarizarea in c.c. a celor doua jonctiuni ale tranzistorului sunt necesare doua surse de tensiune.

Se va consulta fisa 1.5

In practica se va utiliza o singura sursa de alimentare impreuna cu rezistoare care sa realizeze indirect polarizarea jonctiunilor tranzistorului.

Fig 1.11 Modul de conectare al rezistentei de polarizare a bazei R_B

Din relatia E_C = I_B · R_B + U_BE + I_E · R_E rezulta ca potentialul bazei in raport cu masa nu este constant iar aceasta conditie trebuie indeplinita pentru ca rezistenta R_E sa realizeze stabilizarea termica a curentilor tranzistorului.

De aceea, in practica este preferat circuitul cu tensiune de baza constanta din figura de mai jos.

Fig 1.12 Circuit de polarizare cu divizor de tensiune in baza

Rezistentele de polarizare a bazei au rolul de a inlocui a doua sursa de alimentare ce ar fi necesara pentru polarizarea celor doua jonctiuni ale tranzistorului.

Elevii vor fi capabili, la finalizarea activitatilor propuse de cadrul didactic, sa:

enunte rolul rezistentelor din circuitul de polarizare

identifice rezistenta de polarizare in schema electrica a circuitului de polarizare

defineasca rolul fiecarei rezistente conectate in terminalele tranzistorului

Tema 1. Tranzistoare bipolare

Fisa suport 1.7. Caracteristicile statice ale tranzistoarelor bipolare

Competenta C4. Verifica functionalitatea dispozitivelor electronice discrete

Prin interpretarea caracteristicilor de intrare se vor obtine informatii privind modul de conexiune si regimul de functionare ale tranzistorului.

a) Caracteristicile de iesire sunt reprezentarea grafica a variatiei curentului de iesire in functie de tensiunea de iesire pentru valori date ale curentului / tensiunii de intrare.

pentru = constant sau pentru = constant

b) Caracteristicile de intrare sunt reprezentarea grafica a variatiei curentului de intrare in functie de tensiunea de intrare pentru valori date ale tensiunii de iesire a tranzistorului.

pentru = constant

c) Caracteristicile de transfer sunt reprezentarea grafica a variatiei curentului de iesire in functie de tensiunea / curentul de intrare pentru valori date ale tensiunii de iesire a tranzistorului.

pentru = constant sau pentru = constant

Corelatia intre curentii / tensiunile de intrare / iesire care definesc tranzistorul bipolar si marimile se va face in functie de modul de conexiune al tranzistorului astfel ca se vor enunta expresiile matematice ale celor trei categorii de caracteristici pentru fiecare mod de conexiune in parte

Se va consulta Fisa 1.4.

Elevii vor fi capabili, la finalizarea activitatilor propuse de cadrul didactic, sa:

- defineasca fiecare familie de caracteristici

- identifice familia de caracteristici a tranzistorului in functie de expresia matematica

- enunte expresia matematica a familiei de caracteristici pentru un mod de conexiune al tranzistorului.

Tema 1. Tranzistoare bipolare

Fisa suport 1.8. Caracteristicile statice ale tranzistorului in conexiune emitor comun.

Competenta C4. Verifica functionalitatea dispozitivelor electronice discrete

Se va consulta Fisa 1.4 si Fisa 1.7

Caracteristicile vor fi reprezentante grafic pentru un tranzistor de tip npn.

a) Caracteristicile de intrare ale tranzistorului in conexiunea emitor comun.

I_B=f(U_BE) pentru U_CE=constant

Fig 1.13 Caracteristici intrare emitor comun

Pana cand tensiunea U_BE atinge valoarea de prag V_p, (V_p≈0,2 pentru Ge/0,7 pentru Si), jonctiunea BE este parcursa de curentul rezidual I_r, invers ( Fisa 1.2), apoi curentul I_B creste exponential cu cresterea tensiuni U_BE.

Se obtine o familie de caracteristici, pentru diferite valori ale tensiunii U_CE, constanta pe durata ridicarii unei caracteristici.

Se observa ca valoarea tensiunii U_CE influenteaza valoarea curentului I_B si forma caracteristicii.

b) Caracteristicile de iesire ale tranzistorului in conexiunea emitor comun.

I_C=f(U_CE) pentru I_B=constant sau I_C=f(U_CE) pentru U_BE=constant

Fig 1.14 Caracteristici iesire emitor comun

Pentru valori ale marimii I_B/U_BE foarte mici, tranzistorului functioneaza in regim de blocare.

Pentru valori ale tensiunii U_CE foarte mici, tranzistorul se afla in regim de saturatie.

(U_CE=0,2÷0,3V)

In zona centrala a caracteristicilor tranzistorul functioneaza in regim normal care corespunde unui regim de amplificare si unde se verifica relatia I_C=βI_B, deci I_C ramane constanta pentru o valoare data a I_B.

Se vor consulta Fisa 1.2 si Fisa 1.5

c) Caracteristicile de transfer ale tranzistorului in conexiunea emitor comun.

I_c=f(I_B) pentru U_CE=constant sau I_C=f(U_BE) pentru U_CE=constant

Dependenta dintre i_C si i_B este aproximativ liniara ceea ce confirma relatia I_C=βI_B. Marimea I_CE0 este curentul rezidual colector - emitor.

Fig. 1.15 Caracteristici transfer emitor comun

Fig. 1.16 Schema de masurare a caracteristicilor conexiunii emitor comun

Elevii vor fi capabili, la finalizarea activitatilor propuse de cadrul didactic, sa:

descrie modul de obtinere a graficului caracteristicii unui tranzistor polarizat

interpreteze graficele aferente caracteristicilor conexiunii emitor comun

identifice zonele caracteristicii corespunzatoare diferitelor regimuri de functionare

realizeze practic schemele de masurare a caracteristicilor tranzistorului in conexiunea emitor comun

reprezinte grafic caracteristicile pe baza masurarilor electrice efectuate

simuleze pe calculator masurarea tensiunilor si curentilor in vederea reprezentarii grafice a caracteristicilor

Tema 1.Tranzistoare bipolare

Fisa suport 1.9. Caracteristicile statice ale tranzistorului in conexiune baza comuna

Competenta C4. Verifica functionalitatea dispozitivelor electronice discrete

Se va consulta Fisa 1.4 si Fisa 1.7

Caracteristicile vor fi reprezentate pentru un tranzistor de tip npn

a)Caracteristicile de intrare ale tranzistorului in conexiunea baza comuna

=f() pentru =constant

Fig 1.17 Caracteristicile intrare baza comuna

Curentul de emitor creste aproximativ exponential cu cresterea tensiunii U_BE dupa intrarea in conductia tranzistorului la depasirea valorii de prag. Valoarea tensiunii U_CB influenteaza forma caracteristicii si valorile curentului de emitor

b) Caracteristcile de iesire ale tranzistorului in conexiunea baza comuna ) cu =constant sau =f() pentru =constant

Fig. 1. 18 Caracteristici iesire baza comuna

In situatia =0(respectiv =0,2V) tranzistorul se afla in regim de blocare.

Daca ambele jonctiuni sunt direct polarizate ceea ce presupune <0 si >0, tranzistorul functioneaza in regim de saturatie.

Regimul activ normal se regaseste pe caracteristici la valorile >0 si >0.Se observa ca ,ceea ce corespunde ecuatiilor tranzistorului.

Se va consulta Fisa 1.2 si Fisa 1.5

c)Caracteristicile de transfer ale tranzistorului in conexiune baza comuna

=f() pentru =constant sau =f() pentru =constant

Intrucat I_c este practic egal cu I_E prima caracteristica de transfer are aceeasi forma cu caracteristicile de intrare ale tranzistorului in aceasta conexiune.

Si cea de-a a doua caracteristica indica faptul ca ,diferenta fiind data de curentul rezidual baza-colector (verifica Fisa 1.2)

Pentru ridicarea caracteristicilor in practica este necesar sa se realizeze un circuit de masurare a curentilor si tensiunilor pe circuitul de intrare respectiv de iesire al tranzistorului care sa permita reglarea valorilor si masurarea acestora conform ecuatiilor enuntate.

Fig 1.19.Caracteristica de transfer baza comuna

Fig 1.20. Schema de masurare a caracteristicilor conexiunii baza comuna

Elevii vor fi capabili, la finalizarea activitatilor propuse de cadrul didactic, sa:

descrie modul de obtinere a graficului caracteristicii unui tranzistor polarizat

interpreteze graficele aferente caracteristicilor conexiunii baza comuna

identifice zonele caracteristicii corespunzatoare diferitelor regimuri de functionare

realizeze practic schemele de masurare a caracteristicilor tranzistorului in conexiunea baza comuna

reprezinte grafic caracteristicile pe baza masurarilor electrice efectuate

Tema 1: Tranzistoare bipolare

Fisa suport 1.10. Punctul static de functionare al tranzistorului bipolar.

Competenta C3.Determina functionalitatea dispozitivelor electronice discrete

Competenta C4.Verifica functionalitatea dispozitivelor electronice discrete

Pentru a functiona ca amplificator, un tranzistor trebuie alimentat in curent continuu, deci polarizat cu un circuit de polarizare format din surse de alimentare in c.c. si grupuri rezistive, in care se stabilesc valorile de curent continuu ale marimilor electrice specifice tranzistorului, respectiv valorile urmatorilor curenti si tensiuni: I_E, I_B, I_C, U_BE, U_BC, U_CE.

Se va consulta fisa 1.2

In planul caracteristicilor de iesire a tranzistorului determinat in functie de modul de conexiune al acestuia, un punct este determinat de trei marimi:

curentul de iesire, tensiunea de iesire, curentul de intrare (I_ies, U_ies, I_in), sau

curentul de iesire, tensiunea de iesire, tensiunea de intrare (I_ies, U_ies, U_in).

Se va consulta fisa 1.7.

Etapele de parcurs in vederea stabilirii unui punct in planul caracteristicelor de iesire sunt: - se vor identifica marimile I_ies /U_ies /I_in /U_in in functie de modul de conexiune al tranzistorului polarizat.

- se vor identifica caracteristicile de iesire ale tranzistorului in modul de conexiune analizat

- se marcheaza un punct in planul caracteristicilor de iesire ale tranzistorului

Punctul static de functionare in curent continuu este un punct in planul caracteristicilor de iesire a tranzistorului, este determinat de trei marimi electrice si defineste conditiile de functionare ale tranzistorului: modul de conexiune si regimul de functionare. Se foloseste abrevierea PSF pentru punctul static de functionare

Se analizeaza dependenta dintre pozitia PSF in planul caracteristicilor de iesire si regimul de functionare al tranzistorului astfel:

se indica modul de conexiunii al tranzistorului

se identifica reprezentarea grafica a caracteristicelor de iesire corespunzatoare

se alege pozitia PSF in planul caracteristicilor de iesire astfel incat tranzistorul sa fie in regim normal activ

se alege un alt PSF corespunzator regimului de saturatie 

Pentru determinarea valorilor numerice ale marimilor care definesc PSF se va rezolva circuitul de polarizare al tranzistorului, pentru care se vor scrie ecuatiile corespunzatoare legilor lui Kirchhoff.

Sa se calculeze valoarea PSF pentru circuitul de polarizare al tranzistorului in conexiune emitor comun, redat in figura de mai jos, in care se va considera I_C≈ I_E si U_BE= 0,6 V. Marcati pozitia PSF in planul caracteristicilor de iesire din Fisa 1.8.

Fig 1.21 Circuit de polarizare al tranzistorului

Elevii vor fi capabili la finalizarea activitatilor propuse de cadrul didactic sa:

defineasca notiunea de punct static de functionare

enumere etapele de parcurs in vederea stabilirii PSF pentru un tranzistor in modul de conexiune precizat

determine valoarea numerica a marimilor corespunzatoare PSF intr-un circuit de polarizare al tranzistorului

Tema 1 Tranzistoare bipolare

Fisa suport 1. 11. Dreapta de sarcinǎ staticǎ

Competenta C3. Determina functionalitatea dispozitivelor electronice discrete

Competenta C4. Verifica functionalitatea dispozitivelor electronice discrete

Dreapta de sarcinǎ staticǎ este formatǎ din totalitatea punctelor statice de functionare in c.c. posibile ale unui tranzistor conectat intr-un circuit de polarizare

Se pot face urmatoarele observatii:

ecuatia dreptei de sarcinǎ este ecuatia circuitului de iesire a tranzistorului

ecuatia dreptei de sarcinǎ este dependentǎ de structura circuitului de polarizare la iesirea tranzistorului.

circuitul de iesire al tranzistorului este stabilit in functie de modul de conexiune al acestuia.

dreapta de sarcinǎ se va reprezenta in planul caracteristicilor de iesire a tranzistorului.

Reprezentarea grafica a dreptei de sarcina

Pentru a defini o dreapta sunt suficiente doua puncte. Se vor determina punctele de intersectie ale dreptei cu axele sistemului de coordonate din planul caracteristicilor de iesire al tranzistorului (I_ies , U_ies ), unde I_ies si U_ies sunt curentul respectiv tensiunea de iesire ale tranzistorului.

Ecuatia unei drepte este de forma Y = mx +n respectiv I_ies = m∙ U_ies + n

Pentru a determina punctele de intersectie cu axele se considera I_ies = 0 si rezulta

U_ies = - n /m ; apoi se considera U_ies =0 si rezulta I_ies = n

Se marcheaza aceste doua puncte pe axe iar prin unirea lor se obtine dreapta de sarcina statica

Tranzistorului i se impun conditiile de functionare I_ies > 0 si U_ies > 0 deci punctul static de functionare (PSF) se va situa pe dreapta de sarcina in primul cadran al sistemului de axe.

Fig 1.22 Dreapta de sarcina statica

Etapele de parcurs pentru ridicarea dreptei de sarcina sunt :

identificarea circuitului de polarizare al tranzistorului

identificarea modului de conexiune al tranzistorului

identificarea circuitului de iesire al tranzistorului

scrierea ecuatiei dreptei de sarcina

identificarea planului caracteristicilor de iesire a tranzistorului

ridicarea dreptei prin determinarea taieturilor cu axele

Concluzie: Punctul static de functionare PSF al tranzistorului se poate situa teoretic oriunde in planul caracteristicilor de iesire, insa conectarea tranzistorului intr-un circuit de polarizare il limiteaza la dreapta de sarcina

Exemplu: Se va reprezenta dreapta de sarcina corespunzatoare urmatorului circuit de polarizare, din figura 1.21,acelasi din fisa 1.10

Fig 1.21 Circuit de polarizare al tranzistorului

Pozitionati PSF pe care l-ati calculat pentru acest circuit in fisa 1.10 pe dreapta de sarcina reprezentata.

- Elevii vor fi capabili, la finalizarea activitatilor propuse de cadrul didactic, sa:

enunte ecuatia dreptei de sarcina a unui circuit de polarizare a tranzistorului

stabileasca planul de axe de coordonate in care va fi reprezentata grafic dreapta de sarcina

reprezinte dreapta de sarcina in planul de axe stabilit

Tema 1. Tranzistoare bipolare

Fisa suport 1.12 Testarea tranzistoarelor bipolare cu aparate de masura

Competenta C4. Verifica functionalitatea dispozitivelor electronice discrete

Ca structura, tranzistorul bipolar corespunde la doua diode montate in opozitie, astfel ca circuitul echivalent al tranzistorului este:

Fig 1.23 Circuitul echivalent al tranzistorului.

De aceea, tranzistorul poate fi testat cu ohmetrul; se testeaza jonctiunea EB si apoi jonctiunea CB. Aceasta testare va permite, in cazul unui tranzistor functional, fara defecte, identificarea bazei (B) si stabilirea tipului tranzistorului (pnp sau npn). Pentru identificarea emitorului si colectorului se va utiliza efectul de tranzistor (vezi fisa 1.2).

Se considera ca baza si tipul componentei au fost deja identificate si se utilizeaza urmatoarea schema de masurare, pentru un tranzistor pnp:

Fig 1.24 Circuitul de testare al efectului de tranzistor

Daca tranzistorul este conectat corect ( respectiv emitorul E la borna + a ohmetrului, iar C la borna - ), se va produce efectul de tranzistor si ohmetrul va inregistra o rezistenta, de valoare mica. Daca tranzistorul nu este conectat corect ( E la borna - si C la borna + ), efectul de tranzistor nu se va produce si ohmetrul indica o rezistenta infinita.

Tranzistorul este polarizat cu tensiunea bateriei ohmetrului. Din cauza acesteia semnificatia bornelor ce indica polaritatea pe carcasa multimetrului se inverseaza.

Etapele activitatii de testare a tranzistorului bipolar sunt:

Identificarea capsulei; identificarea terminalelor B, E si C; testarea jonctiunii EB; testarea jonctiunii CB; stabilirea tipului tranzistorului

Elevii vor fi capabili, la finalizarea activitatilor propuse de cadrul didactic, sa:

utilizeze multimetrul pentru a testa functionalitatea unui tranzistor

identifice prin masurare terminalele tranzistorului

Tema 2: Tiristorul

Fisa suport 2.1. Structura si functionarea tiristorului

Competenta: C1. Identifica dispozitivele electronice discrete

Competenta:C3. Determina functionalitatea dispozitivelor electronice discrete

Tiristorul este un dispozitiv semiconductor format din patru regiuni complementare de tip p si n care formeaza trei jonctiuni. Tiristorul dispune de trei electrozi numiti anod (A), catod (C) si poarta sau grila (G)

a b

Fig 2.1 Structura tiristorului (a) simbolul tiristorului (b)

Pentru analiza functionarii tiristorului este util circuitul echivalent al dispozitivului.

Fig 2.2 Circuitul echivalent cu tranzistoare al tiristorului

Acesta este format din doua tranzistoare de tip pnp respectiv npn care au terminale in comun.

Tiristorul prezinta doua regimuri de functionare:

a)     regimul de blocare care consta in intreruperea circuitului intre anod si catod, situatie in care se constata practic existenta unei rezistente de valoare foarte mare intre anod si catod.

b)     regimul de conductie in care se constata o rezistenta de valoare foarte mica intre anod si catod.

Regimul de functionare este dependent de polarizarea tranzistorului, in variantele:

tensiunea anod-catod este negativa (U_A <0), ca urmare tiristorul este blocat, indiferent de polarizarea portii G. La polarizare inversa, tiristorul se comporta ca o dioda.

Fig 2.3 Tiristorul invers polarizat si circuitul echivalent

Pe circuitul echivalent, se observa ca aceasta situatie se datoreaza blocarii tranzistoarelor T₁ si T₂.

tensiunea anod-catod este pozitiva (U_A>0) si poarta este nepolarizata - tiristorul este in continuare blocat.

Fig 2.4 Tiristorul direct polarizat cu poarta nepolarizata

Pe circuitul echivalent se observa ca tranzistorul T₂ este in continuare blocat.

tensiunea anod-catod este pozitiva (U_A >0) si se aplica un impuls pozitiv pe poarta - tiristorul se afla in stare de conductie.

Pe circuitul echivalent se poate observa cum impulsul de scurta durata, numit impuls de amorsare e suficient pentru a deschide si tranzistorul T₂ si a inchide circuitul intre anod si catod.

Fig 2.5 Tiristorul direct polarizat cu impuls de amorsare pe poarta

Tensiunea anod-catod U_A trebuie sa fie pozitiva si mai mare decat pragul. Numai peste aceasta valoare de prag a tensiunii U_A, impulsul pozitiv aplicat pe poarta va debloca tiristorul (daca T₁ e blocat, in zadar este deblocat T₂ ).

Tiristorul odata intrat in conductie nu mai poate fi controlat prin poarta. Daca, ulterior intrarii in conductie polarizarea portii este absenta (U_G=0), tiristorul ramane in conductie.

blocarea unui tiristor aflat in stare de conductie se poate realiza prin intreruperea curentului de anod.

Fig 2.6 Intreruperea curentului anodic al tiristorului

Fig.2.7 Tiristoare incapsulate

Aspectul fizic al capsulei tiristorului este prezentat in figura 2.7

Elevii vor fi capabili, la finalizarea activitatilor propuse de cadrul didactic, sa:

identifice simbolul utilizat pentru tiristor

interpreteze circuitul echivalent cu tranzistoare al tiristorului

explice comutarea tranzistorului intre regimurile de functionare

identifice dupa aspect capsula tiristorului

Tema 2. Tiristorul

Fisa suport 2.2 Caracteristica statica a tiristorului

Competenta C4. Verifica functionalitatea dispozitivelor electronice discrete

Caracteristica statica a tiristorului este reprezentarea grafica a dependentei curentului de anod de tensiunea anod - catod si de tensiunea de polarizare a portii.

Fig 2.8 Caracteristica statica a tiristorului cu poarta nepolarizata

Aceasta este caracteristica tiristorului cu poarta nepolarizata ( U₀=0 ).

Al treilea cadran ( U_A < 0. I_A < 0 ) corespunde starii de blocare prin polarizare inversa (situatia 1 din fisa 2.1). Se constata ca pentru valori |U_A| < |U_str| tiristorul este practic intrerupt, curentul invers fiind de valoare fiind de valoare foarte mica. Pentru U_A = U_str se constata strapungerea tiristorului si valoarea curentului invers creste brusc.

In primul cadran ( U_A > 0, I_A > 0) se identifica mai multe zone :

Pentru U_A < U_Dmax tiristorul este in stare de blocare, la polarizarea directa.

Pentru U_A = U_{Dmax ,} tiristorul va intra in conductie chiar in absenta unui impuls de amortizare pe poarta. |U_Dmax| = |U_str|

Trecerea din starea de blocare in starea de conductie este un proces tranzitoriu foarte rapid (cateva µsec) si este reprezentata punctat pe portiunea MN a caracteristicii, unde se observa valoarea minima a curentului anodic I_AO peste care tiristorul este in conductie. In acelasi timp tensiunea anod - catod U_A scade brusc (tranzistorul T2 din circuitul echivalent se deschide la saturatie).

Din punctul N, tiristorul este in stare de conductie efectiva, iar dependenta curent - tensiune este practic liniara.

Se va consulta fisa 2.1

Daca poarta este polarizata cu un impuls pozitiv U_G > 0, tiristorul nu se deschide numai decat ce U_A > 0 si in acest caz este necesar ca U_A sa atinga o valoare de prag, dar aceasta scade pe masura ce creste valoarea U_G, dupa cum se observa in figura 2.9 unde U_G2>U_G1>U_G0=0 si U_D1<U_D2<U_Dmax.

Fig 2.9 Familia de carateristici statice a tiristorului

Se remarca aspecte noi :

Posibilitatea trecerii din starea de blocare in starea de conductie si cu poarta nepolarizata

Existenta unei valori de prag pentru tensiunea anod - catod

Elevii vor fi capabili, la finalizarea activitatilor propuse de cadrul didactic, sa:

interpreteze graficul caracteristicii tiristorului

identifice zonele caracteristicii corespunzatoare regimurilor de functionare

Tema 2 : Tiristorul

Fisa suport 2.3. Parametrii tiristorului

Competenta C2 : Selecteaza dispozitivele electronice discrete.

Parametrii tiristorului caracterizeaza regimurile de functionare ale acestuia si au fost mentionati in acest sens la analiza modului de functionare si a caracteristicii statice.

Se va studia fisa 2.1. si fisa 2.3.

Tensiunea directa de intoarcere U_Δmax este tensiunea la care tiristorul intra in conductie in conditiile in care poarta este nepolarizata.

Curentul de mentinere I_AO­ este valoarea curentului anodic sub care tiristorul comuta din regiunea de conductie directa in cea de blocare directa. Aceasta exprimare se refera la faptul ca tensiunea anod - catod este pozitiva (U_A > 0 ), deci tiristorul este direct polarizat cand are loc comutatia.

Tensiunea inversa de strapungere U_str reprezinta valoarea tensiunii inverse intre anod si catod la care dispozitivul patrunde in regiunea de strapungere si incepe sa conduca necontrolat (similar diodei cu jonctiune pn)

Curentul de poarta de amorsare I_GO este valoarea curentului de poarta necesar pentru ca tiristorul sa comute din regiunea de blocare directa in cea de conductie directa, ceea ce presupune valori pozitive pentru tensiunea anod - catod, U_A > 0.

Timpul de amorsare t_a intervalul de timp necesar dispozitivului sa treaca din starea de blocare directa in starea de conductie directa dupa aplicarea impulsului de amorsare pe poarta.

Timp de dezamorsare t_d - intervalul de timp necesar dispozitivului sa treaca din starea de conductie directa in starea de blocare directa dupa intreruperea curentului anodic.

Elevii vor fi capabili, la finalizarea activitatilor propuse de cadrul didactic, sa:

defineasca parametrii tiristorului

identifice parametrii tiristorului pe caracteristica statica

interpreteze o foaie de catalog pentru tiristoare

selecteze tiristoare in functie de valorile de catalog ale parametrilor

IV. Fisa rezumat

Numele elevului

Numele profesorului: _____ _______ ______ __________

• Competente care trebuie dobandite

Aceasta fisa de inregistrare este facuta pentru a evalua, in mod separat, evolutia legata de diferite competente. Acest lucru inseamna specificarea competentelor tehnice generale si competentelor pentru abilitati cheie, care trebuie dezvoltate si evaluate. Profesorul poate utiliza fisele de lucru prezentate in auxiliar si/sau poate elabora alte lucrari in conformitate cu criteriile de performanta ale competentei vizate si de specializarea clasei.

• Activitati efectuate si comentarii

Aici ar trebui sa se poata inregistra tipurile de activitati efectuate de elev, materialele utilizate si orice alte comentarii suplimentare care ar putea fi relevante pentru planificare sau feed-back.

• Prioritati pentru dezvoltare

Partea inferioara a fisei este conceputa pentru a mentiona activitatile pe care elevul trebuie sa le efectueze in perioada urmatoare ca parte a viitoarelor module. Aceste informatii ar trebui sa permita profesorilor implicati sa pregateasca elevul pentru ceea ce va urma.

• Competentele care urmeaza sa fie dobandite

In aceasta casuta, profesorii trebuie sa inscrie competentele care urmeaza a fi dobandite. Acest lucru poate implica continuarea lucrului pentru aceleasi competente sau identificarea altora care trebuie avute in vedere.

• Resurse necesare

Aici se pot inscrie orice fel de resurse speciale solicitate:manuale tehnice, retete, seturi de instructiuni si orice fel de fise de lucru care ar putea reprezenta o sursa de informare suplimentara pentru un elev care nu a dobandit competentele cerute.

Nota: acest format de fisa este un instrument detaliat de inregistrare a progresului elevilor. Pentru fiecare elev se pot realiza mai multe astfel de fise pe durata derularii modulului, aceasta permitand evaluarea precisa a evolutiei elevului, in acelasi timp furnizand informatii relevante pentru analiza.

V. Bibliografie

Danila Theodor, Ionescu - Vaida Monica. (1990). Componente si circuite electronice,

manual pentru clasa a XI a, Bucuresti, Editura didactica si pedagogica

Sabin Ionel. (2008). Dispozitive si circuite electronice, Timisoara, Editura Politehnica.

Floyd L. Thomas. (2003). Dispozitive electronice, Bucuresti, Editura Teora.

Paun Rusalin Lucian. (2005). Masurari electrice si electronice, manual auxiliar pentru clasa

a XI-a, Timisoara., Editura "Politehnica"

Dragulanescu Nicolae. (1989). Agenda Radioelectronistului, editia a II-a, Bucuresti, Editura

Tehnica.

Jinga Ioan, Istrate Elena. (1998). Manual de pedagogie, Bucuresti, Editura All.

Niculescu Rodica Mariana.(1996). Pedagogie generala, Bucuresti, Editura Scorpion.