Cap.6-Dispozitive Cu Rezistenta Dinamica Negativa

CAPITOLUL

Dispozitive cu rezisten\`dinamic` negativ`

amorsare

blocare

6.1. Comportarea general` 165

6.2. Tranzistorul unijonc\iune 175

6.3. Diacul, tiristorul ]i triacul 197

6.1. Comportarea general`

1.A. Evolu\ia punctului de func\ionare pe caracteristic` 165

1.B. Rezisten\a dinamic` negativ` poate produce instabilitate 169

Problem` rezolvat` 172, probleme propuse 174

164 Electronic` - Manualul studentului

E B2

B1

+- VBB

IE

+

-VE

I0

C

0t0

VE

t00

IE

6.2. Tranzistorul unijonc\iune

2.A. Structur` ]i simbol 175

2.B. Cum apare rezisten\a dinamic` negativ` 176

2.C. Aplica\ia tipic`: oscilatorul de relaxare 180

2.D. C[te jonc\iuni are tranzistorul unijonc\iune programabil 185

2.E. Proiectarea unui oscilator de relaxare cu TUJ 187

Problem` rezolvat` 191, probleme propuse 192

Lucrare experimental` 194

G

A2

A1

3.3 k

500 k

100 nF

220 V50 Hz~

100 nF

C2

100 nF

100 Ω

0.2 mH

15 k

D 1

D 2

6.3. Diacul, tiristorul ]i triacul

3.A. Diacul 197

3.B. Tiristorul 198

3.C. Triacul 199

3.D. Variatoare de putere 200

3.E. Redresoare controlate 204

Probleme propuse 207

Lucrare experimental` 208

Cap. 6. Dispozitive cu rezisten\` dinamic` negativ` 165

6.1. Comportarea general`

Printr-un dispozitiv de circuit cu dou` borne (dipol) care este consumator de energie electric`curentul circul` de la poten\ial ridicat la poten\ial cobor[t. La majoritatea dispozitielor, cre]terea m`rimiicurentului se ob\ine odat` cu cre]terea tensiunii la borne, rezisten\a dinamic` (sau diferen\ial`) fiindpozitiv`, adic` dU dI> 0. A]a se [nt[mpl` [n cazul rezistorului, al diodelor semiconductoare "obi]nuite",

etc. Exist` [ns` ]i dispozitive la care, pe anumite por\iuni, tensiunea scade la cre]terea curentului, rezisten\adinamic` fiind negativ`. Astfel de dispozitive sunt tranzistorul unijonc\iune, dioda tunel, diacul, tiristorul ]itriacul; unele dintre ele vor fi studiate [n detaliu [n acest capitol.

Din aceast` cauz`, func\ionarea lor este stranie: un tub fluorescent (cunoscut [n Româna de cartier subdenumirea improprie de tub cu neon) are nevoie pentru aprindere de o tensiune mult mai mare dec[t v[rful de311 V furnizat de re\eaua de distribu\ie dar, dup` aprindere, tensiunea la borne trebuie s` scad` sub tensiuneare\elei, altfel tubul s-ar distruge.

Pentru [ntelegerea acestui tip de comportare va trebui s` ne amintim c` regimul de curent continuu esterezultatul unui echilibru dinamic [ntre mi]carea purt`torilor de sarcin` ]i acumul`rile de sarcin` care creaz`c[mpul electric ce determin` aceast` mi]care. Ca ]i [n mecanic`, putem avea st`ri de echilibru stabile ]i st`ride echilibru instabile. Toate acestea devin esen\iale atunci c[nd avem de-a face cu dispozitivele cu rezisten\`dinamic` negativ`.

1.A. Evolu\ia punctului de func\ionare pe caracteristic`

S` leg`m un dipol "cuminte", cum este dioda semiconductoare, [ntr-un circuit cu o surs` ideal` detensiune cu valoarea E ]i un rezistor cu rezisten\a Rs, ca [n Fig. 6.1 a). Punctul static de func\ionare poate fi

g`sit prin metoda grafic` a dreptei de sarcin` (desenul b al figurii). St`rile de echilibru [n care poate s` seg`seasc` dipolul sunt cele de pe caracteristica sa static` I f U= ( ); pe de alt` parte, restul circuitului face s`fie respectat` ecua\ia U E I Rs= − ⋅ care se reprezint` grafic prin dreapta de sarcin`. Intersec\iile acesteia cuaxele se afl` la E ]i la E Rsiar panta, [n modul, este 1 Rs .

E

a) b)

I+

_U+_

+ _R sI

R s

I

U00

E Rs

Edipolcircuit extern

caracteristica dipolului

ecuatia circuitului extern(dreapta de sarcin`)

punctul static de functionare

dipolul este legat [n serie circuitul extern

punctul de func\ionare trebuie s` respecte

at[t ecua\ia de func\ionare a dipolului

(caracteristica sa static`) c[t ]i pe ceaa circuitului extern

Fig. 6.1. Sistemul de ecua\ii care descrie func\ionarea unui circuit cu diod` are [ntodeauna solu\ie unic`.


Punctul de func\ionare trebuie s` [ndeplineasc`ambele rela\ii ]i se g`se]te la intersec\ia celor dou` grafice.Observ`m c` orice valore am fi luat pentru tensiunea E , amfi ob\inut o singur` intersec\ie [ntre grafice:

pentru dispozitivele f`r` rezisten\` dinamic` negativ`,solu\ia sistemului de ecua\ii este [ntodeauna unic`.

nlocuim acum dioda cu un alt dipol, care are ocaracteristic` "cu [ntoarcere" ca cea din Fig. 6.2. Cuexcep\ia por\iunii AB, caracteristica este una obi]nuit`:intensitatea curentului cre]te la cre]terea tensiunii pedispozitiv. n limbaj matematic, derivata dU dI, numit` rezisten\a dinamic`, este pozitiv`. Caracteristica

devine vertical` [n punctele A ]i B; [ntre aceste puncte dispozitivul se comport` straniu, intensitatea scade lacre]terea tensiunii. Aici rezisten\a dinamic` este negativ`.

S` vedem ce efect are acest lucru asupra comport`rii circuitului. P`str`m constant` rezisten\a Rs ]i

cre]tem lent, pornind de la zero, tensiunea E a sursei. Dreapta de sarcin`, p`str[ndu-]i panta constant`, se vadeplasa paralel cu ea [ns`]i, intersec\ia ei cu axa orizontal` fiind [ntodeauna la valoarea E , a]a cum se vede[n Fig. 6.3.

I

U00

I

+_E

R s

+

_U dipol

este variat` lent

E

panta = - 1Rs

dreapta de sarcin` se deplaseaz`

noua valoarea lui

paralel cu ea [ns`]i

Etensiunea E

Fig. 6.3. Metoda dreptei de sarcin` pentru un circuit construit cu un dipol cu rezisten\` dinamic` negativ`

|in[nd cont de aceasta, s` urm`rim [nFig. 6.4 aventura punctului static defunc\ionare pe m`sur` ce cre]tem tensiuneaE . At[ta timp c[t valoarea E este mic`(pozi\iile i ]i ii ale dreptei de sarcin`),intersec\ia [ntre grafice este unic`: curentulprin dipol cre]te [mpreun` cu tensiunea pedipol, dar r`m[ne la valori foarte mici,practic nule. Dipolul este blocat.

Cresc[nd [n continuare tensiunea E ,ob\inem la un moment dat dou` solu\iidistincte ale sistemului de ecua\ii (pozi\ia iiia dreptei de sarcin`) ]i apoi trei solu\iidistincte (pozi\ia iv). Circuitului [i sunt

I

U00 AB

rezistenta dinamicapozitiva

rezistenta dinamicapozitiva

rezistenta dinamicanegativa

Fig. 6.2. Caracteristic` static` cu regiunede rezisten\` dinamic` negativ`.

I

U00

F

E

C D

(i)

(ii)

(iii)

(iv)

(v)

(vi)

G

H

I

Fig. 6.4. Evolu\ia punctului de func\ionare.


accesibile, deci, trei ramuri diferite: CG, IH ]iIG. Punctele de pe ramura cu pant` negativ`reprezint` st`ri instabile (vom vedea mai t[rziude ce), ]i circuitul nu poate fi observat [n acestest`ri. Mai r`m[n dou` ramuri de stabilitate, CG ]iIH; cu acele]i valori ale lui E ]i Rs circuitul se

poate g`si pe oricare dintre ele ]i, dac` nimic nuse modific`, r`m[ne pentru todeauna [n aceastare. Avem un circuit ce prezint` un fenomen debistabilitate.

i totu]i, noi am efectuat un experimentbine controlat: am crescut lent ]i continuutensiunea E , [ncep[nd de la zero. Circuitul ar fitrebuit s` fie obligat s` aleag`. A]a se ]i [nt[mpl`,[nainte de a avea la dispozi\ie dou` ramuri destabilitate, punctul de func\ionare a evoluatobligatoriu pe traseul OC ]i va prefera ramura destabilitate care continu` acest traseu, adic`ramura CG (Fig. 6.5). De]i cre]terea curentuluieste mai pronun\at`, valoarea acestuia r`m[nenesemnificativ` ]i dispozitivul continu` s` fieblocat.

Aceasta se [nt[mpl` (vezi Fig. 6.4) p[n` c[nd dreapta de sarcin` ajunge [n pozi\ia (iv), devenindtangent` la caracteristica static` a dipolului [n punctul G. Cre]terea ulterioar` a tensiunii E face ca solu\iasistemului de ecua\ii s` devin` din nou unic` (pozi\ia va dreptei de sarcin`). Fiind singura stare de echilibru ([nplus, este ]i una de echilibru stabil), ea devineobligatorie pentru circuit (Fig. 6.6). Circuitul p`r`se]tebrusc starea G ]i trece [n starea H, f`r` st`ri deechilibru intermediare. Din acest motiv, procesul nuare loc pe caracteristica static` ]i nu poate fireprezentat pe graficul nostru. Circuitul dispare practicdin starea G ]i apare [n starea H. De aceea, [n Fig. 6.7am unit aceste st`ri cu o linie punctat`. un salt brusc,ajung[nd [n punctul H

Comutarea brusc` [ntre aceste st`ri determinàpari\ia unui curent important prin dispozitiv(dispoztivul se "amorseaz`"), concomitent cu sc`dereatensiunii la bornele sale. Raportul ∆ ∆U I este

negativ pentru aceast` schimbare de stare, semn clar càvem un dispozitiv cu rezisten\` dinamic` negativ`.

Amorsarea este un fenomen cu totul diferit deintrarea [n conduc\ie direct` a diodelor sau str`pungerealor invers`. Acolo, evolu\ia are loc prin st`ri deechilibru ]i este gradual` ]i reversibil`; modific[ndtensiunea sursei putem plimba [nainte ]i [napoi punctul

Ooops ! unde mai gasesc acum o stare de echilibru ?

G

0

starea circuitului suferùn salt brusc, ajung[nd [n punctul H

G

H

Fig. 6.6. Comutarea din starea blocat` [nstarea de conduc\ie (amorsarea).

0

I

C

S` merg [n C, s` merg[n I, s` merg [n C...

dilema ...

0 C D

circuitul alege ramura CG pentruc` este [n continuarea traiectoiei ini\iale

]i rezolvarea ei :

G

Fig. 6.5. Solu\ie multipl` a sistemului de ecua\ii.


de func\ionare pe caracteristic`. n cazul amors`rii, [ns`, odat` atins` tensiunea de prag, evolu\ia scap` de subcontrol ]i punctul de func\ionare "sare" [n alt loc pe caracteristic`; mic]orarea tensiunii sursei nu aduce[napoi punctul de func\ionare, nici m`car printr-un salt invers. Toate aceste ciud`\enii sunt cauzate derezisten\a dinamica negativ`

n ce loc, pe caracteristica dipolului, pierdem controlul asupra punctului de func\ionare ]i are loc saltulde amorsare ? Din cele spuse anterior rezult` c` acest lucru se [nt[mpl` [n punctul G, acolo undecaracteristica este tangent` la dreapta de sarcin`. Cum "[ntoarcerea" caracteristicii este brusc`, aceast` pozi\ieeste practic indentic` cu punctul de [ntoarcere unde caracteristica devine vertical`.

Amorsarea are loc atunci c[nd tensiunea pe dipol ajunge la tensiunea de amorsare (breakovervoltage [n limba englez`) ; aceasta este egal`, practic, cu tensiunea de la punctul de [ntoarcere acaracteristicii.

Revenind la Fig. 6.4, cre]terea [n continuare a tensiunii E deplaseaz` punctul de func\ionare dincolode punctul H, pe por\iunea cu pant` pozitiv`, curentul ]i tensiunea pe dispozitiv cresc[nd. Cre]terea tensiuniieste [ns` foarte lent`, a]a c` putem considera c` ea r`m[ne practic constant`. Aceast` valoare este tensiunearezidual` [n starea amorsat`.

S` efectu`m acum experimentul [n sens invers, mic]or[nd continuu ]i lent tensiunea E . ncep[nd cupozi\ia (v) a dreptei de sarcin` avem din nou trei solu\ii, dintre care numai dou` sunt st`ri de echilibru stabil.Numai c`, acum, punctul de func\ionare va evolua pe ramura HI, pentru c` ea este [n continuarea traiectorieiini\iale. C[nd dreapta de sarcin` coboar`sub pozi\ia (iii), solu\ia redevine unic` ]icircuitul trece brusc din starea I [n stareaC. Curentul scade brusc [n timp cetensiunea are un salt pozitiv; din nouraportul ∆ ∆U I este negativ, tr`d[nd

rezisten\a dinamic` negativ` adispozitivului.

Acest salt a produs blocareadipolului. Deoarece [nainte de blocarecaracteristica este aproape vertical`,tensiunea modific[ndu-se pu\in, trebuie s`identific`m punctul unde are loc blocareaprin valoarea curentului. Astfel, dipolul seblocheaz` dac` intensitatea curentuluicoboar` ]i atinge o limit` numit` curentminim de men\inere, sau, mai simplu,curent de men\inere (holding current [nlimba englez`). Curentul de men\inere este aproximativ egal cu intensitatea la care are loc a doua [ntoarcere acaracteristicii (minim local pentru tensiune). n concluzie,

pentru a bloca dispozitivul, curentul trebuie cobor[t sub curentul minim de men\inere.

S` recapitul`m (Fig. 6.7). Cresc[nd ]i apoi sc`z[nd tensiunea E a sursei, am deplasat lent punctul defunc\ionare pe caracteristic`, put[nd m`sura coordonatele, adic` am trasat experimental caracteristica. Exist`,[ns`, o por\iune a caracteristicii care a fost inaccesibil`, aceea dintre punctele G ]i I, puncte unde dreapta desarcin` este tangent` la caracteristic`. Evitarea por\iunii inaccesibile se face prin dou` salturi bru]te;

G

H

I

C

amorsare

blocare

tensiunea de amorsare

curent minimde mentinere

tensiunea rezidual`[n starea amorsat`

Fig. 6.7. Evolu\ia cu histerezis a punctului de func\ionare.


descrierea caracteristicii se face pe un drum la cre]terea tensiunii E ([ntre punctele C ]i G ]i apoi saltul GH)]i pe altul la sc`derea tensiunii ([ntre punctele H ]i I ]i apoi saltul IC). Datorit` acestora, descriereacaracteristicii a fost f`cut` cu histerezis: ramura CG poate fi parcurs` numai [nainte de amorsare, pe c[ndramura HI este parcurs` numai dup` amorsare.

1.B. Rezisten\a dinamic` negativ` poate produce instabilitate

Putem spera c` utiliz[nd o surs` ideal` de curent ]i dreapta de sarcin` devenind orizontal`, ca [nFig. 6.8, am putea vizualiza [ntreaga caracteristic`, pentru c` vom avea peste tot solu\ie unic`.

prin utilizarea unei surse ideale de curent ob\inem [ntodeauna solu\ie unic`

I1

I2

I3

I

+

_U dipol0

Fig. 6.8. ncercarea de a trasa caracteristica prin utilizarea unei surse de curent.

Realitatea este [nsa necru\`toare: [ntre capetele dipolului exist` [ntodeauna o capacitate parazit` ]istarea circuitului este instabil`. Astfel, producerea de oscila\ii este una din aplica\iile frecvente aledispozitivelor cu rezisten\` dinamic` negativ`.

S` vedem de ce este circuitul instabil. Pentru ca circuitul s` fie [ntr-o stare de echilibru, tensiunea pecondensator (Fig. 6.9) trebuie s` fie constant`, deci curentul prin el trebuie s` fie nul. Deoarece intensitateacurentului este egal` cu viteza de varia\ie a sarcinii I dQ dtC = iar capacitatea este, prin defini\ie,C Q U= , curentul prin condensator este legat de tensiune prin rela\ia

I C dUdtC = ⋅ . (6.1)

La echilibru tensiunea nu mai variaz`, IC trebuie s` fie zero, ceea ce [nseamn` c` intensitatea curentuluiprin dipol este perfect egal` cu cea furnizat` de sursa de curent I I= 0 , ca [n Fig. 6.9 a).

Presupunem c` am atins aceast` stare undeva pe o por\iune cu rezisten\a dinamic` pozitiv`. Apoi,datorit` unor fluctua\ii, sarcina de pe condensator cre]te cu cantitatea ∆Q , foarte mic`. Din acest motiv,tensiunea pe condensator cre]te cu ∆ ∆U U U ( << ) ]i modific` punctul de func\ionare, ca [n desenul b).

Cum rezisten\a dinamic` a dipolului este pozitiv` [n acest punct, are loc o cre]tere a curentului prin dipol,curentul suplimentar descarc[nd condensatorul ]i elimin[nd sarcina ap`rut` [n exces. Pe masur` ce tensiuneaU scade, scade ]i curentul prin dipol, restabilindu-se din nou echilibrul I I= 0.


dUdt =

1C IC = 0

+

_

U dipol

I 0 I

I C

C

1.0 mA 1.1 mA

0.1 mA

3.1 V

+

_

U dipol

I 0 I

IC

C

1.0 mA 0.9 mA

0.1 mA

3.1 V

+

_

U dipol

I 0 I

I C

C

1.0 mA 1.0 mA

0.0 mA

3.0 V starea ini\ial` de echilibru

Pe condensator a ap`rut un surplus de sarcin`.

]i echilibrul se restabile]te.

Dac` rezisten\a dinamic` a dipoluluieste pozitiv`, surplusul este evacuat

]i nu se mai poate stabili un nou echilibru.

Daca rezisten\a dinamic` a dipolului

este negativ`, dezechilibrul se accentueaz`

Fig. 6.9. Rezisten\a dinamic` negativ` produce instabilitate.

Dac`, [ns`, am fi fost ini\ial pe por\iunea cu rezisten\` dinamic` negativ`, ca [n desenul c) al figurii,[nc`rcarea suplimentar` a condensatorului ar fi provocat mic]orarea curentului I prin dipol; astfel, [n loc casarcina ap`rut` suplimentar s` fie eliminat`, abaterea de la echilibru ar fi fost accentuat` prin [nc`rcarea [ncontinuare a condensatorului. n regiunea cu rezisten\` dinamic` negativ` este, astfel, imposibil` atingereaunui nou punct de echilibru . Rezultatul imediat este p`r`sirea por\iunii de rezisten\a dinamic` negativ` prinblocarea dipolului ]i continuarea [nc`rc`rii cu vitez` constant` a condensatorului. Vom vedea mai t[rziu, lastudiul tranzistorului unijonc\iune, c` [nc`rcarea nu continu` la nesf[r]it, circuitul [ncep[nd s` oscileze ciclic.


Enun\uri frecvent utilizate(at[t de frecvent [nc[t merit` s` le memora\i)

- La circuitele cu dispozitive care nu au rezisten\` dinamic` negativ` solu\ia sistemului de ecua\iicare stabile]te punctul static de func\ionare este unic`.

- n cazul dispozitivelor cu regiuni de rezisten\` dinamic` negativ`, [n anumite condi\ii, solu\iasistemului de ecua\ii este multipl`.

- Din acest motiv, circuitul prezint` fenomenul de bistabilitate: la acelea]i condi\ii externe sepoate g`si [n oricare dintre dou` st`ri stabile.

- Circuitul are memorie, p`str[ndu-]i starea chiar la anumite modific`ri ale condi\iilor externe.- Pentru ca dispozitivul s` se amorseze (printr-un salt brusc) este nevoie ca tensiunea pe

dispozitiv s` ajung` la tensiunea de amorsare (punctul de [ntoarcere a caracteristicii situat [ndreapta).

- Din aceast` cauz`, aceste dispozitive pot fi utilizate ca ]i comparatoare de tensiune.- Dac` intensitatea curentului scade sub valoarea minim` de men\inere, dispozitivul se

blocheaz`; curentul de men\inere este aproximativ egal cu coordonata punctului de [ntoarcere dinst[nga.

- Datorit` salturilor de amorsare ]i blocare, parcurgerea caracteristicii se face cu histerezis,por\iunea cu rezisten\` dinamic` negativ` fiind [n cea mai mare parte inaccesibil`.

- Nici [nlocuirea rezisten\ei de sarcin` cu o surs` de curent nu permite trasarea por\iunii curezisten\` dinamic` negativ` din caracteristic`, aceast` por\iune produc[nd instabilitate [n prezen\aunei capacit`\i parazite.

- Din acest motiv, dispozitivele cu rezisten\` dinamic` negativ` sunt utilizate [n oscilatoare.

Termeni noi

- bistabilitate existen\a a dou` st`ri stabile diferite, pentru acelea]i condi\ii externe; starea anume [n care se g`se]te circuitul depinde de istoria sa;

- amorsare trecerea brusc`, prin st`ri de neechilibru, din starea de curent practic nul [ntr-o stare [n care m`rimea curentului este semnificativ`;

- blocare trecerea brusc`, prin st`ri de neechilibru, din starea amorsat` [n starea blocat`, unde curentul este prcatic nul;- tensiune de amorsare valoarea tensiunii pe dispozitiv la atingerea c`reia are loc saltul de

amorsare;- curent minim de men\inere valoarea minim` posibil` a curentului [n starea amorsat`; la

atingerea acesteia, dispozitivul se blocheaz`;


Problem` rezolvat`

Un dispozitiv ce are caracteristica din Fig. 6.10 a) este legat [ntr-un circuit, ca [n desenul b) al aceleifiguri. Tensiunea sursei nu este men\inut` constant` ci evolueaz`, av[nd forma de und` din desenul c).Determina\i evolu\ia [n timp a tensiunii pe dispozitiv ]i a curentului.

a)

b)

E

I

+

_U+_

R s

0 5 10 15 20 25 30 35 40

I

U

0123456789

10(mA)

(V)0 20 40 60 80 100

0

10

20

30

40

50

t (ms)

E (V)

c)

2.5 k

Fig. 6.10.

Rezolvare

Ini\ial tensiunea sursei este nul`, deci dispozitivul este blocat. Tensiunea E cre]te liniar, cu o vitez` de50 V 20 ms V ms= 2 5. ]i c[t timp aceasta nu ajunge la tensiunea de amorsare, dispozitivul r`m[neblocat. n stare de blocare I= 0, c`derea de tensiune pe rezisten\` e nul` ]i, deci, U t E t() ()= , a]a cum se

vede [n Fig. 6.11 a), unde am desenat cu linie punctat` evolu\ia lui E . Pentru a afla c[t dureaz` aceast`situa\ie, trebuie s` estim`m din caracteristic` tensiunea de amorsare. Aceasta este de 38 V ]i sursei E [i

trebuie 38 V

2.5V ms15.2 ms= ca s` ajung` la ea. n concluzie starea de blocare dureaz` primele 15.2 ms.

La atingerea tensiunii de amorsare are loc saltul specific dispozitivelor cu rezisten\` dinamic` negativ`]i valoarea tensiunii U pe dispozitiv se pr`bu]e]te brusc la valoarea tensiunii reziduale, pe care o citim dingrafic: aproximativ 25 V. n consecin\`, la t= 15.2 ms, curentul cre]te brusc de la zero la38 V-25 V

2.5 k5.2 mA

Ω= , dup` cum se vede [n graficul din Fig. 6.11 b). n continuare, at[ta timp c[t

dispozitivul r`m[ne amorsat, tensiunea pe el va fi practic 25 V iar curentul va evolua conform ecua\iei

ItE t

()()

=− 25 V

2.5 kΩ;


cum varia\ia lui E este liniar`, liniar` va fi ]i evolu\ia curentului. El va atinge valoarea maxim` odat` cutensiunea E , ajung[nd acolo la (50 V-25 V)2.5 k 10 mAΩ = . C[t timp va r`m[ne dispozitivul [n starea

amorsat` ? Dac` am uitat, ne [ntoarcem pe pagina anterioar` ]i afl`m c` valoarea curentului trebuie s` scad`p[n` la valoarea minim` de men\inere. Din caracteristic`, aceasta rezult` a fi la 1 mA. Introducem [n expresiacurentului ]i g`sim tensiunea E

1 mA25 V

2.5 k25 V+2.5 V= 27.5V=

−⇒ =

E tE

()

Ω.

.

0 20 40 60 80 1000

10

20

30

40

50

t (ms)

U (V)

a)

tensiuneade amorsaretensiuneareziduala

27.5

0 20 40 60 80 100

t (ms)

b)

0

2

4

6

8

10

(mA)I

curent minimde mentinere

c)

E

Fig. 6.11.

Ca s` coboare de la valoarea maxim` de 50 V p[na la aceast` valoare, trebuie s` treac` un timp de50 V-27.5 V

2.5V ms

22.5 V

2.5V ms= 9 ms= . La momentul (20 + 9) ms = 29 ms, dispozitivul se blocheaz`:

curentul sare brusc la zero iar tensiunea pe dispozitiv se schimb` de la valoarea rezidual` de 25 V la valoarealui E din acel moment, adic` la 27.5 V. n continuare, dispozitivul fiind blocat, curentul este nul iartensiunea U este identic` cu E . Cum forma de und` a sursei de tensiune este periodic`, la momentult= 40 ms ciclul se reia.

Dac` suntem exagerat de scrupulo]i putem \ine seama c`, dup` amorsare, tensiunea pe dispozitivcre]te pu\in la cre]terea curentului, fiind de 26 V la curentul de 10 mA. Putem corecta, astfel, evolu\iatensiunii U , ca [n desenul c) al figurii.


Probleme propuse

P 6.1.1. Un dispozitiv cu rezisten\` dinamic`negativ` are o caracteristic` de forma celei din Fig. 6.12.Tensiunea de amorsare este de 25 V, tensiunea rezidual` [nstarea amorsat` este de 15 V iar curentul minim demen\inere are valoarea de 0.2 mA. Dispozitivul estepolarizat cu o surs` de tensiune de 20 V legat` [n serie cu orezisten\` de 5 kΩ. Unde se g`se]te punctul de func\ionareal circuitului, ]i care este starea sa (amorsat` sau blocat`) ?

P 6.1.2. Tensiunea sursei este crescut` la 30 V.Estima\i unde se va g`si noul punct de func\ionare ]i [n cestare se g`se]te circuitul.

P 6.1.3. Cu aceea]i tensiune a sursei de 30 V,rezisten\a extern` este crescut` la valoarea 150 kΩ. n cestare se va g`si circuitul ?

P 6.1.4. Un bec cu neon pentru semnalizarea func\ion`rii unui fier de c`lcat are tensiunea rezidual` [nstare amorsat` de 100 V ]i, pentru a fi vizibil, are nevoie de un curent de aproximativ 0.3 mA. Ce rezisten\`trebuie montat` [n serie cu becul, pentru a asigura acest regim de func\ionare c[nd circuitul este alimentat lare\ea ?

P 6.1.5. Cum trebuie s` fie tensiunea de amorsare a becului din problema precedent`, pentru a nu aveanevoie de dispozitive speciale pentru aprindere (tuburile fluorescente au).

P 6.1.6. i acum, o [ntrebare mai delicat`. n stare amorsat`, printr-un tub flurescent utilizat lailuminare, curentul este alternativ ]i trece de dou` ori [ntr-o perioad` prin valoarea nul`. n consecin\`, tubular trebui s` se blocheze ]i s` aib` nevoie s` fie amorsat din nou la fiecare semiperioad`. ti\i bine c` nuaceasta este situa\ia, amorsarea se face numai la pornirea tubului. Ce semnifica\ie are, pentru tub,caracteristica static` ?

I

U00

Fig. 6.12.


6.2. Tranzistorul unijonc\iune

2.A. Structur` ]i simbol

Primul dispozitiv cu rezisten\` dinamic` negativ` pe care [l studiem este tranzistorul unijonc\iune(prescurtat TUJ [n lb. român` ]i UJT [n lb. englez`), numit la [nceputuri ]i diod` cu baz` dubl`. El a fostcreat pentru a fi utilizat [n oscilatoare de relaxare pentru producerea unor tensiuni cu form` de und`periodic` triunghiular` ]i a unor pulsuri de curent scurte ]i intense. Tranzistorul unijonc\iune este undispozitiv cu trei terminale, folosit pentru caracteristica sa de intrare care are o regiune de rezisten\`dinamic` negativ`. Simbolul s`u este prezentat [n Fig. 6.1 a) [ntr-un circuit tipic; [ntre cele dou` baze seaplic` tensiunea continu` VBB , de ordinul 10-30 V, iar caracteristica de intrare se define]te [ntre emitorul E

]i baza B1.

EB2

B1

+- V BB

IE

+

-VE

B 1

B2

E

RB2

RB1

npE

B2

B1

+- V BB+

-VE

RB2

RB1

V '

a) b) c)

emitorbaza 2

baza 1

intrare

Fig. 6.13. Tranzistorul unijonc\iune: simbol (a), structur` fizic` (b) ]i model (c).

Deoarece structura sa este simpl`, merit` s` ne ocup`m de principiul s`u de func\ionare, cu speran\ade a vedea cum apare rezisten\a dinamic` negativ`. Una din variantele sale constructive, simplificat`, estereprezentat` [n Fig. 6.13 b). Unei bare de siliciu de tip n i se ata]eaz` la capete contacte metalice, careconstituie cele dou` baze, B1 ]i B2. Pe aceast` bar`, aproximativ la jum`tate, se realizeaz` prin dopare, ojonc\iune pn, regiunea p fiind conectat` la terminalul extern al emitorului.

n absen\a curentului de emitor, tranzistorul poate fi modelat ca [n desenul c). ntre punctul undes-a realizat jonc\iunea ]i baze exist` "rezisten\ele" electrice RB1 ]i RB2, suma lor fiind egal` cu "rezisten\a"

interbaz` RBB , de ordinul a 5-10 kΩ.. Am folosit aici ghilimele, deoarece materialul este semiconductor ]icomportarea nu este aceea a unui rezistor: de exemplu RBB depinde de valoarea tensiunii VBB. ncontinuare, [ns`, din comoditate, vom renun\a la ghilimele. Rezisten\a RB1 a fost desenat` ca una reglabil`

deoarece, a]a cum vom vedea, valoarea ei se schimb` datorit` golurilor aduse de curentul de emitor.Cele dou` rezisten\e se comport` ca un divizor de tensiune f`r` sarcin` ]i determin` un poten\ial al

punctului de interconexiune egal cu

′ =+

= =

=

VR

R RV

R

RV V

R

R

B

B BBB

B

BBBB BB

B

BB

1

1 2

1

1

η

ηcu

. (6.2)


Factorul adimensional η = R RB BB1 este numit raport de divizare intrinsec (intrinsic standoffratio [n lb. englez`); pentru cele mai multe tipuri de TUJ el este aproximativ egal cu 1 2 .

2.B. Cum apare rezisten\a dinamic` negativ`

P`str[nd tensiunea VBB constant`, s` investig`m caracteristica de intrare IE [n func\ie de poten\ialulVE (Fig 6.14). At[t timp c[t V VE ≤ ′ , jonc\iunea este blocat` ]i prin ea curentul este practic nul. De fapt,

curentul de emitor nu este chiar zero ci are valori de ordinul zecilor de nA, ca la orice diod` cu siliciupolarizat` invers. Evolu\ia acestuia poate fi observat` pe detaliul din aceea]i figur`. Pentru ca jonc\iunea s`se deschid` este nevoie ca poten\ialul VE s` fie cu aproximativ 0.6 V mai ridicat dec[t ′ =V VBBη .

0

0VEVP

VP = η VBB + 0.6 V

00

VEVP

IE

η VBB

dilatare de 1000de ori pe axa curentului

VV

IV

I PE

B2

B 1

+- VBB

+

-

VE

RB2

RB1

V 'IE

IE

Fig. 6.14. Caracteristica de intrare a tranzistorului unijonc\iune.

n momentul [n care jonc\iunea [ncepe s` se deschid` (V VE BB≅ +η 0 6. V) un curent de goluri

(purt`tori de sarcin` pozitivi) este injectat [n bar` prin contactul emitorului. Curentul electric se [ntoarce lamas` prin contactul B1, pe unde sosesc electroni ce neutralizeaz` golurile. Scriind bilan\ul curen\ilor

IV V

R

V

REBB

B B+

− ′ = ′

2 1(6.3)

ob\inem evolu\ia poten\ialului intern ′V

′ =+

++

VR

R RV I

R R

R RB

B BBB E

B B

B B

1

1 2

1 2

1 2. (6.4)

Dac` RB1 ]i RB2 ar fi fost rezistoare, rezisten\ele lor nu s-ar fi modificat datorit` cre]terii curentuluiIE ; astfel, primul termen al sumei din rela\ia anterioar` ar fi r`mas constant iar al doilea ar fi crescut. nconsecin\`, ′V ar fi crescut la cre]terea lui IE ]i, cum V VE ≅ ′ + 0 6. V(tensiunea pe jonc\iunea deschis`

cre]te extrem de pu\in), [mpreun` cu el ar fi crecut ]i poten\ialul emitorului.n cazul tranzistorului unijonc\iune [ns`, lucrurile se [nt[mpl` cu totul altfel. Apari\ia [n por\iunea

inferioar` a barei de siliciu a unor purt`tori suplimentari determin` sc`derea semnificativ` a rezisten\ei


RB1, deoarece concentra\ia ini\ial` de purt`tori liberi nu era prea mare. n consecin\`, raportul R

R RB

B B

1

1 2+se mic]oreaz`. Sc`derea acestui raport este at[t de accentuat` [nc[t, de]i IE cre]te, ambii termeni ai rela\iei(6.3) scad, duc[nd la sc`derea lui ′V . Astfel, tensiunea pe jonc\iune V VE − ′ cre]te ]i mai mult duc[nd [n

continuare la cre]terea curentului de emitor ].a.m.d.. Acesta este un fenomen de reac\ie pozitiv`, [n careefectul (cre]terea lui IE ) accentueaz` cauza

care l-a produs (deschiderea diodei). De]itensiunea pe jonc\iune cre]te cu c[tevazecimi de volt, datorit` pr`bu]iriipoten\ialului intern ′V tensiuneaemitorului VE scade puternic la cre]terea

curentului de emitor.Avem de-a face aici cu un efect cu

importan\` excep\ional` [n via\a de fiecarezi ]i at[t de utilizat [n electronic` [nc[t [ivom dedica dou` capitole speciale: estereac\ia (feed-back [n limba englez`). Oconsecin\` (cre]terea curentului prinrezisten\a RB1) ac\ioneaz` asupra cauzei

care a produs-o (deschiderea jonc\iuniidatorat` cre]terii diferen\ei de poten\ialV VE − ' ) . Aceasta se [nt[mpl` deoarece

cre]terea curentului provoac` ea [ns`]isc`derea rezisten\ei RB1 prin care trece, a]a

cum se poate observa [n echivalentulhidraulic din Fig. 6.15.

Nu este prima dat` c[nd [ntilni\ireac\ia, ea era o prezen\` t`cut` [nmajoritatea sistemelor fizice pe care le-a\istudiat. Deplasarea punctului material pefundul gropii de poten\ial din Fig. 6.16 a)conduce la apari\ia unei for\e ce produce o accelera\ie care, [n timp, determin` o deplasare a punctuluimaterial [n sens invers deplas`rii ini\iale. Spunem c` reac\ia este negativ`, ea av[nd tendin\a s` diminuezeorice modificare a st`rii.

Reac\ia negativ` este responsabil` pentru caracterul stabil al echilibrului.

Ori de c[te ori scriem ecua\ii pentru regimul de curent continuu (un regim de echilibru dinamic stabil),nu facem dec[t s` exprim`m mai sintetic ni]te proprieta\i ale unei mul\imi de st`ri; reac\ia negativ` detemin`[ns`, de fiecare dat`, ca circuitul s` r`m[n` stabil [n fiecare din aceste st`ri. Caracteristica static` ascunde,deci, [n spatele ei, efortul depus de reac\ia negativ`. Chiar [n cazul banal al divizorului rezistiv, dac` scriemecua\iile circuitului ]i le reprezent`m prin blocuri (desenul b al figurii), reac\ia negativ` este evident`:cre]terea curentului determin` cre]terea poten\ialului VA care, la r[ndul ei, prin legea lui Ohm pe rezisten\aR1, provoac` sc`derea curentului.

rezervor 1rezervor 2

nivel constantechivalentul luiVBB

nivel variabilechivalentul luiV '

robinetechivalentul rezistentei R B1

echivalentulcurentului IE

Fig. 6.15. Reac\ia pozitiv` responsabil` de apari\iarezisten\ei dinamice negative: debitul deschide el [nsu]irobinetul prin care trece.


R1

R2

VA

Valim

I Valim Σ+

-

VA

Valim - VA

I1R1

R2

Valim - VAI = R1VA = I R2

sumator

deplasareini\ial`

for\a

echilibrustabil

deplasareini\ial`

for\`

echilibruinstabil

a) b) c)

I

Fig. 6.16. Reac\ia negativ` produce stabilitatea echilibrului (a ]i b), pe c[nd reac\ia pozitiv` determin`instabilitatea acestuia (c).

Observa\ie n schema bloc din desenul b), dreptunghiurile reprezint` diferite opera\ii matematice(sumare, [nmul\ire cu constante, etc) pe c[nd liniile cu s`ge\i simbolizeaz` modul [n care m`rimile de stareale circuitului sunt prelucrate de aceste opera\ii. Este, de fapt, o reprezentare grafic` a sistemului de dou`ecua\ii scris mai jos. Nu confunda\i acest tip de scheme bloc cu schemele circuitelor unde liniile reprezint`conductoarele de leg`tur` prin care circul` curen\i electrici.

Spre deosebire de aceast` situa\ie, [n cazul sistemului din Fig.6.16 c) for\a care apare ca urmare adeplas`rii produce, la r[ndul ei, o deplasare [n acela]i sens, accentu[nd deplasarea ini\ial`. Reac\ia estepozitiv` ]i sistemul nu se mai [ntoarce spre pozi\ia de echilibru. Dac` exista un punct de echilibru, acela erainstabil ]i la o fluctua\ie, oric[t de mic`, reac\ia pozitiv` [ndep`rteaz` rapid sistemul de acea stare, f`r`posibilitatea atingerii unui nou echilibru.

De]i simplu, exemplul din Fig.6.16 c) este unul atipic. n general, pentru a provoca instabilitateasistemului gradul de reac\ie pozitiv` trebuie s` dep`]easc` o anumit` valoare critic` (vom defini rigurosgradul de reac\ie [n alt capitol, aici este suficient s` ]tim c` reac\iile pot fi mai slabe sau mai intense).

Dac` reac\ia pozitiv` dep`]e]te un anumit grad critic, ea provoac` instabilitatea sistemului.

n\elegem acum de ce por\iunea de caracteristic` cu rezisten\` dinamic` negativ` nu putea fiinvestigat` experimental: strict vorbind, ea nici nu exist`, reac\ia pozitiv` face [ntregul circuit instabil ]i [nabsen\a unei st`ri de echilibru nu putem vorbi de un punct static de func\ionare.

S` revenim la caracteristica tranzistorului unijonc\iune. Sc`derea poten\ialului emitorului la cre]tereacurentului de emitor, reprezentat` prin por\iunea de pant` negativ`, nu continu` la nesf[r]it deoarece lacuren\i IE mai mari concentra\ia de purt`tori injecta\i ajunge at[t de mare [nc[t devin dominante alte procesecare scurteaz` durata lor de via\`. Astfel, RB1 scade din ce [n ce mai lent ]i, datorit` cre]terii lui IE ,

cre]terea termenului al doilea al rela\iei (6.3) [ncepe s` domine sc`derea lent` a primului termen. De la oanumit` valoare a lui IE , poten\ialul ′V ]i, corespunz`tor, poten\ialul emitorului, [ncep din nou s` creasc`.

Reac\ia a devenit din nou negativ` ]i regiunea cu rezisten\` dinamic` negativ` s-a [ncheiat.Textele care au descris primele tranzistoare unijonc\iune realizate obi]nuiau s` deseneze caracteristica

de intrare [n coordonate V f IE E= ( ), ca [n Fig 6.16. n acest mod, punctul [n care tensiunea avea un

maxim ap`rea ca un "v[rf" (peak [n lb. englez`) iar cel [n care tensiunea avea un minim ap`rea ca o "vale"(valley [n lb. englez`). Aceste puncte sunt extrem de importante pentru c` delimiteaz` regiunea cu rezisten\a


dinamic` negativ`, iar coordonatele lor sunt date [n foile decatalog ]i sunt esen\iale [n proiectarea aplica\iilor. Cum [n limbaromân` cuv[ntul v[rf [ncepe cu aceea]i liter` ca ]i vale, vomutiliza, ca peste tot [n ]tiin\`, termenul de jargon "pic".

De]i azi se lucreaz` cel mai frecvent [n coordonateleI f VE E= ( ), denumirile de pic ]i vale s-au p`strat ]i sunt

utilizate sistematic atunci c[nd este vorba despre tranzistoareunijonc\iune. Curen\ii de pic sunt de ordinul a zecemicroamperi, pe c[nd cei de vale sunt de aproape 1000 de orimai mari, de ordinul a zece miliamperi. Tensiunea de valedepinde slab de valoarea tensiunii interbaz` VBB ]i este [n

domeniul 1-3 V.Compar[nd caracteristica TUJ din Fig. 6.14 cu

caracteristica considerat` la sectiunea 6.1 pentru un dipoloarecare cu rezisten\` dinamic` negativ`, constat`m c` auaceea]i form`. Tensiunea de amorsare se nume]te la TUJ tensiune de v[rf, tensiunea rezidual` este practictensiunea de vale iar curentul minim de men\inere este curentul de vale. Poate c` e bine s` ne construim un"dic\ionar", ca [n Tabelul 6.1.

Tabelul 6.1Termeni utiliza\i la TUJ

Termeni generali pentru dispozitive cu rezisten\`dinamic` negativ`

Termeni utiliza\i la TUJ

tensiune de amorsare tensiune de v[rf (pic)

tensiune rezidual` tensiune de vale

curent minim de men\inere curent de vale

Merit` s` coment`m o caricatur`, prezentat` deaproape toate textele introductive despre TUJ, dreptcaracteristica sa static` (Fig. 6.17). n primul r[nd, pe axenu sunt trecute grada\iile: scalele nu sunt de nici un tip,nici liniare, nici logaritmice (pe o scal` logaritmic` nupoate ap`rea valoarea zero pentru simplul motiv c`log( )0 = −∞ ). De aceea, curentul de pic apare doar de

c[teva ori mai mic dec[t cel de vale. De unde vine acestdesen, reprodus cu o consecven\` demn` de cauze maibune ? Este schi\a calitativ` prezentat` [n prima pagin`a foilor de catalog pentru definirea punctelor de pic ]ivale. i cum autorii respectivi nu s-au aventurat dincolode prima pagin` (]i, bine[n\eles, nici s` m`soare sau s`utilizeze un astfel de tranzistor) ...

IE00

VE

VP

VV

I V

V (vale)

P (pic, virf)

Fig. 6.16. Aceea]i caracteristic` deintrare a tranzistorului unijonc\iune,desenat` cu tensiunea [n func\ie decurent.

Fig. 6.17.


2.C. Aplica\ia tipic`: oscilatorul de relaxare

n fizic` ]i electronic` sunt [nt[lnite frecvent oscila\ii de un tip special, numite oscila\ii de relaxare.Caracteristicile lor esen\iale pot fi enun\ate pe un exemplu simplu: oscila\iile nivelului apei [ntr-o cad` debaie, [ntre dou` praguri:

-exist` un rezervor (cada) pentru m`rimea care va oscila (cantitatea de ap`);-exist` un proces continuu de alimentare a rezervorului: robinetul de alimentare este l`sat deschis;-exist` un dispozitiv care determin` momentul c[nd nivelul apei atinge pragul superior (nivelul maxim

permis): de exemplu un operator uman;-[n momentul atingerii pragului superior se deschide o cale de golire a rezervorului, cu debitul mai

mare dec[t cea de alimentare: se scoate, de exemplu, dopul de evacuare;-exist` un dispozitiv care determin` momentul c[nd nivelul apei atinge pragul inferior (nivelul minim

permis): de exemplu un operator uman;-[n momentul atingerii pragului inferior se [nchide calea de golire a rezervorului.Un asemenea oscilator de relaxare poate fi realizat cu un TUJ, un condensator de capacitate C ]i o

surs` ideala de curent cu intensitatea I0, legate ca [n Fig. 6.18 a). Pentru ca circuitul s` oscileze trebuie ca

I I IP V< <0 ; aceste condi\ii cer, de fapt, a]a cum se poate vedea [n figur`, ca, [n absen\a condensatorului,

punctul de func\ionare intersec\ia curbelor s` fie [n regiunea de rezisten\` dinamic` negativ`.

E B2

B1

+- VBB

IE

+

-VE

I0

ICC

a)

0

VV

VP

t0

VE TUJ blocat

TUJ amorsat

b)

t00

00 P

IV

I0

Vdreapta de sarcina

c)

VPVV VE

IE

IE

Fig. 6.18. Oscilator de relaxare cu TUJ ]i surs` de curent: schema circuitului (a), evolu\ia [n timp apoten\ialului emitorului ]i a curentului de emitor (b) ]i evolu\ia ciclic` a punctului de func\ionare [nplanul caracteristicii de intrare (c)


Rolul rezervorului [l joac` aici condensatorul, m`rimea care oscileaz` fiind sarcina electric`[nmagazinat` pe condensator ]i, [n consecin\`, tensiunea VE . Calea de alimentare este furnizat` de sursa de

curent. Cine [ndepline]te [ns` toate celelalte func\ii (compara\ia cu cele dou` praguri, calea de golire ]icomanda acesteia) ? Ei bine, a]a cum vom vedea, dac` alegem intensitatea I0 s` [ndeplineasc` rela\ia

specificat` mai sus, tranzistorul unijonc\iune [ndepline]te toate aceste func\ii: el efectueaz` compara\ia cucele dou` praguri (tensiunea de pic ]i tensiunea de vale), el []i schimb` starea prin salturile de amorsare ]iblocare ]i el ofer` chiar ]i calea de golire, prin curentul s`u de emitor. Astfel, dup` cum se vede [n desenul b)al figurii,

tensiunea pe condensator evolueaz` ciclic [ntre valoarea tensiunii de pic VP a tranzistorului ]i valoareatensiunii sale de vale, VV .

Cre]terea se face liniar, cu viteza dV dt I CE C= constant`, iar cobor[rea se face rapid, [ntr-un interval de

timp, mult mai mic. Ob\inem o form` de und` care se nume]te [n electronic` "din\i de fier`str`u". Pe de alt`parte, evolu\ia [n timp a curentului de emitor const` [ntr-o serie de pulsuri scurte ]i intense. L`\imeapulsurilor este determinat` de capacitatea condensatorului ]i "rezisten\a" oferit` de tranzistor pentrudesc`rcarea sa.

Perioada oscila\iilor poate fi foarte bine aproximat` cu

TV V

ICosc

P V≅−

0. (6.5)

Coordonatele punctelor de pic ]i de vale nu sunt controlate tehnologic dec[t aproximativ, astfel c` eleau varia\ii semnificative de la exemplar la exemplar, nefiind, deci, perfect predictibile pentru exemplarul careva fi montat [n circuit. Din acest motiv, calculul performa\elor circuitelor se face cu o aproxima\ie [n jurul a10 %.

Cum VBB are valori peste 10 V, cei 0.6 V din expresia tensiunii de pic se pot neglija [n compara\ie cuηVBB , a]a c` V VP BB≅ η . n plus, tensiunea de vale are valori de ordinul a 1 V ]i nici m`car nu este

specificat` [n foile de catalog. Ajungem, [n final la rela\ia aproximativ`

TV

ICosc

BB≅η

0(6.6)

frecven\a fiind

fI

V CoscBB

≅ 0

η . (6.6')

Frecven\a oscila\iilor este propor\ional` cu intensitatea sursei de curent.

Din acest motiv, aceast` frecven\` poate fi comandat` electronic prin curentul I0; circuitul poate fi utilizat ca

un convertor liniar curent-frecven\`.


Pentru a avea, [ns`, oscila\ii, intensitatea sursei ideale de curent trebuie s` [ndeplineasc` rela\ia

I I IP V< <0 . (6.7)

]i, [n plus, complian\a sursei de curent trebuie s`-i permit` acesteia s` aduc` poten\ialul VE la valoarea deamorsare VP . Chiar ]i a]a, putem s` regl`m continuu frecven\a, f`r` s` schimb`m condensatorul, aproape pe

un domeniu de la 1 la 1000 .Dac` dori\i, pute\i urm`ri pas cu pas ce se [nt[mpl` [n circuit, pe diagrama curent-tensiune din

Fig. 6.18 c). Consider`m c` la momentul t= 0 conect`m condensatorul de capacitate C , ini\ial desc`rcat.Cum tensiunea pe condensator nu poate suferi varia\ii instantanee (deoarece este propor\ional` cu sarcinaelectric` [nmagazinat`, V Q CE = ), condenatorul for\eaz` [n primul moment la zero poten\ialul emitorului,aduc[nd punctul de func\ionare [n origine, unde IE = 0. De]i tensiunea VE [ncepe s` creasc` ]i punctul defunc\ionare se deplaseaz` pe por\iunea 0P a caracteristicii, tranzistorul r`m[ne blocat. ntregul curent I0curge [nspre condensator, tensiunea sa cresc[nd cu liniar cu timpul (cu vitez` constant`), deoarecedV dt I CE C= . Riguros vorbind, odat` cu apropierea de punctul de "v[rf" P, curentul de emitor IE [ncepe

s` creasc`, sc`z[nd curentul IC (I0 = consta) ]i condensatorul se [ncarc` cu vitez` din ce [n ce mai mic`.

Dac` am fi ales ini\ial curentul sursei ideale mai mic dec[t curentul de v[rf al tranzistorului, I IP0 < ,

procesul de [nc`rcare s-ar fi oprit p[n` la atingerea punctului P, acolo unde IE l-ar fi egalat pe I0 ]i circuitul

ar fi ajuns [ntr-o stare de echilibru, pe care ar fi p`strat-o un timp nedefinit.Noi am stabilit, [ns`, curentul I0 s` fie mai mare dec[t curentul de la punctul de v[rf I IP0 > ; [n

aceast` situa\ie, chiar ]i [n punctul P condensatorul continu` s` se [ncarce ]i s` m`reasc` poten\ialul VE al

emitorului. Acest lucru nu se mai poate face, [ns`, pe ramura 0P a caracteristicii ]i circuitul comut` brusc pecealalt` ramur` de stabilitate. Dac` timpul de comutare este at[t de scurt [nc[t condensatorul nu are timp s` sedescarce semnificativ, saltul se face la tensiune constant` adic` pe o linie vertical` (desenat` punctat [nfigur`). n realitate, saltul nu este instantaneu ]i traiectoria este curbat`, cu at[t mai mult cu c[t capacitatea Ceste mai mic`.

n urma acestui salt, curentul de emitor ajunge la valori foarte mari, de ordinul amperilor, mult maimare dec[t I0, ]i condensatorul se descarc` extrem de repede prin tranzistor. Sc`derea tensiunii pe

condensator coboar` rapid poten\ialul VE , punctul de func\ionare cobor[nd pe caracteristic`. Odat` cusc`derea poten\ialului VE , scade ]i curentul IE , desc`rcarea condensatorului f`c[ndu-se din ce [n ce mai lent.Dac` am ales fi ales curentul I0 mai mare dec[t curentul de vale, I IV0 > , la un moment dat curentul IE ,

sc`z[nd, ar fi egalat curentul I0, oprind desc`rcarea condensatorului [nainte ca punctul de func\ionare s` fi

ajuns la punctul de vale. Circuitul ar fi ajuns, astfel, [ntr-o stare de echilibru pe care nu ar mai fi p`r`sit-o.Am avut, [ns`, grij` ca valoarea curentului I0 s` fie mai mic` dec[t aceea a curentului de vale; chiar ]i

la atingerea punctului de vale, condensatorul continu` s` se descarce, poten\ialul VE sc`z[nd. Acest lucru nupoate continua pe por\iunea de rezisten\` dinamic` negativ` deoarece acolo poten\ialul VE cre]te. Astfel,dispozitivul este obligat s` comute pe cealalt` ramur` de stabilitate, saltul av[nd loc la VE aproape constant.n urma acestui salt, curentul IE devine practic nul ]i procesul de [nc`rcare al condensatorului cu vitezadV dt I CE = 0 constant` se reia. Se ajunge din nou [n punctul de v[rf ]i procesul continu` la nesf[r]it.

C[nd nu suntem preten\io]i [n privin\a formei de und` generate, putem simplifica structuraoscilatorului de relaxare cu TUJ, [nlocuind sursa ideal` de curent cu un rezistor conectat la tensiunea VREF ,

ca [n Fig. 6.19. Condi\iile care trebuie [ndeplinite pentru ca circuitul s` oscileze se ob\in [n acela]i mod ca laexemplul precedent, exprim[nd curen\ii prin rezistor [n punctele critice V ]i P prin legea lui Ohm:


IV V

RV V

RI

PREF P

REF VV

<−

−<

(6.8)

sau, sub o alt` form`,

V I R V V I RP P REF V V+ < < + (6.8')

E B2

B1

+- VBB

IE

+

-VE

ICC

VREF IE

00

VE

VP

VVP

IV V

VREF

dreapta de sarcina

t0

creste asimptotic spre

R

a) b)

c)

VE

VV

VREF

VP

Fig. 6.19. Oscilator de relaxare cu TUJ ]i rezisten\`: schema circuitului (a), pozi\ia dreptei de sarcin`[n planul caracteristicii de intrare (b) ]i evolu\ia [n timp a poten\ialului de emitor (c).

De data aceasta, [nc`rcarea condensatorului pornind de la tensiunea VV nu se mai face liniar [n timp,

ci dup` legea

V V V V eE V REF V

t

RC= + − −FHGG

IKJJ

−( )1 (6.9)


care tinde asimptotic la VREF (am ales originea timpului [n momentul bloc`rii tranzistorului, ca [n desenul bal figurii). Evolu\ia spre asimptot` este [ncheiat` aproximativ la momentul Tosc, c[nd tensiunea VE a ajuns la

valoarea tensiunii de pic VP; astfel

T RCV V

V VoscREF V

REF P≅

−−

ln . (6.10)

i [n acest caz putem controla electronic frecven\a de oscila\ie, prin tensiunea continu` VREF , dar

dependen\a nu mai este una liniar`.Dac` nu dorim s` control`m electronic frecven\a, leg`m cap`tul rezisten\ei R la tensiunea fix` VBB.

Cu acelea]i aproxima\ii ca ]i la oscilatorul cu surs` de curent, ob\inem rela\ia

T RCV

V VRCosc

BB

BB BB≅

−=

−ln ln

η η1

1 (6.11)

care, pentru valoarea tipic` η = 0 5. , conduce la

T RCosc≅ 0 7. (6.11')

n aproxima\ia [n care a fost dedus` rela\ia precedent`, perioada oscila\iilor este insensibil` lavaria\iile accidentale ale tensiunii de alimentare, un avantaj interesant pentru aplica\iile ieftine [n carealimentarea nu este stabilizat`.

Oscilatoarele de relaxare cu TUJ au, [n general, dou` tipuri de aplica\ii:a) Generarea unei tensiuni electrice oscilante, [n form` de din\i de fier`str`u (sau aproximativ, cu arce

de exponen\ial`, ca [n Fig. 6.19 c). Aceast` form` de und` este utilizat`, spe exemplu, pentru deplasarea peorizontal` a spotului unui osciloscop. Trebuie s` avem grij`, [ns`, ca circuitul care utilizeaz` aceast`tensiune, prin curentul absorbit, s` nu afecteze semnificativ bilan\ul de curen\i din nodul emitorului. Cel maibine este s` utiliz`m un etaj de separare care s` poat` furniza un curent mare pe rezisten\a de sarcin`absorbind un curent extrem de mic din nodul de emitor.

b) Generarea unor pulsuri intense ]i scurte de curent. Prin amorsarea TUJ, punctul de func\ionareajunge la valori ale curentului de emitor foartemari (de ordinul amperilor) ]i sarcina∆Q C V VP V= −( ) este rapid evacuat` din

condensator prin baza B1 a tranzistorului. Astfel,[n Fig. 6.20, aceste pulsuri de curent sunt utilizatepentru amorsarea unui dispozitiv numit tiristor,prin trimiterea unor pulsuri de curent [n poarta sa,notat` cu G. Transformatorul face separa\iagalvanic` [ntre re\eaua de alimentare de 220 V,astfel [nc[t circuitul de comand` ce con\inetranzistorul TUJ este "flotant" ]i poate fi atins f`r`pericol.

C

+12 V

~ 220 VtiristorG

R

bec

Fig. 6.20. Comanda unui tiristor cu pulurile de curentgenerate de un oscilator de relaxare cu TUJ.


2.D. C[te jonc\iuni are tranzistorul unijonc\iune programabil

Odat` cu trecerea la construirea sa din siliciu, [n anul 1956, tranzistorul unijonc\iune devine undispozitiv consacrat, folosit pe scar` larg` [n proiectare. Raportul de divizare η , ca ]i curen\ii de pic ]i de

vale, nu puteau fi [ns` modifica\i [n aplica\ii, fapt resim\it negativ de proiectan\i. Din acest motiv, [n 1967,acestora li se ofer` un nou dispozitiv, cu aceea]i comportare, dar la care raportul de divizare putea fiprogramat extern prin raportul a dou` rezisten\e. De asemenea, tot prin valorile acestor rezisten\e era posibil`modificarea curen\ilor de pic ]i de vale i cum denumirea detranzistor unijonc\iune se [ncet`\enise, noul dipozitiv a primitnumele de tranzistor unijonc\iune programabil.

Electronica este o disciplin` extrem de pragmatic`: pentruproiectan\i ]i utilizatori structura real` a dispozitivului este pu\inrelevant`. De fapt, tranzistorul unijonc\iune programabil con\inepatru straturi de tip p ]i de tip n, alternate, [ntre care se formeaz`trei jonc\iuni. Simbolul sù este cel din Fig. 6.21, unde amdesenat ]i rezisten\ele care programeaz` raportul de divizare.Tranzistorul unijonc\iune programabil este similar ca structurùnui alt dispozitiv, tiristorul, pe care [l vom aborda mai t[rziu. Dinacest motiv, ]i terminalele sale sunt denumite identic cu cele de la tiristor: anod, catod ]i poart` (gate [nlimba englez`).

Structura fizic` intern` a tranzistorului unijonc\iune programabil este echivalent` cu dou` tranzistoarebipolare complementare, montate ca [n Fig. 6.22. De multe ori, [n locul tranzistorului unijonc\iuneprogramabil, chiar se utilizeaz` un asemenea circuit, numit tranzistor unijonc\iune simulat.

R2

R1

Valim+

A

K

G

A

K

GR2

R1

Valim+

T1

T2

⇔ V'

IA

Fig. 6.22. Simularea tranzistorului unijonc\iune cu dou` tranzistoare bipolare complementare.

At[ta timp c[t poten\ialul [n anod (emitorul lui T1) este mai mic dec[t ηValim 0.6 V+ , ambele

tranzistoare sunt blocate ]i divizorul rezistiv este ne[nc`rcat. La dep`]irea acestei valori, tranzistorul T1[ncepe s` se deschid`, curentul sù de colector este amplificat de β2 ori de c`tre tranzistorul T2 ]i aceast`

valoare este absorbit` din punctul median al divizorului. n consecin\`, poten\ialul ′V coboar` ]i tranzistorulT1 se deschide ]i mai mult. Not[nd cu Rdiv rezisten\a echivalent` a divizorului, putem scrie pentru varia\ii

urm`toarele rela\ii

∆ ∆

∆ ∆

∆ ∆ ∆

′ = −

=

= − ′

V R I

I I

I g V V

div C

C C

C m A

2

2 2 1

1 1

β

b g(6.12)

A

R2

R1

Valim+

anod

catod

poarta

K

G η =R1

R1 R2+

Fig. 6.21. Tranzistorul unijonc\iuneprogramabil.


care pot fi reprezentate prin schema bloc din Fig. 6.23. Recunoa]tem aici caracterul pozitiv al reac\iei,deoarece pe bucl` varia\iile sunt [nmul\ite de dou` ori cu -1, la [nmul\irea cu − Rdiv ]i la sumator.

gm1 β2 R div(- )∆C1I∆ IB2= C2I∆ ∆V '

∆V '

Σ∆VA

+-

∆VA - ∆V '

aici are loc o [nmul\ire cu -1

aici are loc a doua [nmul\ire cu -1

Fig. 6.23. Schema bloc (opera\ional`) pentru tranzistorul unijonc\iune simulat.

Deoarece curentul de intrare [n nodul A este curentul de emitor al primului tranzistor (aproximativegal cu cel de colector), din sistemul anterior de ecua\ii putem calcula rezisten\a dinamica de intrare

∆∆

VI

g Rg

A

A

m div

m=

−1 1 2

1

β. (6.13)

A]a cum am v`zut sistemul este unul cu reac\ie pozitiv`. Deoarece factorul g Rm div1 2β nu schimb`

semnul, reac\ia este pozitiv` todeauna; totu]i, rela\ia precedent` arat` c` semnul rezisten\ei dinamice estedeterminat de m`rimea gradului de reac\ie, exist[nd un prag la g Rm div1 2 1β = .

Factorul β este mic la curen\i de colector foarte mici; [n plus, transconductan\a primului tranzistor estepropor\ional` cu valoarea curentului de intrare g Im A1 = 25 mV . Astfel, la deschiderea incipient` atranzistoarelor, produsul g Rm div1 2β este subunitar ]i rezisten\a dinamic` este pozitiv`.

La cre]terea curentului, produsul cre]te ]i, la o anumit` valoare, rezisten\a dinamic` schimb`semnul devenind negativ`. Aici este punctul de v[rf de pe caracteristic`; curentul s`u poate fi estimat din

condi\ia g R I Rm divP

div1 2 2 1β β= =25 mV

ca

IRP

div=

25 mV2β

; (6.15)

[n aceast` rela\ie trebuie s` utiliz`m valoarea factorului de amplificare β2 de la curen\i foarte mici. nregiunea activ` a tranzistoarelor, factorul g Rm div1 2β este mult supraunitar ]i rezisten\a dinamic` este

negativ`.Cre]terea [n continuare a curen\ilor aduce, [ns`, tranzistorul T2 [n satura\ie unde curentul de baz` nu

mai controleaz` pe cel de emitor. n consecin\`, rela\ia I IC B2 2 2= β nu se mai respect` ]i raportul∆ ∆I IC B2 2 devine aproape nul. Astfel, produsul g Rm div1 2β ajunge mult mai mic dec[t unitatea, iar

rezisten\a dinamic` devine din nou pozitiv`. n acest regim, intrarea [n nodul A se comport` practic ca odiod`.

Putem estima, astfel, ]i coordonatele punctului de vale. Tensiunea sa este de 0.8 V (tensiunea dedeschidere a tranzistorului 1 plus tensiunea colector-emitor de satura\ie a tranzistorului 2. La satura\ie,


tranzistorul 2 scurtcircuiteaz` practic rezisten\a R1, astfel c` valoarea curentului de satura\ie esteaproximativ I V RC sat2 2= alim . Ajungem, deci, la valoarea curentului de vale

I V RV ≅ alim β 2b g. (6.16)

2.E. Proiectarea unui oscilator de relaxare cu TUJ

Ne propunem s` proiect`m un oscilator de relaxare cu TUJ ]i curezistor (Fig. 6.24). n afara datelor de catalog ale tranzistorului, maicunoa]tem frecven\a f cu care trebuie s` oscileze circuitul.

1. Alegem valoarea tensiunii de polarizare VBB, mai mic` dec[t

cea maxim` permis`, furnizat` de catalog (de ordinul a 30 V). Cuaceasta, putem calcula tensiunea de pic V VP BB≅ η . Pentrusimplitate, vom lega rezistorul R tot la poten\ialul VBB.

2. Calcul`m intervalul de valori ale rezisten\ei R pentru carecircuitul oscileaz`

V V

I

V

IR R R

V

I

V V

IBB V

V

BB

V

BB

P

BB P

P

−≅ = < < =

−≅

−min max

( )1 η

3. Cum valoarile V V I IP V P V, , , nu sunt valori precise ci tipice (difer` de la exemplar la exemplar),

este bine s` alegem o valoarea sigur` [n acest interval, de exemplu, Rmax 10. Cu ea, estim`m valoarea

necesar` pentru condensator

CfR

=

−

11

1ln

η

Aceasta este bine s` nu fie mai mic` de 10 nF, pentru ca stabilitatea frecven\ei s` fie bun`. Deasemenea, dac` ajungem la valori mai mari de 10 µF, curen\ii de desc`rcare devin periculos de inten]i ]i vatrebui s` intercal`m o rezisten\` [n serie cu emitorul. Oricum, nu vom utiliza chiar valoarea ob\inut` dinexpresia anterioar`, ci una apropiat`, din seria de valori E6 (±20% ): 1; 1.5; 2.2; 3.3; 4.7; 6.8.

4. Recalcul`m, acum, valoarea rezisten\ei R , deoarece rezistoarele sunt disponibile [n game detoleran\` mult mai restr[ns`; [n plus, ele pot fi u]or ajustate, prin utilizarea unui poten\iometru semireglabil.

RfC

=

−

11

1ln

η

.

E B 2

B 1C

R

+ VBB

Fig. 6.24


E B2

B 1C

R

+ VBB

1. Alegem2. Alegem V BB

I V

I P

V BB (1- )η

3. Calcul`m 1

f R 11- η

BBV

lnC =

R [ntre

]i

Fig. 6.25. Procedur` simplificat` de proiectare pentru un oscilator de relaxare cu TUJ.

5. Dac` dorim s` ob\inem de la oscilator pulsuri scurte ]i intense de tensiune, trebuie s` intercal`m [ncircuitul bazei 1 o rezisten\` de zeci sau sute de ohmi. De asemenea, stabilitatea termic` a circuitului este[mbun`t`\it` dac` [n circuitul bazei 2 se monteaz` o rezisten\` de c[teva sute de ohmi.

Procedura de proiectare, simplificat`, este reprezentat` [n Fig. 6.25.



-Tranzistorul unijonc\iune (prescurtat TUJ [n român` ]i UJT [n englez`) este un dispozitiv cu

trei terminale, emitorul, baza 1 ]i baza 2, pentru care se utilizeaz` simbolul

E B2

B1 ; dac` [ntrecele dou` baze se aplic` o tensiune continu` constant` VBB , caracteristica sa de intrare [n emitor are o

regiune cu rezisten\` dinamic` negativ`.- Regiunea cu rezisten\` dinamic` negativ` este efectul unei reac\ii pozitive.-Tensiunea de amorsare, care la TUJ poart` numele de tensiune de v[rf (pic), este aproximativ

ηVBB , unde η este raportul de divizare intrinsec, uzual egal cu 1/2; curentul de amorsare este de

ordinul microamperilor.-Dup` amorsare, tensiunea de emitor scade la o valoarea mic` ]i cre]te foarte slab cu cre]terea

curentului.- Curentul minim de men\inere este aproximativ egal cu valoarea curentului de vale (punct care

delimiteaz` regiunea cu rezisten\` dinamic` negativ`) ]i este de ordinul a 1 mA; tensiunea de vale arevalori de ordinul 1-2 V.

- Aplica\ia tipic` a tranzistorului unijonc\iune este oscilatorul de relaxare.- ntr-un oscilator de relaxare cu TUJ, un condensator se [ncarc` printr-o rezisten\` (sau surs`

de curent) p[n` la tensiunea de v[rf a TUJ, moment [n care tranzistorul se amorseaz` ]i descarc` rapidcondensatorul p[n` la tensiunea de vale. Dac` [n acest moment curentul este mai mic dec[t curentul davale, tranzistorul se blocheaz` ]i procesul se repet` periodic.

-Pentru ca un oscilator de relaxare cu TUJ s` func\ioneze, este necesar ca dreapta de sarcin` s`intersecteze caracteristica TUJ [n regiunea cu rezisten\` dinamic` negativ`.

-Dac` [nc`rcarea condensatorului se face printr-o surs` de curent, frecven\a de oscila\ie estepropor\ional` cu valoarea curentului acestei surse; circuitul func\ioneaz` ca un convertor liniarcurent-frecven\`.

-Oscilatorul de relaxare se utilizeaz` fie pentru ob\inerea unei tensiuni periodice cu form` dedin\i de fier`str`u, fie pentru ob\inerea unor pulsuri periodice de curent, scurte ]i intense.

- Tranzistorul unijonc\iune programabil este un dispozitiv de circuit cu func\ionare similar` cucea a TUJ; [n cazul lui, raportul de divizare, ca ]i valorile curen\ilor de pic ]i de vale, suntprogramabile prin intermediul unui divizor rezistiv.


Termeni noi

-tranzistor unijonc\iune dispozitiv de circuit cu trei terminale (emitorul ]i cele dou` baze) ; dac` [ntre baze se aplic` o tensiune continu` constant`, carcateristica sa de intrare [n emitor prezint` o regiune cu rezisten\` dinamic` negativ`

-raport de divizare intrinsec raportul cu care divizorul rezistiv echivalent cu TUJ divizeaz` tensiunea aplicat` [ntre baze

-reac\ie (feed-back [n englez`) ac\iunea unui efect asupra cauzei care l-a produs-reac\ie negativ` reac\ie [n care ac\iunea se face cu sens schimbat, astfel [nc[t

modific`rile sunt atenuate;-reac\ie pozitiv` reac\ie [n care ac\iunea are acela]i sens, astfel [nc[t modific`rile sunt accentuate-punct de v[rf (pic) punct pe caracteristica static` de intrare a TUJ la care tensiunea are

valoarea maxim`; delimiteaz` regiunea cu rezisten\` dinamic` negativ`; valoarea tensiunii de v[rf reprezint` tensiunea de

amorsare- punct de vale punct pe caracteristica static` de intrare a TUJ la care tensiunea are

un minim local; delimiteaz` regiunea cu rezisten\` dinamic` negativ`; valoarea curentului de vale reprezint` curentul minim de men\inere- oscilator de relaxare oscilator la care o m`rime fizic` evoleaz` periodic [ntre dou`

praguri; la atingerea pragului de sus se deschide o cale rapid` de golire a "rezervorului" iar la atingerea pragului de jos calea de golire este [nchis`

- convertor curent-frecven\` oscilator la care frecven\a de oscila\ia este controlat` de intensitatea unui curent; dac` dependen\a este liniar`, convertorul este, la r[ndul lui, liniar


Problem` rezolvat`

Utiliz[nd un tranzistor unijonc\iune cuV I A IBB P Vmax ;= = =35 12 8 V; = 0.5; mAη µ , s` se proiecteze

un oscilator de relaxare cu rezistor, care s` oscileze pe frecven\a de 10kHz. Desen`m, mai int[i schema circuitului, ca [n Fig. 6.26.

Rezolvare

1. Alegem tensiunea de alimentare a circuitului VBB = 12 V. De

aici rezult` imediat tensiunea de pic de aproximativ 6 V (nu are rost s`lucr`m prea precis, nici raportul η nu este acela]i la fiecare exemplar ci

[ntre 0.47 ]i 0.62.

2. Calcul`m intervalul de valori ale rezisten\ei:

RV

min .= =12

815

mA kΩ ]i Rmax = =

6

12500

V

A k

µΩ

3. Alegem o valoare "sigur`" de 20 kΩ ]i estim`m valoarea condensatorului

C =⋅

= ⋅ =−1

10 2 10 20 72 10 7 24 4

8

ln. . nF

Ne hot`r[m la o valoare un pic mai mare, ]i anume la 10 nF,din considerentele ar`tate anterior.

4. Calcul`m, [n final, valoarea rezisten\ei:

R = = ⋅ =−1

10 10 21 4 10 144 8

4

ln. kΩ. Dac` dorim s` ob\inem o

valoare precis` a frecven\ei, realiz`m aceast` rezisten\` dintr-una fix`de 10 kΩ ]i un poten\iometru semireglabil de 10 kΩ, urm[nd caajustarea poten\iometrului s` fie f`cut` "la cald" [n timp ce frecven\ade oscila\ie este monitorizat` cu un frecven\metru. ncheiemproiectarea cu desenarea schemei complete, cu valorilecomponentelor (Fig. 6.27).

E B 2

B 1C

R

+ VBB

Fig. 6.26.

E B2

B1C

R

10 nF

10 k

10 k

+ 12 V

Fig. 6.27.


Probleme propuse

P 6.2.1. Pentru circuitul din Fig. 6.28,determina\i :

a) curentul I0 furnizat de sursa de curent

realizat` cu tranzistorul bipolar T1;b) perioada ]i frecven\a oscila\iilor;c) cum trebuie s` aib` tranzistorul unijonc\iune

curen\ii de v[rf ]i de vale pentru ca circuitul s`oscileze ?

P 6.2.2. Oscilatorul de relaxare din Fig. 6.29este unul sincronizat cu re\eaua de alimentare.

a) Desena\i forma de und` a tensiunii produsede redresorul dubl` alternan\` [n absen\a diodeiZener Dz.

b) Determina\i acum evolu\ia poten\ialului [n punctul A [n prezen\a diodei Zener. Dup` c[t timp de latrecerea prin zero a tensiunii de la re\ea, poten\ialul punctului A atinge valoarea sa de palier ?

c) Calcula\i perioada de oscila\ia a oscilatorului de relaxare c[nd pozi\ia rezisten\ei reglabile estestabilit` la jum`tate..

d) Ce pute\i spune despre momentul apari\iei primului puls pe rezisten\a de 100 Ω (num`rat de latrecerea prin zero a tensiunii re\elei) ?

e) Dar dac` [n locul diodei Zener am fi montat un condensator de filtrare care ar fi men\inut practicconstant poten\ialul nodului A ?

~D1 D2

D3D4 100 nF

100 k

Dz12 V220 V ef

6.8 k2 W

1 k

100 Ω

A

Fig. 6.29. Oscilator de relaxare sincronizat.

P 6.2.3. Circuitul prezentat [n Fig. 6.30 este un circuit de temporizare. Rolul lui este ca, la aplicareatensiunii de alimentare, s` produc` un puls de comand`, care s` apar` [ns` cu o [nt[rziere τ .

a) Presupun[nd un raport de divizare intrinsec de 0.5, estima\i aceast` [nt[rziere.b) Pulsul produs comand` intrarea [n conduc\ie a "[ntrerup`torului" K. Justifica\i de ce circuitul de

temporizare nu a fost alimentat direct la Valim (rezisten\a de sarcin` este de valoare mic`).

E B2

B 1

I0

1 k

+12 V

2 k

10 k

33 k

22 nF

Fig. 6.28.


P 6.2.4. Circuitul din Fig. 6.31 este cunoscutsub numele de multivibrator sau circuit astabil.Principiul lui de func\ionare nu este diferit de cel aloscilatorului de relaxare: difer` numai calea pe care sedescarc` condensatorul.

a) Consider[nd c` raportul de divizare intrinseceste 0.5 ]i neglij[nd c`derea de tensiune pe diod`,calcula\i ce condi\ie trebuie s` [ndeplineasc` raportulR R2 1 pentru ca tranzistorul unijonc\iune s` ajung` la

amorsare.b) Neglij[nd valoarea tensiunii de vale, calcula\i

timpul din perioad` c[t tranzistorul r`m[ne blocat

(Indica\ie: considera\i dioda un scurtcircuit ]i echivala\iThevenin divizorul rezistiv)

c) n sf[rsit, identifica\i calea prin care se descarc`condensatorul ]i calcula\i timpul c[t dureaz` aceast`desc`rcare. Pute\i face egale duratele de [nc`rcare ]idesc`rcare ?

+ Valim

K

sarcina

1k

100 Ω1 µ F

330 k

12 V6 Ω

Fig. 6.30. Circuit de temporizare

E B2

B 1

C

+ Valim

R1

R2

R3

Fig. 6.31. Circuit astabil cu TUJ.


Lucrare experimental`

Experimentul 1. Punerea [n eviden\` a fenomenului de comutare; eviden\ierearegiunii cu rezisten\` dinamic` negativ`.

E B2

B 1

+-

V BBIE

+

-VEV

+-

mA

0..15 VV1

IE

10 V

R1 k

Fig. 6.32.

Ve\i lucra pe un circuit cu schema din Fig. 6.32. Desena\i-v` pe caiet aceast` schem`, complet[nd-o cuinforma\ii despre aparatura utilizat` (voltmetru, ampermetru, surse de tensiune). Stabili\i polaritatea necesar`pentru aparatele de m`sur` ]i trece\i-o pe schem`. Realiza\i apoi circuitul. |in[nd seama de gama de varia\iea tensiunii V1 ]i de valoarea rezisten\ei R alege\i pentru miliampermetru ]i voltmetru scalele adecvate.

Trece\i ]i aceast` informa\ie pe schema circuitului.Alimenta\i circuitul. ncepe\i experimentul cu V1 0= ]i cre]te\i [ncet aceast` valoare, urm`rind

simultan curentul ]i tensiunea de emitor. Ce observa\i pentru valori mici ale lui VE ? Ce pute\i spune despre

tranzistor, este [n conduc\ie sau blocat ?La o anumit` valoare a lui VE are loc un fenomen brusc. Dac` v-a surprins ]i nu l-a\i observat cu

aten\ie, cobor[\i la zero valoarea lui V1 ]i relua\i. Ce se [nt[mpl` cu valoarea intensit`\ii din emitor ? Dar cutensiunea VE ? Cum pute\i denumi noua stare a tranzistorului ? Ce semn are raportul ∆ ∆V IE E ]i ce

concluzie pute\i trage de aici ? Nota\i-v` pe caiet toate aceste observa\ii.Cre]te\i [n continuare V1, p[n` la valoarea de aproximativ 15 V. Ce se [nt[mpl` cu valorile lui VE ]i

IE ? Nota\i ce a\i descoperit.Cobor[\i acum [ncet valoarea tensiunii sursei V1. La o anumit` valoare, are loc un nou salt. Dac` l-a\i

pierdut, cre]te\i din nou V1 la 15 V ]i apoi relua\i cobor[rea. Ce se [nt[mpl` [n timpul saltului cu valoarea

intensit`\ii din emitor ? Dar cu tensiunea sa ? Cum pute\i denumi noua stare a tranzistorului ? Ce semn areraportul ∆ ∆V IE E ]i ce concluzie pute\i trage de aici ? Nota\i ]i aceste lucruri.

Formula\i acum concluzii asupra acestor salturi ]i asupra caracterului rezisten\ei dinamice de intrare [nemitor.


Experimentul 2. Trasarea caracteristicii de intrare a TUJ

Utiliza\i acum o valoare de 10 kΩ pentru rezisten\a R ]i [nlocui\i voltmetrul analogic f`r` amplificatorcu unul electronic cu afi]aj digital, care are o rezisten\` proprie mult mai mare. Relua\i experimentulprecedent, not[nd de fiecare dat` perechea de valori (V IE E; ). Dup` apari\ia curentului, [ncerca\i s` merge\i[n pa]i echidistan\i ai acestei m`rimi. La sc`derea tensiunii V1 va trebui s` lua\i date numai pe por\iunea carenu a fost parcurs` la cre]terea lui V1.

M`rimea rezisten\ei a limitat valoarea curentului de emitor. Putem investiga regiunea de curen\i maimari dac` relu`m trasarea cu o valoare R = 560 Ω . Evident, vom nota numai datele cu valori ale lui IE care

dep`]esc domeniul investigat anterior.Ave\i acum suficiente date pentru desenarea caracteristicii statice I f VE E= ( ), [n coordonate liniare,

[ncep[nd de la valoarea nul`. Identifica\i pe grafic punctele de pic ]i de vale ]i determina\i V VP V, ]i IV .

Pentru IP , face\i o estimare.A\i lucrat la o valoare a tensiunii VBB egal` cu 10 V. Aceasta afecteaz` [ns` valorile tensiunilor de

v[rf ]i de vale. Modifica\i la 5 V aceast` tensiune ]i determina\i, din nou, tensiunile de v[rf ]i vale VP ]i VV .

Experimentul 3. Oscilatorul de relaxare cu TUJ ]i surs` de curent

Desena\i-v` pe caiet oscilatorul de relaxare dinFig. 6.33. Realiza\i, apoi, circuitul utiliz[ndelementele de pe plan]et`. Alimenta\i circuitul ]iconecta\i sonda osciloscopului [n nodul emitorului.Cre]te\i [ncet valoarea curentului sursei de curent,rotind poten\iometrul de control [n sensul indicat. Laun moment dat, circuitul [ncepe s` oscileze. Pentrum`surarea curentului sursei de curent ajunge s`conecta\i [n nodul emitorului firul de lamiliampermetru; determina\i aceast` valoare Imin.

Desface\i firul de la miliampermetru ]i cre]te\i[n continuare curentul sursei de curent p[n` c[ndoscila\ia [nceteaz`. Determina\i aceast` valoare Imax. Reaminti\i-v` condi\ia de oscila\ie a acestui tip de

oscilator ]i interpreta\i valorile Imin ]i Imax determinate.

Restabili\i regimul de oscila\ie ]i observa\i cu aten\ie forma de und` a tensiunii. Desena\i-o pe caiet,not[nd pe desen amplitunea ]i duratele. ntre ce limite evolueaz` aceast` tensiune ]i ce semnifica\ie au acestevalori pentru tranzistorul unijonc\iune ?

Determina\i, din forma de und` desenat`, viteza medie de desc`rcare a condensatorului ∆ ∆V tE ]i,de aici, intensitatea medie a pulsului de curent de desc`rcare. Compara\i-o cu valoarea curentului I0 cu care

se [ncarc` condensatorul. Pulsul de curent de desc`rcare circul` spre mas` prin baza 1 a tranzistorului. ncalea lui a fost intercalat` rezisten\a R1 de valoare suficient de mic` pentru a nu [nt[rzia semnificativ

desc`rcarea. Astfel, pulsul de curent produce acum un puls de tensiune [n baza 1, care poate fi vizualizat cuosciloscopul (nu uita\i c` osciloscopul este un voltmetru). Observa\i acest puls ]i determina\i m`rimea sa sa.Compara\i-o cu cea medie, estimat` anterior.

Pentru c[teva valori [ntre Imin ]i Imax, m`sura\i valorile curentului I0 ]i perioada de oscila\ie.

Desena\i dependen\a experimental` fosc [n func\ie de I0 ..

E B2

B1

+-

VBBVE

I0

CmA

controlulsursei decurent

1 Ω

10 V

100 nF

Fig. 6.33.


Experimentul 4. Oscilatorul de relaxare cu TUJ ]i rezistor

Cu acela]i tranzistor de la experimentul precedent ve\irealiza acum un oscilator de relaxare la care condensatorul se[ncarc` printr-un rezistor. Desena\i-v` pe caiet schemaoscilatorului. Cunoa]te\i de la experimentul precedentcoordonatele punctelor de pic ]i de vale. Calcula\i [ntre cevalori trebuie s` se g`seasc` rezisten\a R pentru ca circuitul s`oscileze. Apoi decide\i care din cele trei rezisten\e de peplan]et` respect` aceast` condi\ie. Verifica\i prin experimentconcluzia la care a\i ajuns.

Aten\ie, [n cazul rezisten\ei de 500 kΩ nu pute\i conectaosciloscopul [n punctul E, pentru c` rezisten\a intern` aosciloscopului este de 1 MΩ, doar de dou` ori mai mare dec[t rezisten\a R . Cum pute\i, totu]i, verifica cuosciloscopul dac` circuitul oscileaz` ?

E B2

B1

+-

VBBVE

C10 Ω

10 V

100 nF

10k1k 500k

Fig. 6.34.


6.3. Diacul, tiristorul ]i triacul

3.A. Diacul

Diacul este undispozitiv cu dou` borne (undipol) realizat pentru aproduce pulsuri de curentnecesare la amorsarea unordispozitive de comuta\ie,cum sunt tiristoarele ]itriacele. Momentul la careapar aceste pulsuri este determinat de atingerea tensiunii de amorsare. O capsul` tipic`, simbolul s`u, precum]i forma caracteristicii statice sunt prezentate [n Fig. 6.35. Se observ` neliniaritatea ]i simetriacaracteristicii; astfel, cele dou` borne ale diacului, numite anozi, sunt perfect echivalente, fapt reflectat ]i [nsimbolul utilizat pentru dispozitiv. n plus, caracterstica static` a diacului mai prezint` o particularitate: exist`regiuni [n care panta sa este negativ`; aici rezisten\a dinamic` definit` [ntr-un punct al caracteristicii prinr dU dI= , este negativ`. Vom vedea c` aceast` rezisten\` dinamic` negativ` este elementul cheie [n

func\ionarea ]i utilizarea sa.n primul cadran, caracteristica static` a diacului (Fig. 6.36) este de tipul celei studiate c[nd am [nceput

abordarea dispozitivelor cu rezisten\` dinamic` negativ` (Fig. 6.2). La cre]terea de la 0 a tensiunii sursei dealimentare, dispozitivul este, deci, blocat, p[n` c[nd tensiunea pe el ajunge aproximativ la valoarea "de[ntoarcere" a caracteristicii, c[nd are loc comuta\ia [n starea de conduc\ie (amorsarea diacului). Pentru diac,aceast` valoare "de [ntoarcere" a caracteristicii poart`numele de tensiune de amorsare sau de aprindere(breakover voltage [n limba englez`), UBO ; este, de fapt,

corespondenta tensiunii de pic de la caracteristica deintrare a tranzistoarelor unijonc\iune. Cele mai utilizatevalori pentru tensiunea de amorsare sunt [ntre 30 ]i 40 V,fiind alese astfel datorit` aplica\iei sale tipice, [n circuitealimentate la 220 Vef.

Dup`amorsare,

tensiunea pe diacr`m[ne practicconstant` ]i valoarea ei este numit` tensiune rezidual`, U REZ ; ea

este cu ∆U U UBO REZ= − mai mic` dec[t cea de amorsare;

aceast` diferen\`, cu valoarea tipic` de 5 V, este numit` tensiunedinamic` de amorsare (dynamic breakover voltage). Pentru cadiacul s` r`m[n` [n conduc\ie este necesar ca valoarea curentului s`nu coboare sub curentul de men\inere IH ; acesta este echivalentul

curentului de vale de la TUJ.Aplica\ia tipic` a diacului este generarea unor pulsuri de

curent pentru comanda tiristoarelor ]i triacelor, [ntr-o schem` similar` unui oscilator de relaxare. Deexemplu, [n Fig. 6.37 pulsul de curent, fiind injectat [n poarta tiristorului, comand` deschiderea acestuia ]iastfel se controleaz` comutarea unor curen\i de zeci ]i sute de amperi.

I

+

_U U

I

00

Fig. 6.35. Diacul ]i caracteristica sa static`.

U

I

0

amorsareblocare

UBOUREZ

I H

Fig. 6.36. Salturile de amorsare ]iblocare eviden\iate [n cadranul I alcaracteristicii diacului.

+E

IC

Rtiristor

anod

catod

poarta

Fig. 6.37. Utilizarea diacului pentrucomanda tiristorului.


3.B. Tiristorul

Numit ]i diod` controlat` ([n limba englez` sefolose]te frecvent prescurtarea SCR - Silicon ControlledRectifier), tiristorul este un dispozitiv cu trei borne(Fig. 6.38). El poate s` permit` trecerea unor curen\ifoarte mari (de la amperi la sute de amperi, dup` tipulconstructiv) [ntr-un singur sens: de la anod la catod.Intrarea [n conduc\ie este comandat` prin injectarea [npoart` (gate [n lb. englez`) a unui curent mult mai micdec[t cel comandat.

Av[nd un terminal [n plus, poarta, ne a]tept`m caforma caracteristicii statice [ntre anod ]i catod s`depind` de curentul de poart`. La o valoarea nul` acurentului de poart` caracteristica anod-catod este una curezisten\` dinamic` negativ` (Fig. 6.39). Deosebirile decele [nt[lnite la TUJ ]i diac sunt numai cantitative:tensiunea de amorsare este foarte mare (peste 400 de vol\ila tiristorul cu care lucra\i) iar tensiunea rezidual` estefoarte mic` (aproximativ 1 V).

Tensiunea de amorsare are inten\ionat valori maripentru a nu putea fi dep`]it` accidental de tensiunile dincircuitele cu care se lucreaz`. Astfel, f`r` curent depoart`, tiristorul nu poate fi amorsat ]i el este echivalent

[ntre anod ]i catod cu un circuit [ntrerupt.Amorsarea tiristorului trebuie s` fie f`cut` numai la comanda [n poart`. Din figur` se observ` cum

cre]terea curentului de poart` mic]oreaz` valoarea tensiunii de amorsare. La o valoare a curentului depoart` suficient de mare, caracteristica anod catod este identic` practic cu aceea a unei diode, f`r` s` se maivad` por\iunea de "[ntoarcere". n aplica\iile practice curentul de poart` nu se modific` gradual. El estemen\inut nul dac` nu vrem s` amors`m tiristorul (ca [n Fig. 6.40 a), iar [n momentul [n care am decis s`-ltrecem [n conduc\ie, curentul de poart` este adus brusc la o valoare care s` determine amorsarea sigur`(desenul b al figurii). Din circuit deschis, tiristorul devine brusc diod` ]i curentul [ncepe s` circule.

ntreuperea ulterioar` a curentului de poart`, de]i produce revenirea tensiunii de amorsare la o valoarefoarte mare (Fig. 6.40 c), nu poate bloca tiristorul deoarece nu afecteaz` caracteristica [n zona [n care seg`se]te acum punctul de func\ionare. Singura posibilitate de blocare este cobor[rea curentului anod-catodla valori sub curentul minim de men\inere.

n concluzie,

tiristorul poate fi amorsat prin cre]terea curentului de poart` dar nu se mai bloccheaz` la revenirea la zero acurentului de poart`.

Blocarea tiristorului nu mai poate fi realizat` dec[t prin aducerea la zero a curentului anod-catod,tocmai curentul comandat, care este de valoare mare.

IG

anod

catod

poartaIAK

A

K

G

Fig. 6.38. Tiristorul.

00UAK

IAK

IG =0IG =9 mAIG =9.5 mA

Fig. 6.39. Caracteristica static` anod-catod atiristorului.


Din acest motiv, func\ionarea sa nu este echivalent` cu aceea a unui releu electromagnetic ([ntrerup`tormecanic controlat de bobina unui electromagnet) ]i el nu este utilizat, dec[t foarte rar, [n circuitele decurent continuu.

00UAK

IAK

00UAK

IAK

00UAK

IAK

tiristorul este blocattensiunea este insuficient`pentru amorsare

apari\ia unui curent [n poart`coboar` tensiunea de amorsarepunctul de func\ionare este obligats` sar` [n M (amorsare)

M

dispari\ia curentului de poart`

readuce forma ini\ial` a caracteristicii dar punctul de

(tiristorul r`m[ne amorsat)

a) b) c)

func\ionare r`m[ne in M

dreapta de sarcina dreapta de sarcina dreapta de sarcina

Fig. 6.40. Amorsarea tiristorului prin cre]terea curentului de poarta.

n cazul regimului sinusoidal, [ns`, curen\ii trec automat prin valoarea nul` de dou` ori [ntr-operioad`.. Tiristorului i se spune (printr-un puls de curent [n poart`) c[nd s` se amorseze iar el se blocheaz`singur la cobor[rea curentului anod-catod la valoarea zero.

3.C. Triacul

Triacul (Fig. 6.41), este un dispozitiv cu treiterminale, care are o func\ionare similar` cu aceea atiristorului. Deosebirea este c`

triacul conduce [n ambele sensuri.

Din acest motiv se mai nume]te ]i tiristor bilateral (de unde]i codificarea TB a produc`torului român IPRS). Astfel,bornele [ntre care circul` curentul comandat, de valori mari,se numesc am[ndou` anozi ([n literatura de limb` englez`se numesc simplu main terminals, terminale principale). C` ]i la tiristor, intrarea [n conduc\ie este comandat`prin curentul de poart`. De data aceasta, trebuie s` lu`m [n considera\ie rela\ia [ntre sensul curentului depoart` ]i al celui comandat. Pentru aceasta, se definesc, ca [n Fig. 6.42, patru cadrane de func\ionare. Nota\ialor complet`, care evit` orice confuzie, con\ine semnul tensiunii la terminalul principal 2 ]i semnul curentuluide poart` (considerat pozitiv c[nd intr` [n triac). Astfel, [n ordine cresc`toare, cele patru cadrane sunt T2+G+,T2+G-, T2-G- ]i T2-G+. Triacul poate fi amorsat [n oricare din acestea, dar sensibilitatea (valorea necesar` acurentului de poart`) este diferit`.

anod

poarta

G

A2

A1 anod

Fig. 6.41. Triacul.


Fig. 6.42. Definirea cadranelor pentru comanda triacului.

Situa\ia optim` (curen\i de comand` mai mici) se ob\ine atunci c[nd curentul de poart` ]i curentulcomanadat au [ntodeuana acela]i sens (cadranele I ]i III); func\ionarea [n cadranul IV este bine s` fieevitat`.

Aceasta [nseamn` c`, dac` pulsurile de comand` sunt produse cu o singur` polaritate, curentul trebuie s` fieabsorbit din poart`.

3.D. Variatoare de putere

Exist` multe situa\ii practice c[nd trebuie s` modific`m puterea pe o sarcin` alimentat` la tensiunealternativ` ([nc`lzirea cuptoarelor, varia\ia puterii unui motor electric, controlul luminii emise de un bec cuincandescen\`, etc.). Solu\ia utiliz`rii unui transformator reglabil (variac) este neeconomic` datorit`pre\ului mare al acestui dispozitiv. Intercalarea [n serie cu sarcina a unei rezisten\e reglabile de putere(reostat) aduce, [n plus, ]i dezavantajul disip`rii unei cantit`\i importante de energie. Existen\a tiristoarelor ]itriacelor face posibil` realizarea unor variatoare de putere care func\ioneaz` [n curent alternativ ]i careelimin` dezavantajele aminitite mai sus. Disipa\ia de putere pe elementul de control este mult redus`: [n stareblocat` curentul este practic nul iar [n stare de conduc\ie tensiunea rezidual` are valori mici (1 - 2 V).

Exist` dou` moduri complet diferite [n care pot func\iona variatoarele de putere.

n cazul variatoarelor cu und` plin` (static switches) triacul conduce un num`r [ntreg desemiperioade ]i apoi este men\inut blocat un alt num`r de semiperioade; prin modificarea raportului celordou` numere,este controlat` puterea medie pe sarcin`

Principiul acestui mod de control este reprezentat [n Fig. 6.43 a). Dezavantajul s`u este viteza mic` demodificare a puterii medii pe sarcin`. n figura anterioar`, amorsarea triacului este f`cut` sincron cu re\eaua,la [nceputul fiec`rei semialternan\e, dar [n circuitele economice, de puteri mici, poate fi f`cut` ]i asincron.

Al doilea mod de func\ionare se bazeaz` pe amorsarea triacului pe fiecare semialternan\`, dar cu[nt[rziere diferit`, ca [n Fig. 6.43 b).


tensiunede intrare

curentul de poarta

curentulprin sarcina

0

IAK

t

ϕ

IAK

00 180 360 (grade)

unghi de conductieunghi de intirziere

a) b)

Fig. 6.43. Controlul puterii cu und` plin` (a) ]i cu und` t`iat` (b).

n func\ionare cu und` t`iat` (sau cu control [n faz`), prin rezisten\a de sarcin` trece numai o"por\ie" din semilaternan\a curentului. Lungimea por\iei este controlat` prin momentul amors`rii.

Momentul amors`rii este caracterizat, a]a cum se vede[n figur`, de unghiul de [nt[rziere. Atfel, unghiul deconduc\ie poate fi modificat de la zero (putere nul` pesarcin`) p[n` la aproape 180o (aproximativ putereamaxim` disponibil`). Viteza cu care se poate controlaputerea medie este mai mare dar curentul prin sarcin`sufer` acum salturi rapide care produc perturba\iielectromagnetice.

Ambele moduri de func\ionare pot fi aplicateconsumatorilor care accept` salturi bru]te ale tensiuniiaplicate (becuri, rezisten\e de [nc`lzire) dar nu ]i celorpentru care varia\ia sinusoidal` este obligatorie (deexemplu, primarul transformatorului de alimentare alunui aparat de radio).

Principala problem` care trebuie rezolvat` esteproducerea pulsurilor de amorsare la o [nt[rzierecontrolat` fa\` de trecerea prin zero a tensiunii re\elei.De fapt, nu trebuie s` modific`m ungiul de conduc\iechiar pe [ntreg domeniul 0 - 180o, deoarece, a]a cum sevede [n Fig. 6.44, la un unghi de conduc\ie 30o putereape sarcin` este abia 3 % din cea maxim`, pe c[nd launghiul de 150o ea a ajuns deja la 97 %.

Fig. 6.44. Dependen\a de unghiul de conduc\ie atensiunii de pic (PEAK VOLTAGE), tensiuniiefective (RMS) ]i tensiunii medii (AVG), toatenormalizate la valoarea de 220 V. Estereprezentat`, de asemenea, puterea (POWER)normalizat` la valoarea sa maxim`).


Cea mai simpl` ]i comun` cale deproducere a pulsurilor de amorsare esteprin utilizarea unui oscilator derelaxare cu becuri cu neon, tranzistoareunijonc\iune sau diace. nc`rcareacondensatorului se face de la o tensiunesincron` cu re\eaua iar [nt[rzierea cucare se atinge pragul de amorsaredepinde de capacitatea condensatorului]i rezisten\a prin care se [ncarc`.

Un circuit tipic este cel dinFig. 6.45. Valoarea aleas` pentrucondensatorul C2 trebuie s` fie suficient

de mare pentru ca pulsul de curent s`amorseze cu siguran\` triacul. ngeneral, o capacitate de 47 nF - 100 nFeste suficient` pentru aceasta.

Efectul rezisten\ei R R1 2+ asupra momentului amors`rii are loc prin dou` prin dou` mecanisme. n

primul r[nd, gruparea rezisten\` - condensator poate fi privit` ca un divizor pentru semnale sinusoidale.Cre]terea valorii rezisten\ei produce mic]orarea amplitudinii ]i valoarea de amorsare este atins` mai t[rziu; [nconsecin\`, unghiul de conduc\ie scade, a]a cum se vede [n Fig. 6.46 a). De exemplu, la o valoare arezisten\ei de 350 kΩ, amplitudinea [n punctul M este de 28 V ]i valoarea de amorsare de 32 V nu mai esteatins`, unghiul de conduc\ie devenind zero. Dac` acesta ar fi singurul mecanism de ac\iune, nu s-ar puteaob\ine unghiuri de [nt[rziere mai mari de 90o ]i unghiul de conduc\ie nu ar putea ajunge [n intervalul0 - 90 o. n al doilea r[nd, gruparea RC produce o defazare [napoi a tensiunii sinusoidale, ca [n Fig. 6.46 b).De exemplu, la R R1 2+ = 32 kΩ, defazajul este de 45o; la [nt[rzierea produs` de primul mecanism se

adaug`, deci, ]i acest unghi.Analiza anterioar` a luat [n considerare o form` de und` sinusoidal`, dar amorsarea diacului face ca

poten\ialul nodului M s` nu evoleze sinusoidal; [n plus, la amorsarea triacului, tensiunea [ntre anozii s`iscade practic la zero ]i nici tensiunea la cap`tul rezisten\ei R1nu este sinusoidal`. n consecin\a, lucrurile sunt

mai complicate, ap`r[nd un fenomen de histerezis al reglajului puterii la mofificare valorii rezisten\ei: cutriacul blocat, la sc`derea rezisten\ei, se ob\in dintr-o dat` unghiuri de conduc\ie mari, urm[nd ca numai lacre]terea ulterioar` a rezisten\ei s` ajungem la unghiuri de conduc\ie mici. Diminuarea histerezisului se poateface modific[nd re\eaua de defazare, ca [n Fig. 6.47.

n sf[r]it, s` ne ocup`m de celelalte elemente care apar [n schemele variatoarelor. Inductan\a L1 ]icondensatorul C1 formeaz` un filtru de deparazitare care [mpiedic` perturba\iile produse de varia\ia brusc`

a curentului s` ajung` [n re\eaua de alimentare ]i s` afecteze func\ionarea altor consumatori (f`r` acest filtru,un aparat de radio pe unde medii nu ar putea fi utilizat [n apropierea variatorului).

Dac` tensiunea la bornele A1 ]i A2 ale triacului variaz` prea repede, triacul se poate amorsa f`r` s` fiecomandat [n poart` (autoamorsare prin efect dU dt ). Mic]orarea acestei viteze de varia\ie se face cugruparea serie R3 - C3 , numit` snubber [n limba englez`.

G

A2

A1

3.3 k

500 k

100 nF

220 V50 Hz

~

bec cuincandescen\`

M

C1

100 nF

C2

C 3

100 nF

R3100 Ω

R2

R1

L0.2 mH

Fig. 6.45. Variator de putere.


ϕ0

0 180 360(grade)

unghi de conduc\ie

momentul amors`rii

tensiuneade amorsarea diacului

poten\ialul [n M

ϕ0

0 180 360(grade)


potentialul [n M

a)

ϕ0

0 180 360 (grade)


ϕ0

0 180 360 (grade)


tensiunea re\elei

b)

momentul amors`riiunghi de conduc\ie

poten\ialul [n M

momentul amors`rii momentul amors`riiunghi de conduc\ie unghi de conduc\ie

poten\ialul [n M

Fig. 6.46. Efectul rezisten\ei asupra momentului amors`rii: prin modificarea amplitudinii (a) ]iprin defazare (b).

G

A2

A1

3.3 k

500 k

100 nF

220 V50 Hz

~

bec cuincandescen\`

M

C1

100 nF

C2

C3100 nF

R3100 Ω

R2

R1

L0.2 mH

G

A2

A1

3.3 k

500 k

100 nF

220 V50 Hz~

bec cuincandescen\`

M100 nF

C2

100 nF

100 Ω

L0.2 mH

C4

R4 15 k

15 k

D 1

D 2

a) b)

C1

R1

R2

R4

C3

R3

Fig. 6.47. Variatoare de putere f`r` histerezis.

Circuitele de comand` discutate au avantajul c` func\ioneaz` alimentate direct de la re\ea ]i nucomplic` aparatul cu alimentatoare suplimentare (transformatoare, redresoare, filtre...). n cazul [n care seurm`re]te realizarea unui sistem mai performant (ca, de exemplu, termostatarea unei incinte) sau sursele de


alimentare cu tensiune continu` sunt oricum utilizate, controlul amors`rii tiristoarelor sau triacelor poate fiefectuat cu circuite integrate specializate. Acestea permit controlul electronic al unghiului de deschidereprin intermediul unei tensiuni electrice. Astfel, circuitul βA145, produs de IPRS, controleaz` unghiul deconduc\ie [ntre 0 ]i 178o c[nd tensiunea sa de comand` evolueaz` [ntre 0 ]i 8 V, dependen\a fiind liniar`.

3.E. Redresoare controlate

Prima aplica\ie a tiristoarelor a fost legat` de redresare, din acest motiv ele fiind cunoscute [n literaturade limb` englez` ca "silicon controlled rectifiers" (rectifier [nseamn` redresor). Prin [nlocuirea cu tiristoare adou` diode dintr-o punte se ob\ine un redresor dubl` alternan\` comandat (Fig. 6.8 a). n absen\a pulsurilor decomand`, tiristoarele sunt blocate ]i curentul pe sarcin` este identic nul. La cealalt` extrem`, dac` tiristoarelear fi tot timpul amorsate, func\ionarea lor ar fi identic` cu aceea a unor diode ]i pe sarcin` am g`sibinecunoscuta tensiune de la redresarea dubl` alternan\` (desenul b al figurii).

0 t

Us

~U1

Us

+

_R s

D1 Tr 1

D2 Tr2

G1G2

0 t

Us

a)

b)

c)

Fig. 6.48. Redresorul controlat.

n func\ionare, [ns`, tiristoarele sunt amorsate cu un anumit unghi de [nt[rziere fa\` de [nceputulsemialternan\elor (ca [n Fig. 6.48 c) ]i, astfel, tensiunea medie pe sarcin` poate fi controlat` gradual [ntrezero ]i valoarea maxim` (care s-ar ob\ine cu puntea obi]nuit`). n figur` nu a fost reprezentat circuitul decomand` pentru por\ile celor dou` tiristoare. Acesta trebuie s` genereze pulsuri de curent cu [nt[rziererecontrolat`, la fel ca la variatoarele de putere discutate anterior.

Dezavantajul tiristoarelor de a conduce [ntr-un singur sens poate fi dep`]it prin utilizarea uneipun\i de diode, ca [n Fig. 6.49. Evolu\ia curentuluiprin sarcin` este similar` cu aceea furnizat` de unvariator de putere cu triac dar tiristoarele sefabric` pentru curen\i mai mari dec[t triacele (careajung numai pe la 10 A). De]i circuitul esteasem`n`tor cu cel de la redresorul dubl`alternan\`, trebuie remarcat c` aici tiristorul estecuplat [n locul unde era sarcina, pentru c` el nupoate conduce dec[t [ntr-un singur sens. nschimb, sarcina este acum legat` [naintea pun\ii,ea find alimentat` [n curent alternativ.

~D1

D2

220 V

sarcina

circuit decomand`

50 Hz

D3

D4

Fig. 6.49. Variator de putere dubl` alternan\` cu tiristor]i punte.



-Diacul este un dipol care are o caracteristic` simetric` cu regiuni cu rezisten\` dinamic`negativ`; tensiunea sa de amorsare este [n domeniul 30-40 V.

- Diacul are simbolul ]i este utilizat [n circuite alimentate direct de la re\ea pentruproducerea pulsurilor de curent necesare amors`rii tiristoarelor ]i triacelor.

- Tiristorul (sau dioda comandat`, SCR [n englez`) este un dispozitiv cu trei borne destinatcontrol`rii unui curent mare, care trece [ntr-un singur sens, de la anod la catod; controlul seefectueaz` prin intermediul curentului de poart`.

-Pentru tiristor se utilizeaz` simbolul

A

KG

- Caracteristica static` anod-catod a tiristorului are tensiunea de amorare suficient de marepentru a nu putea fi atins` [n aplica\ii; saltul de amorsare are loc numai la apari\ia unui curent depoart`, care coboar` tensiunea de amorsare la valori foarte mici (1 - 2 V).

- Dup` amorsare, dispari\ia curentului de poart` nu mai poate produce blocarea tiristorului;aceasta se poate face numai prin [ntreruperea curentului anod-catod; din acest motiv tiristorul esteutilizat rar [n aplica\ii la curent continuu.

- Aplica\ia tipic` a tiristorului este [n circuitele de curent alternativ; aici momentul amors`riieste controlat prin impulsul de curent [n poart` iar blocarea se face automat la trecerea prin zero acurentului.

- Triacul este un tiristor bilateral, la care curentul controlat poate s` circule [n ambele sensuri;

simbolul rezervat pentru el este G

A 1

A2 .- Comanda triacului se face printr-un terminal unic, numit poart`. Pentru a ob\ine sebsibilit`\i

mai bune, sensul curentului de poart` trebuie s` coincid` cu sensul curentului comandat.- La variatoarele de putere cu und` plin`, sarcina prime]te semialternan\e [ntregi ale tensiunii

alternative de alimentare: una din dou`, una din trei, ].a.m.d.; acest tip de control al puterii medii pesarcin` este lent.

- Principiul variatoarelor de putere cu und` tìat` const` [n alimentarea sarcinii cu por\iuni desemialternan\`, mai lungi sau mai scurte; fiecare din ele [ncepe la un moment dictat de pulsul decomand` ]i se sf[r]e]te la trecerea prin zero a curentului.

- Conntrolul puterii cu und` tìat` este mai rapid dar varia\iile bru]te ale curentului producperturba\ii electromagnetice.

- Circuitele care comand` variatoarele de putere cu und` tìat` furnizeaz` pulsuri de curent,sicronizate cu re\eaua de alimentare dar [nt[rziate fa\` de trecerea prin zero a acesteia; prinmodificarea unghiului de [nt[rziere se controleaz` unghiul de conduc\ie ]i, astfel, puterea medie pesarcin`.

-Pentru producerea acestor pulsuri se utilizeaz` dispozitive cu rezisten\` dinamic` negativ`:diace, becuri cu neon sau tranzistoare unijonc\iune.

- Dac` circuitul poate fi mai complicat ]i nu trebuie alimentat direct de la re\ea, pentruproducerea pulsurilor de comand` se pot utiliza circuite integrate specializate.


Termeni noi

-diac dipol care are o caracteristic` simetric` cu regiuni cu rezisten\` dinamic` negativ`; tensiunea sa de amorsare este [n domeniul 30-40 V ]i este utilizat pentru controlul amors`rii tiristoarelor ]i triacelor;

-tiristor dispozitiv cu trei borne, destinat control`rii [n regim de comuta\ie a unui curent mare, care trece [ntr-un singur sens, de la anod la catod; controlul se efectueaz` prin intermediul curentului de poart`;

-triac dispozitiv cu trei borne, similar cu tiristorul, dar la care curentul controlat trece [n ambele sensuri;

-variator de putere circuit care controleaz` puterea medie pe o sarcin`;-controlul puterii cu und` plin` control al puterii, realizat [n curent alternativ prin trimiterea pe

sarcin` numai a anumitor semialternan\e;-controlul puterii cu und` t`iat` control al puterii, realizat [n curent alternativ prin trimiterea pe

sarcin` a unor por\iuni de semialternan\e, mai lungi sau mai scurte; [n practic` se controleaz` momentul de [nceput al conduc\iei;

-unghi de [nt[rziere [nt[rzierea fa\` de [nceputul semialternan\ei, exprimat` [n grade, la care [ncepe s` circule curent prin sarcin`; o semialternan\a dureaz` 180o;

-unghi de conduc\ie durata, exprimat` [n grade, [n care curentul circul` prin sarcin`;-redresor comandat redresor la care c`ile de curent sunt controlate cu tiristoare, numite

]i diode comandate; astfel, sarcina prime]te curent de la redresor, pe fiecare semialternan\`, numai dup` amorsarea tiristoarelor;


Probleme propuse

P 6.3.1. La bornele circuitului din Fig. 6.50 se aplic` o tensiunecare evolueaz` [n timp conform desenului. Diacul are tensiunea deamorsare de 38 V ]i curentul de men\inere de 0.5 mA. Determina\i ]ireprezenta\i grafic evolu\iile [n timp a tensiunii la bornele diacului ]i acurentului.

P 6.3.2. La circuitul din Fig. 6.49, care este un variator de puterecu tiristor ]i punte de diode nu am desenat explicit circuitul decomand`. Acesta este legat [ntre anodul ]i catodul tiristorului unde, cutiristorul blocat, tensiunea este cea ob\inut` de la o punte dubl`alternan\` . Din acest motiv, putem utiliza pentru comand` un oscilatorde relaxare sincronizat, cu tranzistor unijonc\iune (Fig. 6.51), ca celstudiat la problema P 6.2.2. Formele de und` desenate sunt valabilec[nd tiristorul este blocat.

a) Dup` c[t timp de la [nceperea unei semialternan\e dioda Zener[ncepe s` limiteze tensiunea ? Exprima\i acest timp [n grade(o semialternan\` are 10 ms ]i 180o).

b) Presupun[nd c` tranzistorul unijonc\iune are un raport de divizare intrinsec de 0.5, calcula\i valoarearezisten\ei R astfel [nc[t amorsarea tranzistorului s` se produc` cu o [nt[rziere de 30o de la [nceputulsemialternan\ei (\ine\i seama ]i de [nt[rzierea ob\inut` la punctul precedent).

c) Calcula\i valoarea rezisten\ei R necesar` pentru un unghi de [nt[rziere de 150o ?d) Ce procent din puterea maxim` ajunge pe sarcin` [n cazurile celor dou` puncte precedente ?

(utiliza\i graficul din Fig. 6.44)

100 nF

100 kDz

12 V

6.8 k2 W

1 k

100 Ω

la puntea dediode

R

0

311 V

0

12 V

Fig. 6.51.

E (V)

1 k

E+_

0 20 40 60 80 1000

1020304050

t (ms)-10-20-30-40-50

Fig. 6.50.


Lucrare experimental`

Experimentul 1. Caracteristica static` a diacului

Vom [ncerca aici s` explor`mcaracteristica static` a diacului ]i s` vedem cuochii no]tri salturile ]i parcurgerea ei cuhisterezis, a]a cum am discutat la Sec\iunea6.1 despre dispozitive cu rezisten\` dinamic`negativ`. Pentru aceasta, vom avea nevoie decircuitul din Fig. 6.52. n st[nga ave\i un bloccare furnizeaz` o tensiune continu`,reglabil` cu un poten\iometru [ntre- 50 V ]i +50 V. Acest bloc este deja realizatpe plan]et`, nu trebuie dec[t s`-i furniza\itensiunea alternativ` necesar`, dinsecundarul transformatorului (traseelealbastre) de pe plan]eta cu variatorul deputere cu tiristor. De asemenea, circuitulconst[nd [n rezisten\a R1 de

2 kΩ, diac ]i rezisten\a R2 de 20 Ω este ]i el

gata construit ]i a]teapt` doar s`-l completa\i cu un conductor la borna B ]i s`-l lega\i la sursa de tensiunereglabil`.

Rezisten\a R1 are rolul de a limita curentul, ea fiind rezisten\a de sarcin` de la discu\ia caracteristicii

statice. Vom determina punctul static [n care se g`se]te circuitul (tensiunea pe diac ]i curentul) cu ajutorulunui osciloscop; el are avantajul c` r`spunde foarte rapid (mult mai rapid dec[t am putea noi s` citimindicatiile unui aparat de m`sur`) ]i poate afi]a pe ecran chiar forma caracteristicii.

Osciloscopul este un voltmetru care are [n general dou` canale, notate cu YA ]i YB ]i afi]eaz` peecran dependen\a de timp a tensiunilor prezente la intr`rile canalelor; pentru aceasta, spotul (punctulluminos) se deplaseaz` periodic pe axa X, cu vitez` constant`. Aparatul poate func\iona [ns` ]i [n modul XY;pentru varianta cu care ve\i lucra pozi\ia spotului pe axa X este controlat` de tensiunea de intrare a canaluluiB, canalul A r`m[n[nd s` controleze pozi\ia pe axa Y a ecranului.

Cele dou` intr`ri ale osciloscopului au, datorit` principiului de construc\ie o born` comun`, masa. Elenu m`soar` deci dec[t tensiuni fa\` de mas`. Din acest motiv, pentru vizualizarea caracteristicii staticefolosim un truc. Cum pe axa Y trebuie s` avem informa\ia de curent, o convertim [ntr-o tensiune fa\` de mas`prin intercalarea rezisten\ei R2 . Vom lega intrarea canalului A (el controleaz` deplasarea pe axa Y) [n

punctul A de pe schem`, av[nd rela\ia de coresponden\`

U IY diac= ⋅20Ω .

Mai r`m[ne s` aplic`m pe canalul B tensiunea de pe diac. Masa osciloscopului este legat` la masamontajului ]i dac` leg`m intrarea canalului B al osciloscopului [n punctul B al montajului, el va m`sura, defapt suma dintre tensiunea de pe diac ]i cea de pe rezisten\a R2 . Nu este ceea ce dorim, dar putem alegerezisten\a R2 at[t de mic` [nc[t contribu\ia ei s` fie neglijabil` I R Udiac diac⋅ <<2 ]i astfel tensiunea v`zut`

de canalul B s` fie practic tensiunea pe diac.

poten\iometru

-50 V ... +50 V

~

sursa de tensiunereglabil`

A

B

canalul A (Y)al osciloscopului

canalul B (X)al osciloscopului

masaosciloscopului

R1

R 2

2k Ω

20 Ω

Fig. 6.52. Circuitul pentru explorarea caracteristiciistatice a diacului.


Observa\ie: Mic]orarea rezisten\ei R2 face ca tensiunea culeas` de canalul A s` devine mic` dar

osciloscopul are posibilitatea modific`rii independente a sensibilit`\ii fiec`rui canal [ntr-un domeniu extremde larg (tipic [ntre 5 mV/div ]i 20 V/div).

Dup` ce a\i legat unde trebuie sondele osciloscopului, trece\i-l pe modul XY ]i, f`r` tensiune aplicat`la cap`tului lui R1 , regla\i pozi\ia spotului [n mijlocul ecranului. Stabili\i sensibilitatea la 10 V/div pe canalul

B (care m`soar` tensiunea pe diac) ]i 20 mV/div pentru canalul A. Aplica\i tensiunea continu` la cap`tul desus al rezisten\ei R1 ]i roti\i poten\iometrul aduc[nd tensiunea pe diac la zero (spotul [n mijlocul ecranului).

Calcula\i c[t [nseamna [n valori de intensitate, o diviziune pe axa vertical` ]i preg`ti\i-v` s` desena\idetaliat cadranul I al caracteristicii. ncepe\i rotirea lent` a poten\iometrului, deplas[nd spotul spre dreapta.|ine\i seama c` o diviziune (p`tratul de pe scal`) [nseamn` 10 V ]i observa\i ce se [nt[mpl`. Dac` saltul afost prea rapid ]i nu a\i avut timp s` re\ine\i ultima valoarea a tensiunii dinainte de salt, relua\i procesul,plec[nd din nou de la tensiune zero. Determina\i, astfel, tensiunea de amorsare. Desena\i pe graficuldumneavoastr`, cu linie continu`, por\iunea de caracteristic` pe care diacul era blocat.

M`sura\i cu precizie coordonatele (tensiune ]i curent) ale punctelor de [nceput ]i sf[rsit ale saltului deamorsare. Desena\i acest salt pe grafic, cu linie punctat`. Verifica\i c` el se face pe linia dreptei de sarcin`(cunoa]te\i valoarea acesteia !)

Dup` amorsare, continua\i s` roti\i poten\iometrul [n acela]i sens, cresc[nd tensiunea E . Ce se [nt[mpl`cu tensiunea pe diac ? Nota\i-v` aceas` valoare, ea este tensiunea rezidual`. Desena\i ]i aceast` por\iune decaracteristic`, cu linie continu`.

Dup` ce a\i ajuns cu poten\iometrul la cap`t, roti\i-l [ncet [n sens invers. Desena\i restul din regiuneade conduc\ie, care apare acum. Observa\i, apoi, saltul de blocare ]i desena\i-l ]i pe el.. Pentru a-l vedea maibine, m`ri\i sensibilitatea pe axa Y. Determina\i cu precizie coordonatele capetelor sale ]i verifica\i c` ]iacest salt se efecteaz` pe linia dreptei de sarcin`. M`sura\i valoarea curentului de men\inere ]i nota\i-o pecaiet.

Efectua\i acum de mai multe ori cele dou` salturi rotind poten\iometrul [nainte ]i [napoi. Trage\i oconcluzie asupra modului [n care evoleaz` diacul pe diferitele por\iuni din caracteristic` ]i formula\i-o [nscris.

Dup` ce a\i [n\eles ce se [nt[mpl` [n cadranul I al graficului curent-tensiune, roti\i poten\iometrul astfel[nc[t s` produce\i amorsarea diacului [n sensul cel`lalt al curentului (cadranul III al graficului). Estefunc\ionarea sa simetric` ?

Trasarea automat` acaracteisticii

Deplasarea manual` a punctului defunc\ionare a fost necesar` pentru a puteaface diferen\a [ntre evolu\ia pecaracteristic` ]i salturi. Dispozitivulevolueaz` cuasistatic ]i la viteze mult maimari, pute\i [ncerca acest lucru rotindrapid poten\iometrul sau g`sind otensiune care s` fac` acest lucru [n loculdumneavoastr`, adic` s` evoluezeperiodic [ntre -50 V ]i 50 V. Aceast`tensiune o ave\i deja, este tensiuneaalternativ` cu care a\i alimentat sursa detensiune continu`. Pentru aceasta,

poten\iometru

~

sursa de tensiunereglabil`

A

B

canalul A (Y)al osciloscopului

canalul B (X)al osciloscopului

masaosciloscopului

R1

R 2

2k Ω

20 Ω

Fig. 6.53. Circuit pentru trasarea automat` a caracteristiciistatice a diacului.


desface\i leg`tura sursei continue de la cap`tul de sus al rezisten\ei R1 ]i lega\i aici chiar cap`tul

secundarului transformatorului, ca [n desenul din Fig. 6.53. De data aceasta, tensiunea E va evolua automat[ntre -50 V ]i 50 V cu o frecven\` de 50 Hz. La aceste viteze, iner\ia ochiului ne ofer` un efect interesant:vizualizarea traiectoriei punctului de func\ionare, adic` imaginea caracteristicii. Deoarece salturile sunt foarterapide, [ntre capetele lor apare o linie pu\in luminoas`, care este de fapt numai traiectoria spotului, el nefiinddestul de rapid ca s` urm`reasc` evolu\ia curentului ]i tensiunii pe diac. Desena\i din nou caracteristicastatic`, de data aceasta [n ambele cadrane. Completati desenul cu sensurile de parcurgere pe care le-a\i aflat laparcurgerea manual` a caracteristicii.

Experimentul 2. Diacul [n curent alternativ

Studiem [n continuare circuitul de la experimentul precedent: un diaclegat [n serie cu un rezistor ]i, alimentate la o tensiune alternativ` sinusoidal`(Fig. 6.54). Pentru a [n\elege ce se [nt[mpl`, reciti\i problema rezolvat` de lasf[r]itul sec\iunii 6.1 ]i problema P 6.3.1 de la aceast` sec\iune.

Trece\i osciloscopul [n func\ionare normal` (deplasarea automat` aspotului pe axa X cu vitez` constant`) ]i vizualiza\i dependen\a de timp atensiunii ]i curentului. Ajusta\i viteza de baleiere (baza de timp) astfel [nc[t s`ave\i pe ecran 1-2 perioade. Desena\i sincron (unul sub altul, cu aceea]i ax`orizontal`) aceste grafice (este bine s` v` desena\i, mai [nt[i, cu linie punctat`,ni]te sinusoide). Explica\i evolu\ia tensiunii ]i curentului [n timp, ar`t[nd pegrafice intervalele [n care diacul este blocat sau amorsat.

Explica\i de ce dac` [nmul\im cu o constant` adecvat` dependen\a de timpa curentului ]i o adun`m cu aceea a tensiunii ob\inem o sinusoid`. Pute\i utiliza aceast` observa\ie pentrudeducerea imediat` a formei de und` a curentului, dup` ce a\i determinat-o pe aceea a tensiunii.

Experimentul 3. Amorsarea ]i blocarea tiristorului

Ve\i investiga acum comportarea unui tiristor de 1 A care rezist` la o tensiune de cel pu\in 400 V. Mai[nt[i ve\i [nv`\a s`-l amorsa\i ]i s`-l bloca\i [n curent continuu. Ave\i pe plan]et` un circuit ca [n Fig. 6.55.Alimenta\i circuitul de la o surs` de tensiune continu` cu valoarea de 20 V. Observa\i ]i nota\i starea becului.Cupla\i apoi ]i sursa de alimentare din poarta tiristorului, dup` ce a\i reglat la zero tensiunea sa.

Ave\i un curent nul prin poart`. Verifica\i [nc` o dat` dac` becul este aprins sau nu ]i [ncepe\i s`cre]te\i [ncet curentul de poart` prin m`rirea tensiunii sursei VA2 . Observa\i ce se [nt[mpl` la o anumit`

valoare a curentului de poart` ]i nota\i aceast` valoare. Dac` nu a\i avut timp s` nota\i valoarea, [ntrerupe\ialimentarea plan]etei, alimenta\i-o din nou ]i relua\i procesul. Formula\i [n scris aceast` observa\ie.

Dup` aprinderea becului, mai avem nevoie de curentul de poart` ? Pentru a r`spunde la aceast`[ntrebare [ntrerupe\i circuitul de poart` (desface\i leg`tura [ntre miliampermetru ]i punctul B). S-a blocattiristorul ? Formula\i o concluzie [n privin\a a ceea ce putem face prin curentul de poart`.

Nici formularea concluziei nu ne-a ajutat s` stingem becul. n absen\a curentului de poart`, [ncerca\io solu\ie de "for\` brut`": [ntrerupe\i chiar ]i pentru un timp foarte scurt curentul prin bec sco\ind firul dealimentare a pl`cii. La revenirea alimentarii tiristorul mai este amorsat ? Formula\i o concluzie asupramodului [n care pute\i bloca un tiristor deja amorsat.

I+

_U

R

~

Fig. 6.54.


I G anod

catodpoarta

A

KG

mA

+20 V

1 Ω

R G

B

bec cu incandescen\`

+-

-+

0..10 V

1 k ΩV A1

V A2

C

Fig. 6.55.Circuit pentru studiul amors`rii ]i bloc`rii tiristorului.

Este nevoie s` anul`m curentul prin bec sau doar curentul prin tiristor ? Noi i-am anulat pe am[ndoipentr` c` becul era [n serie cu terminalul de anod al tiristorului. Putem [ncerca un truc. Amors`m tiristorul,anul`m curentul de poart` dar nu mai [ntrerupem alimentarea. n schimb facem un scurtcircuit [ntre anod ]icatod. Becul continu` s` ard` deoarece curentul care [nainte trecea prin tiristor circul` acum prin s[rma cucare am realizat scurtcircuitul. Prin tiristor [ns` nu mai circul` curent. Desface\i scurtcircuitul. ]i mai aduceaminte tiristorul c` era [n conduc\ie ? Formula\i o concluzie.

Noi am men\inut curentul nul prin tiristor un timp destul de lung. Putem [ncerca ]i altceva. Amorsa\itiristorul ]i apoi anula\i curentul de poart`. Nu vom mai scurtcircuita cu un conductor bornele de anod ]icatod. n schimb vom lega [ntre ele un condensator dec`rcat complet (cu tensiune nul`). l ave\i peplan]et` [n dreapta. Scurtcircuita\i-i pentru un anumit interval bornele ca s` v` asigura\i c` este desc`rcat.Apoi lega\i-l la anodul tiristorului amorsat (celalt` born` este legat` constructiv la catod). Ce se [nt[mpl` cubecul ? Formula\i o explica\ie.

n [ncheierea experimentului formula\i o concluzie general` asupra modului [n care poate fi amorsat ]iapoi blocat un tiristor.

Experimentul 4. Caracteristica static` a tiristorului

Pentru trasarea automat` a caracteristicii statice a tiristorului vom utiliza un circuit (Fig. 6.56) similarcu cel de la diac. Singura deosebire este c` acum avem un terminal [n plus, poarta, prin care vom trimite uncurent constant. Dup` ce v-a\i copiat schema circuitului, alimenta\i cu tensiune alternativ` de latransformatorul pl`cii cu variator cu tiristor (traseele albastre). Trece\i osciloscopul [n modul XY, aduce\ispotul [n mijlocul ecranului ]i lega\i intr`rile A ]i B ale osciloscopului la circuit.

ncepe\i cu un curent de poart` egal cu zero. Cum arat` forma caracteristicii ? De ce nu observa\ipunctul de [ntoarcere (amorsarea) ? Aminti\i-v` c` ave\i un tiristor de 400 V. Cre]te\i apoi [ncet curentul depoart`. La un moment dat, punctul de [ntoarcere "intr` [n ecran" venind din dreapta. Desena\i caracteristicapentru dou` valori diferite ale curentului de poart`. Formula\i [n scris o concluzie despre influen\a curentuluide poart` asupra tensiunii de amorsare.

Cre]te\i curentul de poart` p[n` c[nd caracteristica devine asem`n`toare cu aceea a unei diode.Desena\i-o ]i nota\i curentul de poart` la care se [nt[mpl` acest lucru. M`sura\i valoarea tensiunii reziduale.


I Ganod

catod

poarta

A

KG

mA

1Ω

R GB

canal X (prin Y B

canal Y

bec cu incandescen\`

+_ 0..10 V

~

masa osciloscopului

A

)

Fig. 6.56. Circuit pentru trasarea automat` a caracteristicii statice anod-catod a tiristorului.

Experimentul 5. Variatorul de putere cu tiristor

Exist` o multitudine de variante de circuite care controleaz` momentul apari\iei pulsurilor de comand`a amors`rii. n schema realizat` pe plan]et` ]i prezentat` [n Fig. 6.57, modificarea valorii rezisten\ei Rschimb` defazajul tensiunii [ntre punctele M ]i N , amplitudinea sa r`m[n[nd constant`. Astfel, dioda D sedeschide mai devreme sau mai t[rziu, aplic[nd pe poart` curentul necesar amors`rii. Rezisten\a de 1 Ω a fostintrodus` ca ]i la experimentele anterioare pentru a putea vizualiza evolu\ia curentului. Valoarea ei estesuficient de mic` astfel [nc[t c`derea de tensiune la bornele sale s` fie neglijabil` fa\` de tensiunea anodcatod.

220 Vef

~K

G

A

MN

R

C

1 Ω

Fig. 6.57. Variator de putere cu tiristor.


Cupla\i ]techerul la re\eaua de alimentare a laboratorului (220 V, 50 Hz) ]i roti\i axul poten\iometrului,observ[nd modificarea intensita\ii luminoase a becului montat ca sarcin`. Vizualiza\i pe cele dou` canale aleosciloscopului evolu\ia [n timp a tensiunii anod catod ]i a curentului prin sarcin`, pentru diverse pozi\ii alepoten\iometrului. Dac` nu reu]i\i s` descoperi\i cum trebuie legat osciloscopul, [ntorce\i-v` la schema dinFig. 6.56: trebuie s` utiliza\i acela]i principiu. Conduce tiristorul pe am[ndou` semialternan\ele ?

Alege\i o pozi\ie a poten\iometrului pentru care unghiul de deschidere are o valoare intermediar` ]i,desena\i cele dou` forme de und`, ale curentului ]i ale tensiunii, sincron, una sub cealalt` (mai [nt[i desena\ipunctat c[te o sinusoid` pe fiecare grafic ]i liniile verticale corespunz`toare salturilor). Nota\i intervalele [ncare tiristorul este blocat sau conduce ]i calcula\i, aproximativ, unghiul de deshidere.

Explica\i de ce blocarea tiristorului are loc [nainte de trecerea prin zero a tensiunii de alimentare.Determina\i valoarea curentului de men\inere ]i, de asemenea, a tensiunii reziduale.

Modifica\i valoarea unghiului de deschidere ]i desena\i din nou graficele.

Experimentul 6. Variatorul de putere cu triac

220 Vef

~A1

A2G

Triac

Bec

P

R1 R2 R3

C1

C2

D 1 Ω

Fig. 6.58. Variator de putere cu triac.

Circuitul din Fig. 6.58, pe care [l ave\i realizat pe plan]et`, este un circuit tipic utilizat pentru controlulputerii becurilor cu incandescen\`. Pentru a evita riscul unor electrocut`rii, el a fost construit s` func\ionezela o tensiune mai mic` dec[t 220 V. Rezisten\a de 1 Ω a fost introdus` ca ]i la experimentele anterioarepentru a putea vizualiza evolu\ia curentului. Valoarea ei este suficient de mic` astfel [nc[t c`derea de tensiunela bornele sale s` fie neglijabil` fa\` de tensiunea anod catod.

Utiliz[nd cele dou` canale ale osciloscopului, vizualiza\i simultan evolu\ia [n timp a curentului prinsarcin` ]i a tensiunii [ntre anozii triacului. Formula\i o concluzie asupra diferen\ei de comportare [ntre tiristor]i triac. Determina\i valorile curentului de men\inere ]i a tensiunii reziduale.

Desena\i sincron aceste forme de und`. ncerca\i s` justifica\i c` dac` le [nmul\im cu constanteadecvate ]i le adun`m, ob\inem o sum` care este o sinusoid`.


Pagin` distractiv`

Dup` ce ai citit c[teva c`r\i ]i manuale str`ine, ceea ce te uime]te c[nd revii la manualele scrise pe lanoi este pre\iozitatea limbajului, stilul "academic", parc` mai accentuat pe m`sur` ce v[rsta cititorului c`ruia ise adreseaz` este mai mic`. Autorii respectivi nu ar scrie nici [n ruptul capului "rezistorul R2 trage [n sus

poten\ialul punctului M" sau "din circuitul integrat este absorbit un curent pe la borna 5". Complicarea inutil`a limbajului [ncearc` de multe ori s` ascund` ne]tiin\a autorilor respectivi ]i conduce la afirma\ii false, ca s`nu spunem aberante. Iat` ce ne spun autorii unui manual de liceu1 despre alimentatoarele electronice

"n practic`, montajele electrice ]i electronice pot fi alimentate ]i de la surse (alimentatoare)electronice, a c`ror rezisten\` intern` variaz` neliniar, deci nu putem aplica legea lui Ohm".

Care va s` zic`, pentru a putea aplica legea lui Ohm ar trebui ca rezisten\a intern` s` varieze liniar. Neajunge at[t, nici nu ne mai [ntreb`m [n raport cu ce variabil`.

La c[teva pagini distan\`, autorii []i imagineaz` cum ar sta lucrurile cu adaptarea de impedan\`,necesar` transferului maxim de putere:

"n circuitele cu curen\i de mic` intensitate ([n radiotehnic`, telecomunica\ii), se spune c` rezisten\areceptorului este adaptat` la rezisten\a generatorului. Aceast` condi\ie r`m[ne valabil` ]i [n regim variabil (aiauzit, probabil, c` "rezisten\a [n regim variabil" a difuzoarelor sau a boxelor trebuie s` fie egal` cu cea aamplificatorului, deoarece, [n caz contrar, puterea acustic` real` este mai mic` dec[t valoarea nominal`[nscris` [n prospectul amplificatorului de c`tre firma constructoare)."

n ciuda limbajului foarte serios (puterea acustic` real`, etc.), realitatea se [nc`p`\[neaz` s` fie altfel. nradiotehnic` ]i telecomunica\ii "rezisten\ele" chiar sunt adaptate (nu numai "se spune" cum afirm` speciali]tiino]tri) nu pentru c` avem "curen\i de mic` intensitate" ci pentru c` frecven\ele sunt mari, circuitele sunt cuparametri distribui\i iar adaptarea se face cu impedan\a caracteristic` a liniei de transmisie (a cablului). C[tdespre exemplul din audiofrecven\` cu egalitatea dintre impedan\a difuzorului ]i cea a amplificatorului,suntem [n plin suprarealism. Pute\i oric[nd [nlocui difuzorul de 8 Ω cu unul de 4 Ω, puterea ob\inut` va fi maimare ]i [n consecin\` vor cre]te distorsiunile ]i s-ar putea s` distruge\i amplificatorul prin supra[nc`lzire.Nici vorb` de egalitatea impedan\elor, aceea a amplificatorului este mult mai mic`.

tim c` prin consumatoare curentul circul` de la poten\ial ridicat la poten\ial cobor[t, pe c[nd [ngeneratoare curentul trece de la poten\ial cobor[t la poten\ial ridicat; putem s` \inem minte u]or acest lucruprin analogie cu sistemele hidraulice. Iat` c[t de complicat apare aceasta [n manualul citat mai sus:

"Tensiunea la borne (de la poten\ialul mai mare c`tre poten\ialul mai mic) are acela]i sens ca ]iintensitatea curentului prin dipolii pasivi (prin rezistorul R , de exemplu) ]i sens opus prin dipolii generatori,activi". Nu putem da vina numai pe autorii respectivi, aproape [n toate textele de electrocinetic` de pe la noise define]te un sens pentru tensiunea electric` [n loc s` se spun` simplu c`, de exemplu, poten\ialul punctuluiM este mai ridicat dec[t al punctului N. Se deseneaz`, astfel, tot felul de s`ge\i, inclusiv pe sursele detensiune, [n loc s` se scrie binecunoscutele semne + ]i - . De ce aceast` op\iune ? Pentru a putea formularegulile mnemotehnice ce constituie [n aceste texte "legea a II-a a lui Kirchhoff E I Rk k k=∑ ∑ ".

1 ***, "Fizic` - Manual pentru clasa a X-a, F1", Editura Teora Educa\ional, Bucure]ti, 2000, pag. 97.

Cap.6-Dispozitive Cu Rezistenta Dinamica Negativa

Documents

Transcript of Cap.6-Dispozitive Cu Rezistenta Dinamica Negativa