1

Introducere în electronică ...................................................................................... 2 Cap. II. Elemente de circuit ........................................................................................ 4

II.1 Rezistorul .......................................................................................................... 4 II.2 Condensatorul .............................................................................................. 4

II.2.1 Vectorii asociaţi tensiunii si curentului ................................................... 5 II.2.2 Puterea instantanee ................................................................................... 6 II.2.3 Variaţia in timp a energiei acumulate in câmpul electric ......................... 6

II.3 Bobina................................................................................................................ 8 II.3.1 Vectori asociaţi tensiunii si curentului...................................................... 8

II.3.2 Puterea activa. ........................................................................................... 9 II.3.3 Variaţia in timp a energiei magnetice ....................................................... 9

II.4. Dioda............................................................................................................... 11

II.4.1 Modelul diodei cu sursă ideală de tensiune ............................................ 13 II.4.2 Modelul diodei pentru semnal mic ......................................................... 14

II.4.3 Dioda semiconductoare........................................................................... 16 II.4.3.1 Caracteristica statică ............................................................................ 16 II.4.3.2 Mecanismul microscopic al funcţionării unei diode semiconductoare 17

II.4.4 Dioda Zener ............................................................................................ 17 II.4.5 Dioda Tunel ............................................................................................ 18

II.5 Tranzistorul cu amplificator ......................................................................... 18 II.5.1 Funcţionarea tranzistoarelor npn ................................................................... 19

II.5.1.4 Polarizarea simultană a celor două joncţiuni ....................................... 20

II.5.2 Funcţionare tranzistoarelor pnp .............................................................. 20 II.5.3 Simboluri.Tehnologie.Funcţionarea tranzistorului conectat într-un circuit 21

II.5.4 Tipuri de conexiuni ................................................................................. 22 II.5.5 Circuitul echivalent al tranzistorului la semnale mici ............................ 23

Cap.III. Dispozitive optoelectronice semiconductoare ........................................... 24

III.1 Fenomene fizice care stau la baza funcţionări dispozitivelor

optoelectronice.................................................................................................... 24

III.1.1 Interacţiunea radiaţiei electromagnetice cu corpul solid. ...................... 24 Absorbţia radiaţiei electromagnetice în corpul solid ........................................ 24 III.1.2 Recombinarea radiativă purtătorilor de sarcină în corpul solid.Emisia

radiaţiei luminoase în semiconductoare ................................................................... 26 III.2 Tipuri de dispozitive optoelectronice ....................................................... 27

III.2.1 Fotorezistenţa ........................................................................................ 27 III.2.2 Fotodioda ............................................................................................... 28 Fotodioda .......................................................................................................... 29

III.2.3 Fotoelementul ........................................................................................ 29 III.2.4 Fototranzistorul...................................................................................... 30

III.2.5 Fototiristorul .......................................................................................... 31 III.2.6 Dioda electroluminescentă (LED) ......................................................... 31 III.2.7 Fotocuplorul .......................................................................................... 32

Cap. IV. Simularea numerică a circuitului......................................................... 34 IV.1 INTRODUCERE...................................................................................... 34

IV.2. Instrucţiuni utilizate în Pspice ................................................................. 40 Cap. V. Protecţia Muncii ...................................................................................... 48

BIBLIOGRAFIE ........................................................................................................ 53

2

Introducere în electronică

Azi, ştiinţa si tehnologia electronicii face ca ,computerele să funcţioneze. Aceste aparate execută calcule complexe in fracţiuni de secunda si care ceva timp in

urma presupuneau ore întregi de lucru cu cifrele .Pasul de la magnetism la electricitate si electronica a fost uriaş. Aceasta experimentare ne-a permis noua sa lansam vehicule spaţiale care luau monstre despre planete depărtate si ne transmiteau imagini cu

privire la luna lor. Aşa ca noi putem spune ca finalmente efectele magnetismului ne-a îndreptat pe noi spre astre.

Busola: Finalmente folosirea zăcământului (minereului) ca si busola a devenit important: de exemplu poate fi montat intr-un vagon. Busola –minereu poate fi făcută sa se întoarcă

uşor cu precizie ca unul dintre capete sa arate Nordul. Acest tip de material feros are polii permanenţi .Un capăt întotdeauna arata nordul si celălalt sudul. Mai târziu

experimentele au arătat ca polii identici se resping si polii diferiţi se atrag acest concept sta la baza magnetismului. Busolele au fost folosite de comandanţii militari in timpul Dinastiei Han , o grupare

conducătoare care a consolat China. Pietrele minereu nu au fost folosite in navigaţia vapoarelor .Abia in sec. al -XIII-lea navigatorii chinezi au folosit busola pentru prima

data. Ei pana atunci descoperiseră ca un ac poate fi magnetizat si folosit intr-o busola prin frecarea lui cu piatra minereu. Navigatorii arabi au văzut avantajele busolei, le-au adaptat si le-au adus in Europa.

Aceasta a rezultat in marea perioada de exploatare europeană. Pentru prima data marii navigatori au putut uşor sa-si găsească calea pe mari fără sa se ghideze de ţărm.

Christofor Columb a folosit busola fără îndoială când a părăsit Spania încercând sa găsească o cale , o ruta mai uşoară pentru a ajunge in India. Aceasta a dus la descoperirea Americii.

William Gilbert: Studiul efectelor magnetismului au continuat darn u s-au făcut progrese remarcate

pana la William Gilbert 1540-1603.El a trăit in Anglia in timpul lui Shakespeare si a fost unul din doctorii reginei Elisabeta.Ca si mulţi alţi doctori ai vremii sale , Gillbert a fost deosebit de interesat de magnetism . el a ajuns la concluzia ca din timp ce

magnetismul avea efecte asupra obiectelor , el putea avea puteri vindecătoare si pentru corpul uman.

El a descoperit ca multe substanţe alături de chihlimbar puteau atrage obiecte foarte uşoare darn u toate dintre ele puteau atrage obiecte in acelaşi grad . El a descoperit şi alte importante fapte in timpul studiilor sale , şi ca nu căldura degajata prin frecare

făcea chihlimbarul să atragă obiecte foarte uşoare ci fricţiunea. Ben Franklin:

In jurul anului 1746 un profesor din Europa si-a extins lecturile pe tema electricităţii in coloniile americane . Benjamin Franklin (1706-1790)era curios cu privire la orice . Se spune ca a pornit prima revista in tara sa . El a inventat cuptorul care-i poarta

3

numele . El a pornit prima biblioteca circulanta si prima societate ştiinţifică . El a fost de-asemenea ambasadorul Americii in Franta.Ca rezultatul propriilor experimente

Franklin a concluzionat ca existau doua tipuri de electricitate : pozitiva sau plus(+) si negative sau minus(-).A spus ca electricitatea nu a fost creata prin frecarea unui tub de

sticla ci era doar transferata . El a continuat cu afirmaţia ca atunci când un obiect ne electrizat era frecat făcea unul dintre doua lucruri . Ori câştigă electricitate si ajungea la starea pozitiva oi pierdea ceva din fluidul electric lăsând obiectul intr-o stare

negative . Aceasta idee ca electricitatea putea fi creată sau distrusă a fost foarte importantă.

Benjamin Franklin a fost un experimentator serios si a făcut multe descoperiri valoroase . El s-a făcut cel mai bine cunoscut pentru experimental sau cu zmeul de hârtie .In 1752 Franklin si-a înălţat zmeul intr-o zi in care o furtuna era pe cale sa

izbucnească .In partea de sus a zmeului el a poziţionat un cablu îndreptat spre cer .La celalalt capăt al atei (frânghiei) el a legat o cheie metalica . Când a început sa ploua

aţa uda a început sa conducă electricitatea .A fost un noroc pentru Franklin ca nu s-a produs atunci si fulgerul. Bateria lui Volta:

Alecsandro Volta 1745-1827 profesor de fizica la universitatea italiana , a avut o idee diferită cu privire la originea electricităţii. Volta este cunoscut ca si inventatorul pilei

voltaice , in mod obişnuit cunoscuta sub numele de baterie . Pe data de 20 martie 1800 Volta a trimis o scrisoare in societatea regala din Londra descriind descoperirea sa . El a creat un ansamblu din zinc si discuri de cupru cu hârtie sau discuri de piele intre ele

. Volta a umezit discul din mijloc intr-o soluţie sărată sau acid uşor precum oţetul sau sucul de lămâie .El a construit un ansamblu înalt alternând zincul . hârtia si discurile

de cupru si a demonstrate prezenta voltajului electric. Coulomb si Faraday: Charles de Coulomb 1736-1806 a fost prima persoana care a măsurat cantitatea de

electricitate si magnetism generate intr-un circuit . Până atunci numai fluxul de electricitate nu si cantitatea au putut fi defectate . El a inventat câteva tipuri de

instrumente pentru măsurarea cantităţilor electrice. Michael Faraday 1791-1867 a fost la origine un constructor de instrumente. Când Faraday a ajuns la vârsta de 29 de ani el a început o serie de experimente in ce

priveşte legătura dintre electricitate si magnetism . Munca lui de pionierat a constat in a înţelege cum funcţionează curenţii electrici . Experimentele sale au stat la baza

multor invenţii practice precum motorul , generatorul , transformatorul , telegraful si telefonul , dar acestea au apărut cu 50 pana la 100 de ani mai târziu . Faraday a creat cuvinte precum : electrod , anod , catod si ion ca sa descrie munca lui .Noi încă

folosim aceşti termini astăzi in electricitate si electronică.

4

Cap. II. Elemente de circuit

II.1 Rezistorul

Rezistorul este elementul de circuit care are tensiunea la borne proporţionala cu intensitatea curentului, oricare ar fi valoarea curentului. Factorul de

proporţionalitate este rezistenta R a rezistorului este : U=RI pentru orice I Conductanţa G a unui rezistor este mărimea inversa rezistentei :

R

IG

Simbolul grafic al rezistorului si caracteristica tensiune-curent (o dreapta care trece

prin originea axelor )

`Rezistorul este un element pasiv : puterea

R

UGURIIUPR

222

este întotdeauna pozitiva , fiind efectiv primita pe la borne .

Rezistorul nu funcţionează decât ca receptor de energie electrica .Puterea

primita la borne se regăseşte sub forma de căldura dezvoltata in unitatea de timp , prin

efect Joule.

II.2 Condensatorul

In regim sinusoidal condensatorul cu tensiune la borne )(sin2 tUu

este străbătută de curentul sinusoidal .

U

U

I

R

0

U=RI

U

I

G

U

I=GU

0 Fig.II.1

5

Prin urmare , valoarea efectiva a curentului este

CUI si faza iniţială are expresia

2

Mărimea

CX

C

1

este reactanţa capacitiva

Concluzi:

Pentru un condensator ideal rezulta ca:

- curentul este defazat înaintea tensiunii cu 2

radian

- valoarea efectiva a curentului este egala cu valoarea efectiva a tensiunii împărţită la modulul reactanţei capacitive

Observaţii

- în curent continuu curentul prin condensator este nul. Condensatorul reprezintă deci

o întrerupere de circuit - în curent alternativ, la o tensiune aplicata la borne, dată, curentul prin condensator este determinat de reacţia sa. Reactanţa unui condensator ideal este invers

proporţională cu frecvenţă. De aceea condensatorul ideal blochează trecerea curentului la frecvenţe joase si reprezintă un scurt circuit la frecvenţe înalte

II.2.1 Vectorii asociaţi tensiunii si curentului

2Uu sin ( t ۽( ;/: UU

2/sin(2 tIi 2//: II

C

0U

i

0

i

t

- /2

6

Vectorul curent I

este rotit cu unghiul /2 in sens trigonometric (înainte) fata de

vectorul tensiune U

aplicata la borne.

La un condensator U I

si curentul I

este defazat cu unghiul /2 radian înaintea lui

U

. II.2.2 Puterea instantanee

Schimbata de condensator pe la borne are expresia :

)(2sin)cos()sin(2 22 tCUttCUuip

si oscilează cu frecvenţa unghiulara 2 in jurul valori nule ca si la o bobina . In concluzie, pentru un condensator :

- puterea activa este nula

- puterea reactiva capacitiva definita , pana la semn , ca amplitudine a puterii instantanee oscilante ,este :

222 1/ I

CIXXUQ CCC

II.2.3 Variaţia in timp a energiei acumulate in câmpul electric

Puterea reactiva capacitiva este proporţională cu valoarea medie pe o perioada

a energiei acumulate in câmpul electric al condensatorului:

eC WQ

2

unde

22

2

1~

2

1CUuCW

ca si când condensatorul ar avea între armături o tensiune continuă egala cu valoarea

efectiva a tensiunii alternative.

2

IU

0

I

Axa de referinta

7

u,i

2u

2I

0

/2 3/2 2

t

p

0 t

2/

T/2

T/4

t

eW

2CU

3T/ T/2 T

2

t 0 T/4

u

8

II.3 Bobina

Sa consideram o bobina .In regim sinusoidal bobina străbătuta de curentul

sinusoidal )sin(2 tiIi are tensiunea la borne:

)2

sin(2)cos(2

tLItLIdt

diLuL

Prin urmare , valoarea efectiva are tensiunii Lu este

LIU L

si faza iniţială are valoarea

2

Mărimea

LXL

se numeşte reactanţa inductiva .Simbolul reactanţei este X. Reactanţa se măsoară in ohmi ca si rezistenta.

Concluzi privitoare la bobina :

- curentul este defazat in urma tensiuni la borne cu 2

radiani

- valoarea efectiva a curentului este egala cu valoarea efectiva a tensiunii la borne

împărţită la reactanţa bobinei (L

L

X

UI ).

Observaţii. 1) In curent continuu tensiunea la bornele unei bobine este nula , deoarece derivata unei mărimi invariabile in timp este nula (viteza ei de variaţie este nula ) . Se spune ca pentru curentul continuu bobina reprezintă un scurtcircuit.

2)In curentul alternativ la o tensiune la borne data , curentul este limitat de reactanţa bobinei , care este proporţională cu frecventa. De aceea o bobina blochează trecerea

curentului la frecvenţe înalte si reprezintă un scurtcircuit la frecvente suficient de joase. 3) Reactanţa bobinei nu are sens decât in curent alternativ (in regimul in care este

definita ).

II.3.1 Vectori asociaţi tensiunii si curentului

)2

sin(2

tUu LL ;2//: LL UU

)sin(2 tIi /: II

Vectorul U este rotit cu unghiul / rad in sens trigonometric fata de vectorul I

.la

bobina curentul este defazat cu / 2rad in urma tensiunii (respectiv tensiunea este

defazata cu /2 înaintea curentului)

II.3.2 Puterea instantanee la bornele bobinei are expresia :

)(2sin)cos()sin(22 22 tLIttLIuip

si este variabila sinusoidal in timp , de frecvenţa dubla .

9

II.3.2 Puterea activa.

Pe durata unei perioade , intr-o semiperioada puterea instantanee este primita de bobina , iar in semiperioada imediat următoare puterea instantanee este cedata de

bobina spre exterior .(de exemplu sursei la care este conectata ). In medie, pe o perioada energia primita pe la borne este nula . Puterea activa este deci de asemenea nula. In bobina nu au loc transformări inversabile ale energiei in căldura .

Bobina nu este numai un consumator de putere activa ; ea schimba energia cu exteriorul .Putem caracteriza acest schimb de energie prin amplitudine puterii

instantanee (care este oscilata ).Numim aceasta mărime puterea reactiva inductiva ;

22 IXLIQ LL

Puterea reactiva are simbolul Q . Ea se măsoară in var ( volt-amper-reactiv ).

II.3.3 Variaţia in timp a energiei magnetice

2

2

1)( LItWm

Atunci când puterea instantanee este negativă , de exemplu în intervalul (T/4;T/2),

energia magnetică acumulată in bobină scade la zero de la valoarea maximă 2LI ,

egală cu aria haşurată de sub graficul puterii instantanee. Atunci când puterea

instantanee este pozitivă, în intervalul (T/4;T/2), energia magnetică acumulată creşte de la zero la valoarea maximă. În acest interval bobina primeşte energie. Bobina schimbă energia pe la borne fără a o consuma ; cea ce primeşte într-un interval cu

durata T/4 se cedează în intervalul imediat următor. Valoarea medie în timp , pe o perioadă , a energiei magnetice este însă:

LU

i

L

LU

i

0 t

2

I

IU L

Axa de referinta

2

10

22

2

1~

2

1LIiLWm

ca şi când bobina ar fi parcursă de un curent continuu cu intensitatea egală cu valoarea

efectivă a curentului alternativ. Comparând expresia puterii reactive cu cea a energiei magnetice medii,

constatăm că;

WQ~

2

ceea ce arată că puterea reactivă inductivă este proporţională cu valoarea medie pe o

perioadă a energiei magnetice acumulate in câmpul magnetic al bobinei.

L

u,i

2u

2I

0

U

i

/2

3/2

2 t

U

i

=0

p

0

T/4

T/2

2

T

t

t

UI

mW

2LI

0 T/4 3T/4 t

t

2

2

1~LIWm

11

II.4. Dioda

O diodă cu joncţiuni prezintă pentru un sens al curentului o rezistenţă statică

foarte diferită , de cea pe care o prezintă pentru curent în sens opus. Curentul invers al diodelor cu germaniu este din aceasta cauză de ordinul

microamperilor , iar curentul direct de ordinul miliamperilor . În plus ….0,7 V , faţă de tensiunile sânt mai mari in comparaţie cu curentul invers, iar tensiunile sânt mari în comparaţie cu tensiunea de polarizare directă, dioda poate fi modelată prin ecuaţiile;

0,0

0,0

AA

AA

upentrui

ipentruu

În acest model simplificat se neglijează căderea de tensiune în conducţie directă şi curentul în conducţie inversă. Modelul diodei definit de relaţiile de mai sus

corespunde diodei ideale şi reprezintă un exemplu de liniarizare pe porţiuni a caracteristici statice . Joncţiunea p-n se poate reprezenta prin contactele unui întrerupător care

trebuie considerat închis când dioda conduce si deschis când dioda este blocată. Altfel spus, rezistenţa diodei este nulă când dioda conduce şi infinită când dioda este

blocată.

Au

Al

0

12

R

E 1U 2U

+

-

R

E a

1U

2U

R

E

b

1U 2U

1U

2U

E

E’

0

2U

E 1U

a

E

T 2T 0

b

2U

t

T

c

1U

2T

t

13

II.4.1 Modelul diodei cu sursă ideală de tensiune

Deoarece curentul de saturaţie sI este mult mai mic decât curentul în conducţie

directă, ecuaţia caracteristicii statice

1exp

T

AsA

u

uIi

unde

Te

kTuT

11600

se poate aproxima prin

T

AsA

u

uIi exp .

Observăm că tensiunea anodică trebuie să ajungă la câţiva zeci de volţi pentru ca curentul anodic să ajungă la valori notabile. Există deci o tensiune de prag peste

care curentul anodic creşte rapid cu tensiunea anodică. Creşterea curentului anodic raportată la creşterea tensiunii este :

A

TT

A

T

s

A

A iuu

u

u

I

du

di 1exp

De aici rezultă rezistenţa dinamică a diodei,

A

T

A

Ad

i

u

di

dur

o mărime pozitivă dependentă de curentul anodic. Pentru un punct static de funcţionare (PSF) in care curentul este de 50 mA , rezistenţa dinamică este :

5.050

25

mA

mVrd

Caracteristica statică a diodei cu germaniu poate fi liniarizată pe porţiuni ,

respectiv:

Vupentruu

ri

Vupentrui

AB

d

A

AA

4,0)4,0(1

'

4.00

VU 4,00

5,0'dr

C

AU

Ai

+

A

-

14

Pentru tensiuni anodice inferioare tensiunii de prag, dioda se prezintă ca un întrerupător deschis : la tensiuni anodice peste valoarea de prag , dioda se modelează

printr-o diodă ideală în serie cu o sursă de tensiune de 0,4V şi cu o rezistenţă egală cu rezistenţa dinamică determinată anterior.

II.4.2 Modelul diodei pentru semnal mic

Modelul pe care-l prezentăm in continuare prezintă o mare importanţă pentru

numeroase aplicaţii tehnice. Vom analiza un circuit simplu care conţine ca element neliniar o diodă semiconductoare.

II.4.2.1 În regim static, adică in absenţa sursei de semnal cu tensiunea

alternativă sinusoidală

)(2

sin21.14 mVtT

ea

dioda funcţionează in PSF determinat de sursa de tensiune continuă cu t.e.m.

VEA 7.0

şi de rezistenţa de sarcină

1.11AR

Ecuaţiile care determină coordonatele PSF sânt:

aAA uRiE

)( AB ufi

La intersecţia dreptei de sarcină cu graficul caracteristici statice obţinem :

AU 0,43 V şi mAI A 24 . Rezistenţa statică în PSF a diodei este:

1824

43.0

mA

V

I

UR

A

ast

ae

aU

Al

AU

a

-

+

10.11AR

AE 0,7V

AR

al

dr

b

ae +

-

15

I.4.2.2 În regim dinamic , la semnale mici(amplitudinea semnalul alternativ este mult mai mică decât tensiunea anodică în PSF ) , teorema a doua a lui Kirchhoff

ne conduce la ecuaţia :

AAaA uRieE

Tensiunea anodică poate fi scrisă sub forma :

AAA uUu

Au fiind componenta dependentă de timp a tensiunii sau variaţiei ei.

Pentru amplitudini mici ale semnalului , variaţia Au este o funcţie de timp alternativă

sinusoidală :

tT

Uu aA

2sin2

Curentul anodic la o valoare oarecare a tensiunii anodice se poate scrie sub forma

AAAAA iIuUfi )(

unde termenul al doilea al sumei este variaţia curentului anodic faţă de valoarea din

punctul static , variaţie dată de:

d

Ar

uAi

Introducând aceste mărimi în ecuaţia

AAaA uRieE

se obţine

AAAAaA uUiRRIeE

Deoarece AdA iru şi UARIE AA , după reducerea termenilor obţinem o

relaţie între variaţiile tensiunii şi curentului:

AdAA iriRe

sau notând pe Ai = ai

ndaA irRie

care reprezintă teorema a doua a lui Kirchhoff pentru circuitul echivalent circuitului iniţial la semnale mici .

În concluzie , circuitul echivalent la semnale mici se obţine astfel: -se suprimă sursa de alimentare in c.c -dioda se înlocuieşte prin rezistenţa dinamică calculată în punctul static .

Rezistenţa dinamică în punctul static se determină grafic cu relaţia de definiţie respectiv:

.25.14

5

24.028.0

43.048.0

kk

mA

V

i

u

di

dur

PSFm

APSF

A

Ad

Componenta alternativă a curentului anodic este deci :

AT

tt

T

rR

ei

da

aa

2sin21.11

12501.11

2sin21.14

adică un curent cu valoarea efectivă AI a 1.11 în fază de semnal aplicat.

Notaţiile utilizate notaţii standardizate ţi ca atare sânt obligatorii. Le amintim deci pe fixare , urmărind si graficul.

AAUI sânt mărimi constante în timp care determină PSF

16

AAui sânt variaţiile curentului şi tensiunii la bornele elementului neliniar faţă de

valorile din PSF

aaUI sânt valori efective ale acestor variaţii :

tT

Ii aa

2sin2

tT

Uu aa

2sin2

AAui sânt valorile ,,totale” , respectiv suma între mărimile de c.c din PSF şi

variaţiile lor in regim dinamic :

aAAAA iIiIi

AE este t.e.m a sursei de curent continuu pentru fixarea PSF ;

ae este t.e.m a sursei de semnal , de valoare efectivă E , respectiv

tEtT

Ee aaa

sin22

sin2

II.4.3 Dioda semiconductoare

II.4.3.1 Caracteristica statică

Dioda semiconductoare sau joncţiunea p-n este un dispozitiv electronic cu două borne de acces . În unul dintre sensuri de la semiconductorul de tip p către

semiconductorul de ti n , pe care-l denumim sens direct , dioda conduce bine curentul , prezentând o rezistenţă electrică mică. În sensul opus , de la semiconductorul de tip n la cel de ti p (sens invers) , dioda conduce rău curentul, prezentând in consecinţă o

rezistenţă electrică mare . Această proprietate a diodei semiconductoare se ilustrează pe caracteristică statică unde s-a folosit scări grafice diferite . Sensul curentului prin

diodă este opus sensului iniţial şi de valoare mult mai mică . Pentru măsurarea acestui

curent este prevăzut in circuit un microampermetru de c.c (A).

mA

+

A C Al

-

p

AU

I n C p Al

+

n

-

AU

A I

A

dE lE

dA Eu

IiA

lA Eu

IiA

17

II.4.3.2 Mecanismul microscopic al funcţionării unei diode

semiconductoare

Semiconductoarele sânt materiale cristaline care în stare pură prezintă o conductivitate electrică foarte mică . Germaniu şi siliciu , care sânt cele mai larg utilizate în tehnică , au la temperatura ambiantă (300k) rezistivităţi mult mai mari

decât ale metalelor (Ge=0,44*m). Ele sânt elemente tetravalente . Cei patru electroni de valenţa ai unui atom intră în legături covalente cu atomii vecini . Stratul

de valenţă al fiecărui atom va avea astfel opt electroni şi practic nu vor exista electroni liberi .

Rezistivitatea semiconductoarelor scade apreciabil prin impurificarea cu atomi ai altui element chimic .

II.4.4 Dioda Zener

Caracteristica statică la polarizare în sens direct este identică cu a unei diode

obişnuite . La polarizarea joncţiunii in sens invers , caracteristica prezintă o porţiune

abruptă situată la tensiunea zUu , unde o variaţie mică a tensiunii provoacă o

variaţie mare a curentului fără ca dioda să se străpungă . Datorită acestei proprietăţii , dioda Zener se utilizează în redresoarele stabilizatoare de tensiune (surse de c.c stabilizate )

)(mAiA

Au

Ai

-5 -10

2U -10

-5

-25

-30

-15

A

-20

0 1

)(VuA

0,5 1,5

150

100

50

18

II.4.5 Dioda Tunel

Dioda tunel este o diodă semiconductoare , a cărei caracteristică statică nu

este însă în permanenţă ascendentă , în sensul că pentru anumite valori ale tensiuni curentul descreşte când tensiunea creşte. În acest domeniu al tensiuni de polarizare dioda tunel prezintă o rezistenţă dinamică negativă , proprietate folosită în tehnica

generări de oscilaţii sinusoidale.

II.5 Tranzistorul cu amplificator

Studiul fenomenelor dint-o joncţiune pn este extrem de util pentru înţelegerea

funcţionări tranzistorului . Tranzistorul constă din două joncţiuni pn , una polarizată în sens direct şi

cealaltă polarizată invers . Cele două joncţiuni npn ţi pnp sânt astfel denumite după poziţia relativă a semiconductoarelor de tip n şi p : tranzistorul npn prezintă două regiuni de ti n separate printr-o regiune de tip p , în timp ce în tranzistorul pnp

regiunea de tip n este încadrată de două regiuni de tip p . Deoarece purtători de sarcină majoritari şi minoritari sânt diferiţi în cele două tipuri de materiale semiconductoare, mecanismul intern al conducţiei curentului în

cele două tipuri de tranzistoare este diferit .

Joncţiuni

p n p

p n n

19

II.5.1 Funcţionarea tranzistoarelor npn

Tranzistorul are cele doua joncţiuni polarizate diferit. II.5.1.1. Joncţiunea polarizata in sens direct .Sunt necesare precizările

referitoare la concentraţia relativa a atomilor de impurităţi in materialele joncţiunii. Semiconductorul de tip n al joncţiunii polarizate in sens direct este impurificat, mai

puternic decât semiconductorul de tip p. Pentru acest motiv , curentul prin joncţiune este datorat in principal traversării ei de către purtătorii majoritari ai regiunii de tip n (electroni) şi nu de către ai celei de tip p (goluri)

II.5.1.2.Notă . Disproporţia între numărul de purtători de fiecare tip ce traversează joncţiunea nu este importantă în funcţionarea diodei , dar are mare

importanţă în funcţionarea trazistorului . II.5.1.3.Joncţiunea polarizată în sens invers a mai fost examinată cu ocazia

studiului conducţiei curentului în diodă semiconductoare . Am văzut atunci că

joncţiunea polarizată în sens invers este traversată de un curent destul de mic (curentul invers ) , datorat deplasări purtătorilor minoritari . Pentru joncţiunea pn aceştia sânt

electroni din regiunea p şi golurile din regiunea n .

n

n

p

-

+

+

-

- - -

+ + +

n

n

p

Electoni

Goluri

Joncţiune polarizată

invers

20

II.5.1.4 Polarizarea simultană a celor două joncţiuni

Aţa cum am arătat , joncţiunea polarizată în sens direct este traversată de

electroni injectaţi din regiunea de tip n către cea de tip p. Regiunea de ti p în care pătrund aceşti electroni este totodată regiune de tip p pentru joncţiunea polarizată în sens invers . În regiunea p sânt disponibili pentru conducţie ce mai mare parte dintre

electronii veniţi din regiunea n (excepţie fac doar cei care se combină cu golurile din această regiune )ţi purtători minoritari si joncţiuni polarizate în sens invers .

Electroni au tendinţa să se deplaseze în sensul în care potenţialul electric creşte (energia lor potenţială descreşte ) , sens impus de polaritatea sursei de curent continuu care polarizează cea de-a doua joncţiune .

Prin modificarea tensiuni de polarizare se modifică debitul de electroni ce traversează joncţiunea polarizată în sens direct ,deci numărul de electronii disponibil

pentru conducţia curentului prin joncţiunea polarizată în sens invers . Mecanismul intern al conducţiei curentului în tranzistorul npn va ieşi şi mai pregnant în evidenţă când tranzistorul va fi considerat element de circuit .

II.5.2 Funcţionare tranzistoarelor pnp

Funcţionarea tranzistorului pnp este similară cu cea a tranzistorului npn , cu deosebirea că purtători majoritari sânt golurile din regiunea de tip p a joncţiuni polarizate în sens direct .

II.5.2.1 Joncţiunea polarizată în sens direct . Semiconductorul de tip p al aceste joncţiuni este dopat mai puternic decât cel de tip n şi deci curentul de goluri

este predominant în raport cu cel de electroni.

+

-

+

-

p

n

n

Joncţiune polarizată

invers

Joncţiune polarizată

invers Electroni

21

II.5.2.2 Joncţiunea polarizată in sens invers . Curentul este datorat deplasări purtătorilor minoritari , respectiv a golurilor ce trec din regiunea n şi a electronilor ce

trec din regiunea p. II.5.2.3Acţiunea simultană a celor două joncţiuni. Are în principiu aceleaşi

consecinţe ca şi în cazul tranzistorului npn . În cazul tranzistorului npn, prin joncţiunea polarizata in sens direct se injectează goluri din regiunea n. Odată ajunse în regiunea n , golurile sânt disponibile pentru conducţia

curentului prin joncţiunea polarizată in sens invers , împreună cu purtători minoritari ai aceste regiuni . Numărul relativ al golurilor care se recombină în regiunea n cu

electronii (purtători majoritari ai aceste regiuni ) este destul de mic datorită grosimi mici a acestei regiuni în raport cu cea a reginilor care o încadrează.

II.5.3 Simboluri.Tehnologie.Funcţionarea tranzistorului conectat

într-un circuit

Joncţiunea polarizata în sens direct este joncţiunea emitor-baza. Joncţiunea baza-colector este polarizata în sens invers. Regiunea emitor este denumita astfel datorita funcţiunii pe care o îndeplineşte ; ea emite purtătorii majoritari prin

joncţiunea polarizată în sens direct .Aceşti purtători sânt în marea lor majoritate colectaţi de regiunea tranzistorului numit colector .Regiunea dintre emitor si colector

poarta numele de baza în sensul de suport pentru cele două materiale de acelaşi tip care o încadrează. Pentru tranzistorul npn, unde purtătorii majoritari sunt electronii, deplasarea

lor prin conductoarele exterioare este o continuare a deplasării interne. In tranzistorul pnp, conducţia internă este conducţie de goluri. Conducţia

curentului în conductoarele exterioare este o conducţie electronică. Din acest motiv, sensul deplasării electronilor în aceste conductoare este opus sensului deplasării în interior a golurilor.

Sensul curentului prin conductoare coincide aşadar cu sensui de deplasare în interior a golurilor.

Curenţi prin conductoarele exterioare satisfac relaţia:

'GBE III

care este o consecinţă a legii conservării sarcinii în regim staţionar. Curentul

de emitor se divide în curentul de colector şi curentul de bază. La rândul său curentul de colector este dependent de curentul de bază. Cu cât debitul purtătorilor majoritari injectaţi în bază este mai mare ,cu atât curentul de bază este mai mare şi

în consecinţă este mai mare şi curentul de colector. Între cei doi curenţi există relaţia:

BC II

pnp npn

22

II.5.4 Tipuri de conexiuni

Când tranzistorul este folosit ca amplificator, semnalul de intrare se aplică între două dintre cele trei terminale .Semnalul de ieşire va rezulta şi el între două

dintre cele trei terminale, aşa încât unul dintre terminale este comun. Circuitele cu emitor comun se pot utiliza în funcţie de scopul urmărit şi alte configuraţii; cu bază comună sau colector comun. Configuraţia fundamentală pentru

funcţiunea de amplificator este cea cu emitorul comun Înainte de a prezenta structura circuitului de amplificare şi funcţiunile

elementelor sale, este necesară o prezentare a relaţiilor tensiune-curent pentru tranzistorul cu joncţiuni, în conexiunea cu emitor comun. II.5.4.1 Regim static .Fiind un element de circuit cu trei borne de acces,

starea statică a tranzistorului este determinată de curenţii prin borne Ei , ,Bi Ci şi de

tensiunile între borne ,CEu ,BEu şi CBu

Cei trei curenţi satisfac prima teoremă a lui Kirchhoff, aşa încât numai doi

dintre ei sânt independenţi. Tensiunile între borne verifică teorema a doua a lui Kirchhoff:

CBu + BEu - CEu =0

deci numai două dintre ele sunt independente. Mărimile care se aleg pentru caracterizarea stării de conducţie a

tranzistorului în configuraţia emitor comun sânt curenţii Bi şi Ci şi tensiunile BEu şi

CEu .Dintre aceste mărimi , două pot fi considerate variabile independente , iar

celelalte două-variabile dependente .Dacă variabilele independente sânt Bi şi CEu

putem scrie relaţiile:

Ci =f( 'Bi CEu )

BEu =g( Bi , CEu )

care definesc familiile de caracteristici statice de ieşire şi respectiv de intrare ale tranzistorului.

Familia caracteristicilor de ieşire se determină experimental utilizând circuitul în care sânt introduse instrumente de măsurat pentru curentul de bază . Pentru o

valoare dată a curentului Bi se determină curentul de colector la valori crescătoare

ale tensiuni CEu .

Ci CE

BR

BE

Bi

npn

Ei

- +

Bi Ci

CE

BR

BE

CR CR

Ei

+ -

pnp

23

II.5.4.2 Regim dinamic. Datorită faptului că tranzistorul este neliniar,

relaţiile dintre componentele variabile în timp ale tensiunilor şi curenţilor vor fi în general neliniare şi numai în anumite condiţii aceste relaţii se pot liniariza , ceea ce înseamnă că numai în anumite condiţii semnalul de ieşire va depinde liniar de

semnalul de intrare . O asemenea comportare prezintă o mare importanţă practică în realizarea amplificatoarelor de semnal .

II.5.5 Circuitul echivalent al tranzistorului la semnale mici

Sursa de semnal , cu t.e.m alternativă sinusoidală, tEe sin2 , se întoarce in circuitul de polarizare a bazei. În absenţa acestei surse tranzistorul se află

într-o stare statică determinată de t.e.m . BE şi CE şi de rezistenţele CBşiRR .

II.5.1puterea statică de funcţionare se fixează în regiunea liniară a familiei

de caracteristici statice , aşa cum se va arăta în continuare . Fie BECECB şiUUII ,,

curenţi şi respectiv tensiunile în starea statică considerată . Prezentarea semnalului alternativ sinusoidal modifică valorile curenţilor şi tensiunilor în jurul valorilor din PSF . În acest nou regim , denumit regim dinamic ,

curenţii şi tensiunile se prezintă sub forma :

cCC

bBB

iIi

iIi

şi respectiv

beBEBE

beCECE

uUu

uUu

unde se pun în evidenţă valorile din punctul static şi variaţiile becca şiuuii ,, faţă de

aceste valori . Variaţiile respective , în regimul dinamic la semnale mici sânt funcţii sinusoidale de timp, cu frecvenţa egală cu frecvenţa semnalului . Ele mai pot fii scrise astfel :

CCCcBBBb iIiiiIii ;

)5.1( V

EB 1 M

mV

A Bi

npn

Ci

Ei

10 K

)12( V

EC

mA

V

24

Cap.III.Dispozitive optoelectronice semiconductoare

III.1 Fenomene fizice care stau la baza funcţionări

dispozitivelor optoelectronice Sub denumirea de dispozitive optoelectronice sunt cuprinse acele dispozitive

care realizează operaţia de transformare a energiei electrice în radiaţie luminoasă (din domeniul spectrului vizibil sau infraroşu ) sau operaţia inversă (de transformare a

radiaţiei electromagnetice în energie electrică ), în mod nemijlocit (direct) , precum ţi cele care detectează radiaţia electromagnetică prin intermediul unor procese electronice .

Dispozitivele care transformă energia electrică in radiaţie electromagnetică indirect , spre exemplu prin intermediul proceselor termice ( cum se întâmplă în cazul

becurilor electrice pentru iluminat ), nu se încadrează în clasa dispozitivelor optoelectronice . Dintre fenomenele fizice care stau la baza funcţionării dispozitivelor

optoelectronice semiconductoare se desprind , ca fundamentale : - interacţiunea radiaţiei electromagnetice cu corpul solid

- recombinarea radiativă a purtătorilor de sarcină în corpul solid . În cele ce urmează se vor prezenta fenomenele fizice pe care se bazează funcţionarea acestei categorii de dispozitive .

III.1.1 Interacţiunea radiaţiei electromagnetice cu corpul solid.

Absorbţia radiaţiei electromagnetice în corpul solid

Dacă pe suprafaţa unei plăcuţe semiconductoare cade o radiaţie

electromagnetică, atunci din fluxul incident (P) o parte ( RP )se reflectă la suprafaţa

semiconductorului, iar restul pătrunde în interiorul(volumul) semiconductorului. Din

fluxul electromagnetic care pătrunde în interiorul semiconductorului (interiorul

plăcuţei semiconductoare) o parte ( TP ) traversează corpul solid continuându-şi

drumul mai departe , aşa cum se întâmplă în cazul unui filtru optic , şi corespunde

unui fenomen de transparenţă , iar o altă parte ( AP ) este reţinută , este absorbită de

corpul solid semiconductor respectiv. Din energia radiaţiei incidente(P) o parte

( RP + TP ) este regăsită în mediul înconjurător , iar o altă parte ( AP ) este reţinută de

corpul solid (revine corpului) , ca urmare a unui proces de absorbţie . Prin intermediul componentei absorbite , între unda electromagnetică incidenţă şi corpul

solid are loc schimb de energie . Cu cât este mai mare componenta absorbită , cu atât radiaţia incidentă cedează corpului solid o parte mai mare din energia sa. Preluarea de energie , prin intermediul fenomenului de absorbţie a unei radiaţii de către un corp

solid , conduce la creşterea energiei interne a corpului şi poate antrena o serie întreagă de fenomene , dintre care unele sunt exploatate la realizarea dispozitivelor

optoelectronice.

P

RP

AP

TP

25

Fenomene fizice care pot avea loc în cazul absorbţiei radiaţiei electromagnetice de către un corp solid

Energia cedată corpului solid de radiaţia electromagnetică prin procesul de

absorbire este preluată atât de atomii din nodurile reţelei , contribuind la creşterea

energiei de vibraţie a acestora , cât şi de electroni , care sporindu-şi energia trec de pe nivele energetice permise superioare . După cum în cazul unei unde electromagnetice

energia purtată de aceasta este constituită din cantităţi discrete , cantităţi elementare de energie ; din cuante (cantitatea elementară de energie- cuanta- purtând denumirea de foton ) , tot astfel în cazul corpului solid s-a trecut la cantitatea energiei de vibraţie

, respectiv corpusculul asociat undelor de vibraţie , purtând denumirea de fonon .

Conform acestui model , o dată cu creşterea energiei de vibraţie în reţeaua cristalină a

corpului cristalin apare un număr din ce în ce mai mare de fononi , cu libertate de mişcare similară purtătorilor liberi ,în timp ce atomii din nodurile reţelei rămân imobili . Dimpotrivă , pe măsură ce energia de vibraţie scade , scade şi numărul

fononilor din volumul corpului solid , respectiv un număr din ce în ce mai mare de fononi dispar .

Astfel, se poate afirma că o parte din energia cedată corpului solid de radiaţia electromagnetică , prin procesul de absorbţie , conduce la apariţia de fononi în reţeaua cristalină , iar o altă parte este (poate fi ) preluată chiar de către electroni de valenţă

care , primind surplusul de energie necesar , părăsesc legăturile respective dând naştere la purtători liberi de sarcină .

Absorbţiile (şi fenomenele ) utile pentru realizarea de dispozitive optoelectronice sunt cele in urma cărora se generează purtători de sarcină liberi . Fenomenul fizic corespunzător cazului în care absorbţia radiaţiei este însoţită de

ionizarea atomilor reţelei şi crearea de purtători de sarcină liberi poartă denumirea de efect fotoelectric.

Dacă energia pe care fotonii o comunică electronilor în procesul de ionizare a atomilor este mai mare decât energia de legătură a electronilor în corpul solid (decât lucrul de ieşire ) , atunci ca urmare a absorbţiei radiaţiei se emit electroni , fenomenul

purtând denumirea de emisie fotoelectronică sau efect fotoelectric extern . Dacă energia pe care fotoni o comunică atomilor doar la ruperea unor legături

din reţeaua cristalină , respectiv la crearea de purtători de sarcină liberi în corpul solid , fenomenul poartă denumirea de efect fotoelectric intern.

Acest fenomen poate avea loc doar în cazul corpurilor semiconductoare sau

izolatoare. În cazul unui semiconductor pur ,preluarea energiei fotonilor de către electronii de valenţa , antrenând ruperea legăturilor covalente şi trecerea electronilor

din banda de valenţă în banda de conducţie , conduce la apariţia de perechi electron-gol. Acest mod de absorbţie a energiei radiaţiei incidente de către solidul semiconductor poartă denumirea de absorbţie intrinsecă. În acest caz, energia

fotonului trebuie să fie mai mare decât lărgimea benzii interzise a semiconductorului.

Fonon Fononi

hv hv’ hv

hv + p

- p

26

Îndeplinind această condiţie , pe lângă perechea electron-gol se mai generează şi fononi. În cazul semiconductoarelor cu impurităţi are loc o absorbţie datorată

impurităţilor , fenomen care constă în ionizarea atomilor de impuritate , donori sau acceptori , pe seama energiei fotonilor radiaţiei electromagnetice incidente .

Deoarece la temperatura ambiantă toate impurităţile sunt deja ionizate pe cale termică (pe seama energiei interne a corpului solid) , un asemenea fenomen nu poate fi exploatat decât la temperaturi mai coborâte (sub 70 k , la care impurităţile nu sunt

ionizate pe cale termică) . Dispozitivele optoelectronice care folosesc acest tip de absorbţie lucrează la temperaturi coborâte . În afara proceselor de absorbţie

menţionate mai există absorbţia datorată purtătorilor mobili de sarcină din semiconductor , corespunzătoare interacţiunii dintre fotonii radiaţiei electromagnetice incidente şi aceşti purtători , proces în urma căruia energia fotonilor este preluată de

purtătorii mobili , contribuind la creşterea energiei cinetice a acestora . Deoarece pentru radiaţii infraroşii coeficientul de absorbţie este direct proporţional cu

concentraţia purtătorilor mobili , acest fenomen este exploatat la realizarea modulatoarelor de radiaţie infraroşie. Absorbţia intrinsecă , absorbţia datorată impurităţilor şi absorbţia datorată purtătorilor mobili constituie fenomene cu

aplicaţii practice , exploatate la realizarea dispozitivelor optoelectronice . Fată de acestea , absorbţia reţelei şi absorbţia excitonică , sunt considerate şi poartă denumirea

de absorbţii parazite , deoarece irosesc din energia radiaţiei incidente fără a vputea fi exploatate în scopuri practice

III.1.2 Recombinarea radiativă purtătorilor de sarcină în corpul

solid.Emisia radiaţiei luminoase în semiconductoare

Primind un surplus de energie , pe o cale oarecare electronii trec de pe nivele energetice permise inferioare pe nivelele energetice permise superioare , eventual din

stare legată în stare liberă. După un timp oarecare de experienţă în această stare ei îşi pierd surplusul de energie , revenind pe nivele energetice permise inferioare , ca urmare a procesului cunoscut de recombinare . În procesul de recombinare purtătorii

cedează o parte din energia de care dispun , cel mai adesea (în favoarea ) reţelei , contribuind la sporirea numărului de fononi . În anumite cazuri , procesul de cedare a

energiei este însoţit de un fenomen de recombinare radiativă a purtătorilor de sarcină , situaţie în care surplusul de energie cedat conduce la emisia de fotoni , reţelei revenindu-i numai o parte din energia cedată. Acest fenomen de emisie a radiaţie

luminoase în semiconductoare poartă numele de luminiscenţa semiconductoarelor .

Din consideraţiile precedente rezultă că fenomenul de luminiscenţă este

consecinţa unui proces de conversie a energiei , proces în cursul căruia energia transmisă purtătorilor de sarcină este convertită în energie luminoasă , prin mecanismul recombinării radiative . Acest proces se caracterizează printr-o fază de

excitaţie , în care purtătorilor li se injectează surplusul de energie necesar şi o fază de dezexcitaţie , în care purtătorii eliberează sub formă de fotoni , respectiv ca radiaţie

luminoasă , energia preluată . Dacă procesele de excitaţie- dezexcitaţie se

caracterizează prin constante de timp de ordinul a 58 1010 luminiscenţa poartă

denumirea de fluorescenţă . În cazul unor constante de timp mult mai mari (secunde, ore, zile) este denumită fosforescenţă . Materialele care se bucură de această

proprietate se numesc luminofori.

27

Provocarea fenomenului de luminiscenţă necesită într-o primă fază – cea de

excitaţie , generarea unei cantităţi de purtători de sarcină în exces , purtători care apoi, într-o a doua fază –cea de dezexcitare , se recombină radiativ . Există multiple căi

(surse ) de excitaţie pentru inducerea fenomenului de luminiscenţă , iar luminiscenţa poate apărea în forme variate . În cazul dispozitivelor optoelectronice luminiscenţa este provocată fie prin

bombardarea cu un fascicul de electroni cu energii medii , când poartă numele de catodoluminescenţă , fie prin aplicarea (intermediul) unui câmp electric , când poartă

numele de elecrtoluminescenţă. În cazul electroluminescenţei există următoarele moduri de excitaţie : -excitaţie intrisecă , observată la unele semiconductoare omogene impurificate cu

elemente activatoare . Fenomenul are loc în urma ionizării impurităţilor activatoare, sub influenţa unui câmp electric alternativ de frecvenţă audio . Revenirea electronilor

pe nivele energetice permise introduse de elemente activatoare se face prin emisia de fotonii. Fenomenul este caracteristic sulfurii de zinc (ZnS) , spectrul radiaţiei emise fiind dependent de activatorii utilizaţi (Mn, Cu, Cl) ;

-excitaţie prin injecţie de purtători minoritari de sarcină , observată in cazul unor joncţiuni pn polarizate direct . Emisia radiaţiei luminoase este rezultatul unor procese

de recombinare directă sau prin intermediul impurităţilor , în vecinătatea regiunii de trecere . Spectrul radiaţiei emise este dependent de impurităţile activatoare utilizate. -excitaţie prin multiplicare în avalanşă , în cazul căreia în regim de trecere a unei

joncţiuni pn , polarizate invers , la tensiune de străpungere, se cedează perechi electron-gol ca urmare a fenomenului cunoscut de multiplicare prin avalanşă .

Purtători liberi astfel apăruţi se pot reconbina radiativ direct sau prin intermediul impurităţilor ; -excitaţie prin efect tunel , în cadrul căreia purtătorii liberi apar prin efect tunel .

III.2 Tipuri de dispozitive optoelectronice

III.2.1 Fotorezistenţa

Fotorezistenţa este un rezistor realizat dintr-un material semiconductor omogen , a cărui rezistenţă se modifică sub influenţa unui flux luminos incident.

Materialul semiconductor din care se realizează fotorezistenţa are forma unui strat subţire sau a unei plăcuţe , prevăzute la capete cu contacte ohmice reprezentând terminalele . Protecţia fotorezistenţei se asigură prin acoperirea cu lac sau prin

încapsularea în material plastic . Performanţele fotorezistenţelor se apreciază prin intermediul mărimilor :

- rezistenţa la întuneric , dependentă de dimensiunile geometrice (w , d , l ) şi de concentraţia de impurităţi de semiconductor ; - pragul fotoelectric , reprezentând lungimea de undă maximă până la care

dispozitivul mai reacţionează; - sensibilitatea spectrală sau sensibilitatea integrală , reprezentând raportul dintre

conducta fotorezistenţei şi fluxul luminos incident ,

G

S . Sensibilitatea

integrală corespunde unui flux policromatic (şi este definită în acelaşi mod ) - inerţia fotorezistenţei , reprezentând timpul după care rezistenţa elementului se

stabilizează la noua valoare , atunci când fluxul luminos variază prin salt .

28

Aspectul constructiv al unei fotorezistenţe.

III.2.2 Fotodioda

Fotodioda este un dispozitiv optoelectronic constituit dintr-o joncţiune pn fotosensibilă sau un contact metal-semiconductor fotosensibil , utilizate totdeauna în

regim de polarizare inversă, deoarece în acest regim se poate fructifica în condiţii optime influenţa fluxului luminos asupra curentului prin dispozitiv . Pastila semiconductoare în care s-a implantat joncţiunea se montează într-o

capsulă prevăzută cu o fereastră transparentă prin intermediul căreia fluxul luminos are acces la suprafaţa semiconductorului . Presupunând că prin fereastra respectivă

fluxul luminos are acces la (fotonii fluxului luminos incident bombardează) întreaga suprafaţă a joncţiuni . În urma procesului de absorbţie intrinsecă , prezentată în paragraful A.1 se

generează perechi electron-gol , în ambele tipuri semiconductoare ale joncţiunii . Coeficientul de absorbţie al radiaţiei fiind foarte mare ,procesul de absorbţie are loc în

preajma suprafeţei , ceea ce conduce la apariţia unei concentraţii mai mari de purtători liberi la suprafaţa de incidenţă cu fluxul luminos . Prin difuziune aceşti purtători se răspândesc şi în profunzimea plăcuţei semiconductoare.

Concentraţia purtătorilor liberi , care apar prin efectul fotoelectric intern , datorită absorbţiei radiaţiei , este mult mai mică decât cea a purtătorilor majoritari ,

dar este mai mare sau chiar mult mai mare – în funcţie de intensitatea fluxului luminos incident – decât concentraţia purtători minoritari . Se deduce că purtători care apar prin efectul fotoelectric şi sunt de acelaşi tip cu purtători majoritari , nu sunt în

măsură să antreneze variaţii ale curenţilor datoraţi purtătorilor majoritari , respectiv ale curenţilor de difuziune , aceşti curenţi rămânând (practic) independenţi de fluxul

luminos . Deoarece în cazul polarizării în sens direct curentul printr-o diodă este dat de curenţi de difuziune , iar la fotodiodă curenţii de difuziune nu depind (practic) de fluxul luminos , aceasta trebuie polarizată în sens invers , mod de polarizare în care

curenţii de difuziune sunt anulaţi . În felul acesta prin diodă mai circulă doar curenţi datoraţi purtătorilor

minoritari din cele două semiconductoare ( electronii din semiconductorul p şi golurile din semiconductorul n ) . Condiţia ca aceşti purtători să participe la conducţia curentului electric , adică să traverseze regiunea de trecere ( de barieră , de sarcină

spaţială ) , este ca ei să ajungă în această regiune , în care – dacă pătrund –câmpul electric existent (intern ţi cel datorat tensiuni de polarizare externe , câmp rezultant

notat ) îi accelerează spre semiconductorul opus.

d

l

29

Fotodioda se utilizează ca detector de radiaţie , având însă o sensibilitate mult mai mare (sute de miliamperi pe lumen ) decât o fotorezistenţă , dimensiuni reduse şi

durată mare de viaţă . Fotodioda prezintă de asemenea inserţie mai mică decât fotorezistenţa .

Fotodioda

a-secţiune , mod de polarizare ; b- simbol.

III.2.3 Fotoelementul

Fotoelementul este o fotodiodă care lucrează fără polarizare din exterior . Sub

influenţa unui flux luminos exterior la bornele fotoelementului ia naştere o tensiune electromotoare . Conectând la bornele sale o rezistenţă de sarcină prin această

rezistenţă circulă un curent electric , ceea ce arată că fotoelementul constituie un generator de tensiune , care poate debita o anumită putere .

Fotoelementul converteşte direct energia luminoasă în energie electrică ,

constituind o sursă de energie . Deoarece sursa de energie luminoasă este în mod curent soarele , fotoelementele se mai numesc baterii solare . Pentru ca energia

debutată să fie cât mai mare , trebuie ca energia fluxului luminos incident recepţionat , să fie –de asemenea – cât mai mare . De aceea dioda utilizată ca fotoelement se realizează de suprafaţă expusă cât mai mare , mult mai mare decât dioda utiliyată ca

fotodiodă (ca detector de radiaţie ) .

În cazul unei diode obişnuite curentul anodic este dat de relaţia:

Ai p

(hv)

n

nL l pL

AU

+ -

a

b

30

)1(exp

kT

quii A

satA

în care :

sati -reprezintă curentul de saturaţie

q – sarcina electronului

au -tensiunea de polarizare

k – constanta lui Boltzmann T – temperatura în grade absolute

Fotoelementul

Dacă dioda fotosensibilă este polarizată invers , se află în regim de fotodiodă ,

iar dacă nu se polarizează din exterior , la bornele sale apare o tensiune electromotoare , dioda aflându-se în regim de fotoelement . Fotoelementul debitează puteri de ordinul zecilor de miliwaţi.

III.2.4 Fototranzistorul

Fototranzistorul este un dispozitiv optoelectronic semiconductor , constituit

dintr-un tranzistor , al cărui curent de colector este comandat de către un flux luminos. Fluxul luminos se poate aplica pe oricare (unul) dintre cele trei semiconductoare din

structura tranzistorului (reprezentând colectorul , baza sau emitorul ) Deoarece comanda curentului de colector revine fluxului luminos incident , structura poate fii realizată fără electrodul prin intermediul căruia comanda curentului

de colector se face pe cale electrică , respectiv fără electrodul de bază.Ca atare în mod curentul fototranzistorul este un dispozitiv cu doi electrozi , emitorul şi colectorul .

Pentru a oferi facilităţi legate de stabilizarea punctului static de funcţionare la variaţiile de temperatură , uneori structura este prevăzută cu electrodul de bază .

Ai

p n

SR

(+)

(-) a b

31

Fiind un dispozitiv cu doi electrozi , atunci când este conectat intr-un circuit împreună cu o sarcină , datorită conectări în serie a celor două elemente de circuit

(ordinea în care sunt conectate fiind arbitrată ) , noţiunile de sarcină conectată în colector ( ca la amplificatorul în conexiune emitor comun ) sau de sarcină conectată în

emitor ( ca la repetorul pe emitor ) îşi pierd semnificaţia . Deci nu se poate afirma că tranzistorul (fototranzistorul ) este utilizat în conexiune EC sau CC . Rolul de emitor , respectiv colector , revine acelui semiconductor extrem , din structura tranzistorului ,

care , face parte din joncţiunea polarizată de bateria din circuit în sens direct , respectiv în sens invers . Polarizarea structurii trebuie făcută întocmai ca la un

tranzistor , respectând rolul de colector (respectiv de emitor ) al terminalului destinat de fabricant a fi colector (respectiv emitor). Fototranzistorul se plasează într-o capsulă prevăzută cu o fereastră , in care

este montată o lentilă al cărei rol este acela de a focaliza fluxul luminos asupra regiuni fotosensibile a structurii .

III.2.5 Fototiristorul

Fototiristorul este un dispozitiv optoelectronic semiconductor , realizat după structura tiristorului , a cărui intrare în conducţie (aprindere ) este declanşată de către

un flux luminos . Fluxul luminos se aplică pe regiunea bazelor si are asupra

caracteristicilor AA ui ale tiristorului o acţiune similară cu cea a tensiunii aplicate pe

poarta unui tiristor obişnuit . Deci , caracteristicile au acelaşi aspect , cu deosebirea că

parametrul nu este tensiunea de pe poartă , ci fluxul luminos incident . Cu cât fluxul incident este mai mare , cu atât fototiristorul prezintă o tensiune de amorsare (aprindere , deschidere ) mai mică.

III.2.6 Dioda electroluminescentă (LED)

Dioda electroluminescentă reprezintă un dispozitiv fotoelectronic constituit

dintr-o joncţiune pn polarizată direct , realizată dintr-un material semiconductor a cărui bandă interzisă este astfel aleasă (suficient de largă) încât în procesul de

recombinare radiativă (direct sau prin intermediul impurităţilor ) să rezulte radiaţiei în spectrul vizibil.

Dioda electroluminescentă este prin urmare un convertor de energie , cu ajutorul căruia energia electrică este transformată în energie luminoasă . Din acest

Simbol

32

punct de vedere , un parametru important pentru acel dispozitiv îl constituie randamentul de conversie al energiei electrice în energie radiantă. Ca sursă de lumină

, prezintă importanţă caracteristică spectrală a dispozitivului (culoarea ) . Aceştia sunt cei mai importanţi parametri ai unei diode fotoluminescente .

Culoarea emisă depinde de semiconductorul utilizat şi de dopat (impurităţile folosite). Dioda electroluminescentă se comportă în circuit ca o diodă obişnuită . În

aplicaţiile curente ea este folosită ca indicator luminos sau pentru realizarea instalaţiilor de afişare numerice sau alfanumerice . De remarcat faptul că în cazul

elementelor de afişare cu 7 segmente şi punct zecimal , mai cunoscute , dimensiunile diodelor Pastilelor de siliciu sunt mai mici decât dimensiunile segmentelor , dimensiunile mai mari ale segmentelor fiind obţinute pe cale optică.

III.2.7 Fotocuplorul

Fotocuplorul este un ansamblu de două dispozitive optoelectronice semiconductoare , o diodă electroluminescentă (un LED) şi un fototranzistor

amplasate intr-o aceeaşi incintă (capsulă) astfel ca radiaţia luminoasă emisă de diodă să comande fototranzistorul . În locul fototranzistorului poate fii şi un fototiristor.

Simbol

Fotocuplorul

33

Fotocuplorul are multe şi variate aplicaţii practice . Cea mai importantă este însă ceea

de a transfera o comandă , prin intermediul undei de lumină , între două echipamente electrice care fie că nu trebuie să aibă legătura electrică , fie că se află la potenţiale

electrice diferite , între cele două echipamente existând o diferenţă mare (sau foarte mare ) de potenţial . Se deduce că în majoritatea cazurilor fotocuplorul se utilizează în locul

transformatoarelor ,piese costisitoare , cu gabarit mare grele . În echipamentele menţionate pe lângă eleganţa soluţiei se asigură şi o

fiabilitate sporită, ca şi un grad sporit de protecţie a muncii , evitându-se pericolul de electrocutare . Un alt avantaj al fotocuplorului îl constituie imunitatea la zgomote .

Parametri importanţi ai fotocuplorului sunt : curentul care trebuie injectat în LED pentru a asigura emisia de lumină care să poată fii sesizată de tranzistorul şi curentul

pe care îl poate asigura fototranzistorului , în circuitul în care este conectat.

34

Cap. IV Simularea numerică a circuitului IV.1 INTRODUCERE

Analiza circuitelor electrice şi electronice liniare constă în găsirea soluţiilor unui sistem de ecuaţii algebrice sau diferenţiale care rezultă din aplicarea celor două

teoreme ale lui Kirchhoff şi din relaţiile constitutive ale elementelor de circuit. Dacă circuitul supus analizei conţine elemente neliniare, analiza implică rezolvarea relaţiilor constitutive neliniare simultan cu ecuaţiile obţinute din teoremele lui

Kirchhoff. Evident, o astfel de analiză poate fi efectuată manual numai pentru circuite de mici dimensiuni. Gradul ei de complexitate şi deci efortul de calcul, creşte nu

numai cu dimensiunea circuitului, dar şi când analiza trece de la funcţionarea în curent continuu la studiul comportării circuitului în timp şi/sau în frecvenţă, în acest caz ecuaţiile algebrice (liniare sau neliniare) devenind ecuaţii integro-diferenţiale,

care pot fi rezolvate manual numai în condiţiile unor aproximaţii sau restricţii. Automatizarea proiectării circuitelor electrice şi electronice necesită un circuit electric

(sau o placă de circuit imprimat) virtual (virtuală) care poate fi realizat (realizată) de un calculator prin intermediul unui program de simulare sau de analiză. Programele destinate analizei circuitelor electrice şi electronice, bazate pe topologia

circuitului, pe sistemul de ecuaţii obţinut prin aplicarea teoremelor lui Kirchhoff şi pe relaţiile constitutive (liniare sau neliniare) ale elementelor de circuit, se numesc

simulatoare de circuit. Majoritatea programelor de simulare a circuitelor electrice sunt numerice. În astfel de programe laturile circuitului sunt descrise prin intermediul numerelor reale sau

complexe, iar mărimilor de ieşire li se asociază valori numerice. Un simulator numeric cu o largă utilizare este programul SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis – Program de Simulare Orientat spre Circuite

Integrate). Deşi programele de simulare a circuitelor electrice şi electronice diferă ca mărime şi performanţe, structura majorităţii lor, deci şi a programului SPICE, este

similară, conţinând în principal subprograme de editare, analiză şi prezentare a rezultatelor obţinute (programul fiind de tipul IDE - Integrated Development Environment).

SPICE are o variantă adaptată pentru calculatoarele personale numită PSpice. La rândul său, PSpice are o versiune numită versiunea şcoală, care poate fi furnizată

gratuit tuturor universităţilor sau colegiilor interesate în simularea circuitelor electrice şi electronice. Această versiune şcoală poate fi multiplicată fără nici o restricţie. Deşi capabilă să analizeze circuite electrice şi electronice cu complexitate limitată,

versiunea şcoală a programului PSpice este deosebit de utilă cursului de Teoria Circuitelor Electrice şi Electronice şi altor cursuri legate de simularea şi proiectarea

circuitelor electronice analogice sau digitale. Cea mai mare parte a programului de simulare o reprezintă subprogramul de analiză, care execută analizele de circuit specificate în fişierul de date de intrare (furnizat de

utilizator), ieşirile din acest subprogram furnizând date pentru a fi utilizate ulterior de subprogramul de prezentare a rezultatelor care, de regulă, materializează aceste date

sub formă de grafice şi texte. Subprogramul de analiză conţine procedeele numerice ale reprezentării matematice a circuitului. Programul PSpice poate efectua următoarele tipuri de analiză: analiza în curent

continuu (.DC), analiza în curent alternativ (.AC), analiza în regim tranzitoriu (.TRAN), analiza Fourier, calculul şi analiza funcţiilor de transfer, analiza

zgomotului, analiza distorsiunilor şi calculul şi analiza senzitivităţilor.

35

Un program în Spice cuprinde instrucţiunile pentru titlu, de comentariu, de descriere a elementului, de model, de comandă (control) şi de sfârşit (.END). Prima instrucţiune

într-un program în Spice este obligatoriu o instrucţiune de titlu, iar ultima trebuie să fie una de sfârşit, ordinea celorlalte fiind arbitrară (exceptând cazul continuărilor, care

trebuie să fie imediat după linia care se continuă). Programul în limbaj Spice se editează sub forma unui fişier care trebuie să aibă extensia .cir. Instrucţiunea pentru titlu – prima instrucţiune dintr-un program – conţine un nume

oarecare – de exemplu, tipul (numele) circuitului analizat. Numele (titlul) atribuit circuitului analizat va fi tipărit în fiecare secţiune a fişierului de ieşire (cu extensia

.out), împreună cu rezultatele obţinute din analiza respectivă. Instrucţiunea pentru titlu este ignorată de calculator în procesul efectuării operaţiilor impuse de analiza cerută prin program. În cazul când aceasta lipseşte, calculatorul

interpretează ca declaraţie cu rol de titlu prima instrucţiune a programului, ceea ce conduce la o analiză greşită, deoarece din program va lipsi o instrucţiune.

Instrucţiunea de titlu poate să înceapă şi cu caracterul ‘*’, care desemnează declaraţia respectivă ca fiind linie de comentariu. Instrucţiunile de descriere ale fiecărui element de circuit indică: numele elementului

de circuit (identificator), poziţia în schema circuitului (nodurile la care este conectat elementul respectiv) şi valorile parametrilor ce determină caracteristicile electrice ale

elementului respectiv. Litera mare, specifică fiecărui element de circuit, este indicată în tabelul 1.1.

Tabelul 1.1

Element de circuit Litera mare

Rezistor R

Condensator C

Bobină L

Bobine cuplate magnetic K

Linie de transmisie T

Linii de transmisie cuplate K

Diodă D

Tranzistor bipolar Q

Tranzistor unipolar (TEC-J) J

Tranzistor unipolar (TEC-MOS) M

Tranzistor GaAsFET B

Sursă independentă de tensiune V

Sursă independentă de curent I

Sursă de tensiune comandată în tensiune E

Sursă de curent comandată în curent F

Sursă de tensiune comandată în curent H

Sursă de curent comandată în tensiune G

Intrare digitală N

Ieşire digitală O

Primitivă digitală U

Stimul digital U

36

Întrerupător (switch) comandat în tensiune S

Întrerupător (switch) comandat în curent W

Subcircuit X

Nodurile circuitului se numerotează de la 0 la n şi nodul 0 se consideră ca nod

de referinţă.

Simulatorul PSpice utilizează, pentru analiza circuitelor, metoda nodală

modificată. Prin urmare, fiecare nod trebuie să primească un număr. Numerele alocate

nodurilor trebuie să fie întregi şi pozitive, ele nu trebuie să fie atribuite secvenţial. Ca

nod de referinţă (masă) se consideră implicit nodul zero. Pentru ca programul PSpice

să poată să analizeze un circuit se impune respectarea obligatorie a următoarelor

reguli:

în fiecare nod să fie conectate cel puţin două elemente de circuit, excepţie

făcând nodurile liniilor de transmisie şi ale substratului la tranzistoarele TEC-MOS;

pentru fiecare nod al circuitului trebuie să existe cel puţin o cale de curent

continuu la masă, cu o rezistenţă proprie. Acolo unde această cale nu există se poate conecta un rezistor cu valoarea rezistenţei foarte mare, care să nu influenţeze

funcţionarea circuitului, între nodul respectiv şi masă;

circuitul analizat nu trebuie să conţină bucle formate numai din surse ideale

de tensiune şi/sau bobine ideale (astfel de bucle au rezistenţa ohmică zero). Acolo unde există asemenea situaţii, se pot conecta în serie cu bucla respectivă câte un rezistor liniar cu valoarea rezistenţei foarte mică, care să nu influenţeze funcţionarea

circuitului;

circuitul analizat nu trebuie să conţină secţiuni formate numai din surse

ideale de curent şi/sau condensatoare. Acolo unde există asemenea cazuri, se conectează în paralel, cu sursele de curent sau cu condensatoarele unei astfel de

secţiunii, rezistoare liniare cu valori foarte mari ale rezistenţelor, care să nu influenţeze funcţionarea circuitului.

Instrucţiunile de model sunt proprii fiecărui dispozitiv, specificând valorile

parametrilor pentru descrierea dispozitivelor semiconductoare. Cuvântul cheie pentru tipul de model este prezentat în tabelul 1.2.

Tabelul 1.2

Tipul dispozitivului

modelat

Cuvânt cheie pentru

tipul de model

Diodă D

Tranzistor NPN NPN

Tranzistor PNP PNP

TEC-J canal n NJF

TEC-J canal p PJF

TEC-MOS canal n NMOS

TEC-MOS canal p PMOS

Instrucţiunile de comentariu încep cu simbolul ‘*’, după care urmează un text ce conţine indicaţii sau explicaţii pentru utilizator. Conţinutul lor este ignorat de

calculator, dar apare în listingul de ieşire.

37

Instrucţiunile de comandă (control) precizează tipurile de analiză, complexitatea şi modul de editare a rezultatelor. Instrucţiunile de comandă (control)

încep cu un punct, urmat imediat de un cuvânt cheie specific fiecărui tip de analiză, prezentat în tabelul 1.3.

Tabelul 1.3

Comanda Descriere

1 2

Analiza standard

.DC Analizează circuitul pentru mai multe valori ale unei

variabile de tip DC (curent continuu)

1 2

.AC Calculează răspunsul în frecvenţă pentru un domeniu de

frecvenţe specificat

.OP Stabileşte şi detaliază informaţii despre punctul static de

funcţionare (PSF)

.TF Calculează funcţia de transfer pentru semnal mic, prin liniarizarea circuitului în jurul PSF

.SENS Calculează senzitivităţile nodurilor la variaţii mici ale semnalului în jurul PSF (liniarizare)

.NOISE Determină efectuarea analizei în condiţiile considerării

zgomotului componentelor

.TRAN Efectuează analiza în domeniul timp (în regim tranzitoriu)

.FOUR Efectuează analiza Fourier a semnalului de ieşire specificat

.DISTO Analiza distorsiunilor în c.a.

Analiza multi-run

.STEP Efectuează analiza dorită modificând valoarea unui

parametru al unei componente

.TEMP Setează valorile temperaturii la care se efectuează

analiza

Analiza statistică

.MC Analiza statistică de tip Monte Carlo

.WCASE Analiza statistică de tip senzitivitate (cazul cel mai defavorabil)

Condiţii iniţiale

.IC Setează PSF în momentul iniţial al analizei

.NODESET Propune o valoare de început pentru PSF, dar nu o

impune (ca .IC)

.SAVEBIAS Salvează parametrii PSF într-un fişier specificat

.LOADBIAS Încarcă fişierul cu parametrii PSF

Modelare elemente de circuit

.MODEL Defineşte un set de parametri pentru un tip de componente

.SUBCKT Început descriere subcircuit

.ENDS Sfârşit descriere subcircuit

38

.DISTRIBUTI

ON Specifică distribuţia toleranţei parametrilor modelului

Comanda ieşirii

.PLOT Comandă exprimarea rezultatelor într-o forma grafică ce poate fi tipărită la imprimantă

.PRINT Comandă exprimarea rezultatelor sub formă de tabele

.PROBE Trimite rezultatele simulării în postprocesorul Probe sub

forma unui fişier cu extensia dat

.WATCH Permite vizualizarea rezultatelor simulării pe măsură ce aceasta avansează

.WIDTH Specifică numărul de coloane pe care se doreşte vizualizarea Fişierului Ieşire

1 2

Comenzi de prelucrare

.FUNC Defineşte o funcţie

.PARAM Defineşte unul sau mai mulţi parametri

.END Sfârşit de Fişier Circuit

.INC Include fişierul specificat în Fişierul Circuit

.LIB Apelează la o bibliotecă specificată, necesară pentru a

găsi modelul unui element de circuit

Diverse

.EXTERNAL Indică nodurile exterioare (porturi) şi tipul lor

.OPTIONS Setează diverşi parametri ai simulării

.STMLIB Specifică un fişier conţinând informaţia despre stimuli

.STIMULUS Indică fişierul cu numele stimulilor

.TEXT Expresie de tip text utilizată la descrierea circuitelor

digitale

Când o instrucţiune este prea lungă, ea poate fi continuată pe rândul următor dacă pe noul rând se începe cu caracterul „+“ . Prelungirea se poate face pe oricâte

rânduri, cu respectarea regulii menţionate.

Instrucţiunea de sfârşit (.end) este ultima declaraţie dintr-un program în

PSpice. Instrucţiunea de sfârşit semnifică, pentru calculator, terminarea programului introdus. În cazul când această instrucţiune lipseşte, calculatorul ia în considerare

instrucţiunea .end din programul următor, inclusiv instrucţiunile acestui program, motiv care duce de cele mai multe ori la întreruperea executării programului în Spice.

Dacă calculatorul nu găseşte nici o instrucţiune .end, se întrerupe, de asemenea, execuţia programului.

Blank-urile, tab-urile şi virgulele sunt echivalente şi nu contează numărul acestora între două cuvinte semnificative, cu excepţia titlului şi a expresiilor.

Ordinea în care sunt scrise instrucţiunile nu are importanţă, excepţie făcând următoarele instrucţiuni:

1. Linia de titlu trebuie să fie prima. 2. Definirea subcircuitelor trebuie să înceapă cu .SUBCKT şi să se termine

cu .ENDS. 3. Definirea funcţiilor cu .FUNC trebuie făcută înainte de utilizarea acestora.

39

4. Instrucţiunea .END trebuie să fie la sfârşitul fişierului. Dacă o instrucţiune apare de mai multe ori, este luată în consideraţie doar

ultima apariţie, excepţie făcând următoarele instrucţiuni: .LIB, .PRINT, .PLOT, .PROBE, .INC, .PARAM, .FUNC, .IC şi .NODSET.

Valorile numerice se scriu cu semn, utilizând simboluri pentru ordinele de multiplicitate sau scrierea standard în virgulă mobilă. Astfel sunt scrise corect

următoarele valori: 2 2000. –25.1 1E6 3.71E-4 2E-5

care mai pot fi scrise şi astfel:

2000m 2k -251E-1 1Meg 0.371m 0.2u

Factorii de scară (multiplicatori). Anumite puteri zecimale pot fi declarate

prin abrevieri.

Exemple:

Introducere Echivalenţă în Spice Semnificaţie

-3.75K -3.75E3 -3,75x103

45.9P 45.9E-12 45,9x10-12

2.25M 2.25E-3 2,25x10-3

În tabelul 1.4 sunt prezentaţi factorii de scară utilizaţi în programul Spice (PSpice).

Tabelul 1.4

Valoare Simbol Forma exponenţială

10-15 F 1E-15

10-12 P 1E-12

10-9 N 1E-9

10-6 U 1E-6

10-3 M 1E-3

103 K 1E3

106 MEG 1E6

109 G 1E9

1012 T 1E12

În unele aplicaţii este mai comod să folosim expresii în care să nu intervină numai valori numerice, ci şi parametri definiţi de utilizator. Evident, în expresii pot fi utilizate şi funcţiile predefinite în PSpice. Funcţiile cu ajutorul cărora se pot construi

expresii în PSpice sunt prezentate în tabelul 1.5. În cadrul expresiilor pot interveni şi variabile sistem, care sunt:

TEMP – valori ale temperaturii rezultate în urma setării condiţiilor iniţiale de funcţionare a componentelor sau rezultate în urma simulării;

TIME – valori ale timpului, în cazul efectuării analizei în domeniul timp.

De asemenea, pot apărea şi parametri de model – componentă. În cazul când variabilele sistem sau parametrii componentelor se modifică în cursul analizei, la

fiecare pas nou sunt introduse noile valori la calcularea expresiilor. Dacă nu se face nici o specificare a temperaturii, valoarea implicită a acesteia este de 270C.

Tabelul 1.5

40

Funcţia Semnificaţia Observaţii

ABS(x) x

SQRT(x) x

EXP(x) xe

LOG(x) xln Logaritm în baza

“e”

LOG10(x) xlog Logaritm în baza

10

PWR(x,y) yx

PWRS(x,y) 0 , ;0 , xxxxyy

SIN(x) Sin(x) x în radiani

COS(x) Cos(x) x în radiani

TAN(x) Tg(x) x în radiani

ATAN(x) Ctg(x) x în radiani

ARCTAN(x) Arctg(x) Rezultatul în radiani

LIMIT(x,min,max)

maxxmin,x

maxxmax,

minxmin

pentru

pentru

pentru ,

Pentru formalizarea declaraţiilor şi instrucţiunilor se vor utiliza parantezele < > pentru a indica elemente obligatorii şi [ ] pentru elemente opţionale.

IV.2. Instrucţiuni utilizate în Pspice

Instrucţiunea .DC are forma:

.DC srcnume start1 stop1 incr1 [scr2 star2 stop2 incr2]

în care: scrnume – este denumirea sursei independente de tensiune sau de curent din circuit; start1 – valoarea tensiunii (curentului) de la care se începe analiza în c.c.,

inclusiv UM (unitatea de măsură); stop1 – valoarea tensiunii (curentului) la care se termină analiza în c.c., inclusiv UM; incr1 – valoarea pasului de incrementare în analiza de c.c., inclusiv UM; scr2 – denumirea celei de-a doua surse independente (de

tensiune sau curent), opţională; start2 – valoarea de început a analizei în c.c. pentru cea de-a doua sursă, inclusiv UM; stop2 – valoarea de sfârşit a celei de-a doua surse,

inclusiv UM; incr2 – valoarea pasului de incrementare pentru cea de-a doua sursă, inclusiv UM.

Exemple:

.DC VIN1 0.2 20 .5

.DC VCE 0 25 0.1 IB 0 .1m 1u

Instrucţiunea .DC este utilizată pentru specificarea valorilor limită şi a incrementului tensiunii sau curentului sursei independente. În cazul când se specifică şi o a doua sursă, pentru fiecare valoare de tensiune sau curent a primei surse se

parcurge domeniul de variaţie al celei de-a doua. Această facilitate poate fi folosită în situaţiile în care se trasează familiile de caracteristici ale dispozitivelor electronice.

Fişierul de intrare poate să conţină cel mult o instrucţiune de comandă .DC.

41

Instrucţiunea .OP are forma:

.OP

şi introducerea ei în SPICE are drept scop determinarea punctelor statice de funcţionare ale dispozitivelor electronice ale circuitului analizat (cu bobinele

scurtcircuitate şi condensatoarele eliminate). Analiza în c.c. este efectuată automat în situaţiile în care se cere calculul

regimului tranzitoriu – pentru determinarea condiţiilor iniţiale de lucru – şi la analiza

în c.a. – pentru determinarea parametrilor din modelele de semnal mic ale dispozitivelor electronice liniarizate pe porţiuni.

Instrucţiunea .TF are structura:

.TF outvar ins

unde: outvar reprezintă numele variabilei de ieşire pentru analiza de semnal mic

(tensiune sau curent), iar ins este denumirea sursei de intrare pentru analiza de semnal mic (tensiune sau curent). Această sursă determină calculul funcţiei de transfer la

semnal mic în punctele statice de funcţionare ale circuitului (variabila de ieşire/variabila de intrare), rezistenţa de intrare şi cea de ieşire, în raport cu nodurile specificate, faţă de nodul de referinţă (masă).

Exemple:

.TF V(9) VIN

.TF V(1) IGEN

Instrucţiunea .NODESET are forma:

.NODESET V(n1) = val1 V(n2) = val2 … V(np) = valp

în care: V(n1) = val1 – reprezintă valoarea iniţială a tensiunii nodului n1 în raport cu nodul de referinţă (masa); V(n2) = val2 – este valoarea iniţială a tensiunii nodului n2

în raport cu nodul de referinţă (masa); …; V(np) = valp – constituie valoarea iniţială a tensiunii nodului np în raport cu nodul de referinţă (masa).

Toate programele de simulare neliniară calculează soluţia iterativ. Procesul

iterativ porneşte cu o estimare iniţială (de început) a potenţialelor. Programul PSpice presupune că la început toate potenţialele nodurilor sunt nule. În majoritatea cazurilor

nu este necesar să se specifice nici o informaţie despre valoarea iniţială a potenţialelor nodurilor. Există însă şi excepţii, în cazul în care programul Spice nu poate găsi soluţia în 100 de iteraţii (acest număr este o valoare predefinită). În aceste situaţii se

apelează la instrucţiunea .NODESET care iniţializează potenţialele nodurilor. Soluţia finală poate să difere de valorile specificate prin declaraţia .NODESET. PSpice

foloseşte aceste valori iniţiale numai ca o indicaţie până când găseşte prima soluţie. După aceasta, restricţiile de iniţializare se înlătură şi se continuă căutarea soluţiei de c.c. până se ajunge la soluţia finală. Soluţia finală va fi probabil în concordanţă cu

valorile specificate prin declaraţia .NODESET dacă ele sunt corecte, dar nu trebuie să fie identice cu ele.

Prin urmare, instrucţiunea .NODESET este utilizată pentru obţinerea convergenţei soluţiei şi este folosită pentru analiza circuitelor bistabile şi astabile.

Exemple:

.NODESET V(3) = 2..3 V(9) = 4.8

.NODESET V(11) 5.2

Instrucţiunea .SENS determină calculul senzitivităţilor de semnal mic, în regim continuu, pentru variabilele de ieşire specificate, în raport cu fiecare parametru de circuit. Formatul acestei instrucţiuni este

42

.SENS outvar1 [outvar2 …]

unde: outvar1 este variabila de ieşire 1 (tensiune sau curent) şi outvar 2 reprezintă a

doua variabilă de ieşire (tensiune sau curent).

Exemple:

.SENS V(3) V(7) I(RC)

.SENS V(4,5) I(Q5) I(R6)

Declaraţia .AC efectuează analiza de semnal mic a circuitului în regim

sinusoidal, relativ la punctul de funcţionare calculat, în gama de frecvenţe specificată. Pentru ca această analiză să fie efectuată, trebuie ca cel puţin o sursă independentă să

aibă specificată valoarea în regim sinusoidal. Declaraţia .AC are una din următoarele trei forme:

.AC DEC ND FSTART FSTOP

.AC OCT NO FSTART FSTOP

.AC LIN NP FSTART FSTOP

în care: DEC – indică faptul că analiza de c.a. se efectuează pe decade, în gama de frecvenţe [FSTART, FSTOP]; OCT – analiza de c.a. se efectuează pe octave, în gama de frecvenţe [FSTART, FSTOP]; frecvenţa se variază liniar în gama de frecvenţe

[FSTART, FSTOP]; ND – este numărul de puncte pe decadă, plasate logaritmic; NO - numărul de puncte pe octavă, plasate logaritmic; NP – numărul de puncte în gama de

frecvenţă, plasate echidistant; FSTART – frecvenţa de început a analizei de c.a.; FSTOP – frecvenţa de sfârşit a analizei de curent alternativ.

Instrucţiunea .NOISE calculează zgomotul echivalent la intrarea şi ieşirea

menţionate. Instrucţiunea acţionează numai în cazul când se specifică şi efectuarea analizei de semnal mic, în regim alternativ, printr-o instrucţiune .AC. Calculul

zgomotului se face ţinând seama de zgomotul termic, de alice şi de licărire. Zgomotul de licărire este simulat numai în cazul când se specifică valorile parametrilor de model AF (exponentul pentru zgomotul de licărire) şi KF (coeficientul pentru zgomotul de

licărire), diferite de cele implicite. Zgomotul la ieşire, precum şi cel echivalent de la intrarea specificată, se pot tipări sau reprezenta grafic utilizând instrucţiunile .PRINT

şi .PLOT. Instrucţiunea .NOISE are structura:

.NOISE outvar inspsrc intrv

unde: outvar – este variabila de ieşire (tensiune sau curent) ce defineşte punctul de însumare, în care se calculează zgomotul total generat de componentele din circuit, la

toate frecvenţele din gama [FSTART, FSTOP] specificate în instrucţiunea .AC; inspsrc – numele sursei independente de tensiune sau curent ce defineşte referinţa de intrare a zgomotului; intrv – numărul de puncte din intervalul pentru care se tipăreşte

contribuţia la zgomotul total al componentelor ce conţin cel puţin o sursă de zgomot.

Exemple:

.NOISE V(3) VIN 20

.NOISE V(7) I(3) 60

Instrucţiunea .DISTO este luată în consideraţie numai dacă a fost indicată

analiza în curent alternativ de semnal mic. Ea determină calculul distorsiunilor de semnal mic şi anume: distorsiunile de intermodulaţie şi modulaţie încrucişată.

Calculul se efectuează pentru una sau două frecvenţe (f1, f2) impuse la intrare (respectiv la sursa independentă de c.a. specificată prin cuvântul cheie .AC).

43

Prin intermediul instrucţiunii .DISTO, ca parte a analizei în regim alternativ la semnal mic sinusoidal, se calculează următoarele componente ale distorsiunilor:

HD2 – amplitudinea componentei de frecvenţă 2f1, dacă componenta de

frecvenţă f2 nu există;

HD3 – amplitudinea componentei de frecvenţă 3f1, dacă componenta de

frecvenţă f2 nu există;

SIM2 – amplitudinea componentei de frecvenţă f1 + f2;

DIM2 – amplitudinea componentei de frecvenţă f1 - f2;

DIM3 – amplitudinea componentei de frecvenţă 2f1 - f2.

Formatul instrucţiunii .DISTO este:

.DISTO RLOAD [INTER [SKW2 [REFPWR [SPW2] ] ] ]

unde: RLOAD – reprezintă denumirea rezistorului de sarcină din circuit, pe care se

însumează toate componentele ce produc distorsiunea totală, corespunzătoare puterii

disipate pe el; INTER – este intervalul pentru care se tipăreşte contribuţia tuturor

dispozitivelor semiconductoare neliniare (diode şi tranzistoare) la distorsiunea totală;

dacă INTER nu este specificat sau valoarea sa este 0, nu se tipăresc aceste contribuţii;

SKW2 – reprezintă raportul dintre frecvenţele f2 şi f1, cu valori cuprinse între 0 şi 1,

pentru care se face calculul distorsiunilor; f1 este frecvenţa cuprinsă între limitele

FSTART şi FSTOP specificate în instrucţiunea de comandă .AC, iar f2 este un

submultiplu al frecvenţei f1 (dacă parametrul se omite, valoarea implicită este 0,9);

REFPWR – reprezintă nivelul puterii de referinţă, utilizat în calculul distorsiunilor

(dacă nu se menţionează, se consideră valoarea implicită de 1 mW) şi SPW2 –

reprezintă amplitudinea semnalului de frecvenţă f2 (dacă nu se specifică, valoarea

implicită se consideră 1).

Tipurile de distorsiuni, menţionate mai sus, pot fi tipărite şi reprezentate grafic

prin intermediul instrucţiunilor .PRINT şi .PLOT.

Exemple:

.DISTO RL3 4 0.8 1.0E+3 0.75

.DISTO R7

Instrucţiunea .TRAN este utilizată pentru analiza în regim tranzitoriu a

circuitului, respectiv pentru determinarea răspunsului acestuia în domeniul timp. Această instrucţiune are forma:

.TRAN TSTEP TSTOP [TSTART [TMAX]] [UIC]

în care: TSTEP – reprezintă pasul de timp cu care se face tipărirea rezultatelor, inclusiv UM; TSTOP – este momentul de timp până la care se face analiza

rezultatelor, inclusiv UM; TSTART – reprezintă momentul de timp de la care se tipăresc rezultatele, inclusiv UM (dacă se omite, valoarea implicită este 0); TMAX –

este pasul maxim de calcul (dacă se omite, valoarea sa implicită este minimum dintre TSTEP şi (TSTART – TSTOP)/50.0) şi UIC – cuvânt cheie opţional (Use Initial Conditions), indicând utilizarea condiţiilor iniţiale specificate prin parametrii IC = …,

la descrierea elementelor de circuit, pentru începerea analizei în regim tranzitoriu (omiterea acestui cuvânt determină calculul condiţiilor iniţiale în mod automat de

către program).

Exemple:

.TRAN 20n 2u

44

.TRAN 2n 1000n UIC

Instrucţiunea .TRAN este utilizată pentru analiza în regim tranzitoriu a

circuitului dat, respectiv pentru determinarea răspunsului acestuia în domeniul timp. Analiza începe întotdeauna de la momentul de timp 0. În intervalul (0, TSTART),

analiza este efectuată, dar rezultatele nu sunt păstrate în memoria calculatorului. În intervalul (TSTART, TSTOP), analiza este efectuată cu păstrarea rezultatelor. Spice selectează în mod automat pasul de calcul, care nu va depăşi valoarea TMAX.

Instrucţiunea .IC are forma:

.IC V(N1) = val1 V(N2) = val2

unde: V(N1) = val1 – reprezintă valoarea tensiunii în nodul N1, V(N2) = val2 – valoarea tensiunii în nodul N2 etc.

Exemple:

.IC V(2) = 1.5 V(3) = 1.5 V(6) = 2.5

.IC V(4) = 3.5

Instrucţiunea .IC este utilizată pentru setarea condiţiilor iniţiale la analiza de regim tranzitoriu. Această instrucţiune are două interpretări posibile:

1) când parametrul UIC este utilizat în instrucţiunea .TRAN, atunci tensiunile

în nodurile specificate prin instrucţiunea .IC sunt folosite pentru calculul condiţiilor iniţiale la condensatoare, bobine, diode, tranzistoare bipolare şi tranzistoare unipolare

(TEC-J, MOS-FET). Acest lucru este echivalent cu specificarea condiţiilor iniţiale la fiecare dispozitiv, prin folosirea parametrului IC = … Utilizarea instrucţiunii .IC este avantajoasă. Deoarece analiza în regim tranzitoriu se efectuează înaintea determinării

soluţiei iniţiale de regim continuu, la calculul condiţiilor iniţiale de operare ale dispozitivelor trebuie avut în vedere să se specifice toate sursele de tensiune continue,

folosind instrucţiunea .IC; 2) dacă nu se specifică parametrul UIC în instrucţiunea .TRAN, soluţia iniţială

de regim continuu se calculează înaintea analizei în regim tranzitoriu. În acest caz,

tensiunile în nodurile specificate prin instrucţiunea .IC vor forţa valorile iniţiale pentru polarizări. Pe durata efectuării analizei în regim tranzitoriu constrângerile

impuse acestor noduri sunt înlăturate.

Exemple:

.IC V(2) = 1.5 V(6) = 2.5 V(8) = 5.0

.IC V(1) = 4.5

Instrucţiunea .FOUR are structura:

.FOUR freq outvar1 [outvar2 …]

în care: freq – este frecvenţa fundamentalei semnalului de intrare la care se efectuează analiza Fourier; outvar1 – reprezintă variabila de ieşire 1 pentru care se realizează

analiza Fourier; outvar2 – variabila de ieşire 2 pentru care se realizează analiza Fourier.

Prin instrucţiunea .FOUR se realizează o analiză Fourier, ca parte a analizei în regim tranzitoriu, la frecvenţa fundamentală freq, pentru variabilele de ieşire specificate. Analiza Fourier se efectuează în intervalul [TSTOP - PER, TSTOP], în

care: TSTOP este timpul final specificat în analiza de regim tranzitoriu şi PER reprezintă perioada frecvenţei fundamentalei.

Sunt calculate primele nouă componente, precum şi componenta de curent continuu. Pentru mărirea acurateţei, la circuite având factorul de calitate Q foarte

45

mare trebuie setat parametrul TMAX (în instrucţiunea .TRAN) la cel mult perioada/100.0. În vederea eliminării reziduurilor tranzitorii, analiza trebuie efectuată

pe mai multe perioade ale semnalului. Instrucţiunea .PRINT este utilizată pentru tipărirea sub formă de tabel a

valorilor variabilelor de ieşire specificate. Forma acestei instrucţiuni este:

.PRINT tip var1 [var2 … var8]

în care: tip – este tipul analizei (DC, AC, TRAN, NOISE, DISTO) pentru care se

doreşte tipărirea; var1 – variabila de ieşire ale cărei valori se tipăresc (tensiune sau curent), forma de descriere a unei tensiuni între nodurile N1 şi N2 este V(N1[, N2]),

dacă N2 este omis, tensiunea se consideră între nodul N1 şi masă (nodul de referinţă căruia i se atribuie indicele 0); var2 … var8 – variabile de ieşire ale căror valori se tipăresc (opţional), numărul lor este limitat la 8.

Pentru analiza AC sunt posibile şi următoarele notaţii adiţionale în descrierea variabilelor de ieşire: VR – partea reală a tensiunii V; VI – partea imaginară a lui V;

VM – amplitudinea tensiunii V; VP – faza tensiunii V şi VDB – 20lg(amplitudinea tensiunii V).

I(V_nume) reprezintă curentul prin sursa independentă de tensiune V_nume.

Sensul de referinţă al curentului prin sursă se consideră de la nodul pozitiv la cel negativ al acesteia. În cazul analizei AC, curenţii se descriu asemănător tensiunilor.

Variabilele de ieşire pentru analiza zgomotului şi a distorsiunilor au o formă generală diferită de celelalte tipuri de analize. Forma este: var[x], unde var poate reprezenta: ONOISE – zgomotul de ieşire; INOISE – zgomotul echivalent de intrare;

D2 – dioda semiconductoare D2; HD3 – amplitudinea componentei de frecvenţă 3f1, dacă componenta de frecvenţă f2 nu există; SIM2 – amplitudinea componentei de

frecvenţă f1 + f2; DIM2 – amplitudinea componentei de frecvenţă f1 – f2; DIM3 – amplitudinea componentei de frecvenţă 2f1 – f2, iar x poate fi: R – partea reală; I – partea imaginară; M – amplitudinea (implicită dacă nu este specificată); P – faza şi

DB – 20lg(amplitudine). Astfel, SIM2 (sau SIM2(M)) descrie amplitudinea distorsiunii SIM2, iar

HD3 R – partea reală a distorsiunii HD3.

Exemple:

.PRINT DC V(4) I(VIN1)

.PRINT AC VM(6,8) VP(5,6) VR(8) II(VIN)

.PRINT NOISE INOISE

.PRINT DISTO D3 SIM2(DB)

.PRINT TRAN V(7) I(R5)

Numărul instrucţiunilor de tip .PRINT folosite pentru fiecare tip de analiză nu are limite.

Instrucţiunea .PLOT este utilizată pentru reprezentarea grafică a variabilelor

de ieşire specificate. Reprezentarea grafică se realizează prin tipărirea simbolului „*“ în punctele graficului. Punctele de intersecţie ale mai multor grafice sunt marcate prin

x. Când mai multe variabile apar pe acelaşi grafic, pentru prima variabilă se tipăresc şi valorile numerice. Dacă se doreşte acest lucru şi pentru celelalte variabile este necesară adăugarea altei instrucţiuni .PLOT. Nu există limite pentru numărul

instrucţiunilor .PLOT folosite în fiecare tip de analiză. Forma instrucţiunii .PLOT este:

.PLOT tip var1 [linf1, lsup1] [var2 [linf2, lsup2] …]

46

unde: tip – este tipul analizei (DC, AC, TRAN, NOISE, DISTO) pentru care se doreşte reprezentarea grafică; var1 – variabila de ieşire 1 care se reprezintă grafic

(tensiune sau curent), specificaţiile prezentate la instrucţiunea .PRINT rămân valabile şi aici; linf1, lsup1 – limitele opţionale – inferioară, respectiv superioară – ale

reprezentării grafice pentru variabila de ieşire var1; dacă aceste limite nu sunt specificate, în mod automat sunt calculate valorile minime şi maxime ale variabilelor de ieşire, realizând o scalare adecvată a reprezentărilor grafice; var2 – variabila de

ieşire 2 care urmează să se reprezinte grafic (opţional); numărul acestor variabile este de maxim 8 şi linf2, lsup2 – limitele opţionale – inferioară, respectiv superioară – ale

reprezentării grafice pentru variabila de ieşire var2.

Exemple:

.PLOT DC V(4) IE(Q3)

.PLOT TRAN V(5,7) I(R5) V(4)

.PLOT DISTO HD2 HD3(R) SIM2

.PLOT AC VM(9) VDB(3,4) VP(11) Instrucţiunea .WIDTH este folosită pentru specificarea numărului de caractere

dintr-o linie a fişierului de intrare, precum şi a numărului de caractere dintr-o linie a fişierului de ieşire.

Instrucţiunea .WIDTH are următoarea structură:

.WIDTH IN = ncol1 OUT = ncol2

în care: IN = ncol1 – semnifică numărul coloanelor citite din fiecare linie de intrare.

Dacă acest număr nu este specificat, implicit ncol1 = 80; OUT = ncol2 – specifică numărul coloanelor de tipărire. În cazul când acest număr nu este specificat, implicit

ncol2 = 80. Valorile permise pentru ncol2 sunt 80 şi 133.

Exemple:

.WIDTH IN = 75 OUT = 133

.WIDTH IN = 72

IV.3.S Ursă de curent pentru LED-uri

Dacă un LED este utilizat într-un circuit , curentul pentru LED este în mod obişnuit fixat cu o rezistenţă de limitare . LED-ul poate fi stins sau aprins de un

tranzistor. Totuşi metoda dată în figură nu ia în considerare nici o variaţie de tensiunii de alimentare . O mică variaţie a curentului prin LED poate fi foarte dăunătoare , mai

ales când sunt utilizate LED-uri de mare eficienţă . Suplimentarea cu numai un tranzistor poate transforma circuitul din figură într-o sursă de curent care poate fi cuplată şi decuplată (de exemplu , cu nivele TTL) .

În circuitul din figură se observă că rezistenţa R1 a fost mutată în emitorul lui T1 . Când o tensiune de comandă este aplicată la intrarea lui T1 , acest tranzistor conduce ,

determinând apariţia unui curent prin R1 . Tranzistorul T2 comandă curentul de bază a lui T1 astfel încât tensiunea ce cade pe R1 rămâne 0,6 V . Curentul I prin LED-uri şi R1 se calculează cu relaţia I=0,6/R1 . Dacă , de exemplu , R1 este 12Ω, curentul prin

LED-uri este de 50mA . De reţinut că disiparea pe T1 este întrucâtva mai mare decât în circuitul dat în figură dar cu toate acestea , disipaţia pe R1 nu este atât de ridicată.

47

+

4k7

T2

T1

BC 140

R1 BC 547

P=Ub*I

B3590-1

I=0.6/R1

R2

Fig 4.1. Schema circuitului

48

Cap. V. Protecţia Muncii

Protecţia muncii este un ansamblu de măsuri tehnice , sanitare şi

organizatorice , având ca scop ocrotirea vieţi şi sănătăţii celor ce muncesc în timpul procesului de producţie şi asigurarea unor condiţii optime de muncă .

În ţara noastră statul acordă o deosebită atenţie creării la locul de muncă a unor condiţii ne periculoase , care să asigure deplina securitate a muncii. Spre deosebire de cele mai tipuri de instalaţii , la care pericolele posibile sunt

sesizate de simţurile omeneşti , la instalaţiile electrice , tensiunea electrică nu poate fii astfel sesizată , pentru ca omul să fie prevenit asupra pericolului posibil .

2.Efectul curentului electric asupra corpului omenesc În cazul în care omul atinge simultan două corpuri bune conductoare de

electricitate între care există o diferenţă de potenţial electric de exemplu , două conductoare electrice neizolate, corpul său va fii străbătut de un curent electric ,

accident care se numeşte electrocutare. Electrocutarea poate avea loc prin atingerea directă a părţilor din circuitele electrice , sau prin atingerea indirectă , adică atingerea unei părţi metalice care nu fac

parte din circuitul electric , dar este pus accidental sub tensiune , de exemplu carcasa unui motor electric cu izolaţia înfăşurării deteriorată .

Tensiunea la care este supus omul la atingerea unui obiect intrat accidental sub tensiune este numită tensiune de atingere . Efectele treceri curentului electric prin corpul omului sunt : şocul electric şi

electrotraumatismele . Şocul electric – când valoarea curentului ce străbate corpul este sub 1 mA , omul nu simte trecerea acestuia .

La valori mai mari, până la 10 mA , au loc comoţii nervoase la mâinile şi picioarele prin care trece curentul ; se manifestă contracţii ale muşchilor de la mâini ,

astfel omul se desprinde cu efort de obiectul aflat sub tensiune . Accidentul poate fi însoţit de acţiuni necontrolate de apărare , care pot conduce la dezechilibrarea şi căderea omului de la înălţime .

Peste 10 mA , omul nu se mai poate desprinde singur de obiectul aflat sub tensiune şi se poate produce şocul electric , curentul putând acţiona asupra sistemului

nervos sau inimii. Acţiunea curentului electric asupra sistemului nervos poate avea ca efecte mai grave oprirea respiraţiei .

Electrotraumatismele sunt cauzate de arcurile electrice care pot apărea , de exemplu, scurtcircuitarea accidentală a circuitelor electrice . Ele pot provoca orbirea ,

metalizarea pielii sau arsuri care pot distruge pielea , muşchii sau chiar oasele . Dacă arsurile se produc pe o suprafaţă mare sau ating organele vitale , pot provoca moartea accidentatului.

Factorii de care depinde gravitatea electrocutării sunt: -Rezistenţa electrică a corpului omului . Ea poate fi considerată egală în medie cu

1000 , şi depinde în cea mai mare măsură de starea pielii. Când stratul cornos al pielii este intact şi uscat, rezistenţa corpului omenesc poate avea valori mult mai mari.

Când pielea este umedă sau reprezintă , rezistenţa corpului omenesc poate scădea

până la 200 .

49

- Calea de trecere a curentului prin corp . Accidentul este mai periculos dacă în circuitul electric stabilit intră inima (mână-mână) ; sau (mână-picior) sau locuri de

mare sensibilitate nervoasă (încheietura mâinii , ceafa , gâtul, talpa. etc . ) -Intensitatea curentului electric care trece prin corp . Limita maximă a curenţilor ne

periculoşi se consideră de 10 mA în curent alternativ şi 50 mA în curent continuu .

-Tensiunea la care este supus omul . Cu cât tensiunea este mai mare , cu atât

pericolul de electrocutare este mai mare . -Frecvenţa curentului electric .Curentul continuu este mai puţin periculos decât

curentul alternativ. Curentul alternativ cu frecvenţa între 10 şi 100 Hz este cel mai periculos în ce priveşte producerea de excitaţii. La frecvenţe foarte mari nu există efecte de excitaţi periculoase , chiar la intensităţi foarte mari. Aceste frecvenţe (circa

500 000 Hz ) sunt folosite la unele aparate electromedicale . -Durata de acţiune a medicamentului. Cu cât această durată este mai mare , cu

atât pericolul de fibrilaţie a inimii este mai mare . Dacă timpul este foarte scurt , de ordinul miimilor de secundă , nu se produce fibrilaţia . Practic se consideră că un accident poate fi mortal , dacă durata de acţiune a curentului depăşeşte 0,1 s .

3.Protecţia împotriva electrocutării

3.1. Clasificarea locurilor de muncă şi a măsurilor de protecţie a muncii La alegerea măsurilor pentru protecţia împotriva electrocutărilor se au în

vedere caracteristicile locurilor de muncă :acesta se clasifică în trei categorii, în funcţie de gradul de pericol;

-locurile de muncă foarte periculoase , în care există cel puţin unul din următorii factori :umiditatea aerului de peste 97% , temperatura peste 35 C, medii corozive ,obiecte conductoare în legătură electrică cu pământul care ocupă o suprafaţă

mai mare de 60% în zona de manipulare -locurile de muncă periculoase, în care există cel puţin unul dintre factorii:

a b c

Accidentarea prin electrocutare

50

umiditatea aerului între 75 şi 97% , temperatura între 30 şi 35 C, pulbere conductoare , obiecte conductoare în legătură cu pământul care ocupă o suprafaţă sub 60% din

zona de manipulare; -locurile de muncă cu grad mic de pericol , caracterizate prin pardoseală

izolatoare (lemn uscat , asfalt etc.), umiditatea până la 75%, temperatura între 15 şi 30 C , fără elemente conducătoare în contact electric cu pământul.

3.2 Protecţia împotriva electrocutărilor prin atingere directă

Principalele măsuri pentru evitarea electrocutărilor prin atingere directă involuntară sunt:

-protecţia şi construirea instalaţiilor şi echipamentelor electrice astfel încât

elementele aflate normal sub tensiune (conductoare borne bare ) să nu poată fi atinse întâmplător , iar producerea unor arcuri electrice să nu poată da loc la arsuri . Pentru

aceasta se folosesc închiderea în carcase de protecţie împotriva atingerii, izolarea electrică a elementelor sub tensiune , amplasate conducătoarelor la înălţimi inaccesibile atingerii întâmplătoare , îngrădirii care să nu permită trecerea persoanelor

spre elementele aflate sub tensiune , blocări electrice şi mecanice în instalaţie ; - folosirea unor padoseli din materiale izolante ;

- folosirea unor tensiuni reduse . 3.3 Protecţia împotriva electrocutării prin atingere indirectă

Pentru evitarea electrocutării prin atingerea unor elemente aflate accidental sub

tensiune se iau una sau cel mult două dintre următoarele măsuri : Legea lui nul constituie o măsură principală de protecţie pentru utilajele fixe

sau mobile , alimentate de la reţele cu nul , care au punctul neutru al sursei de

alimentare legat la pământ. Carcasele metalice ale echipamentelor electrice sunt legate printr-un conductor de secţiune suficient de mare , la conductorul de nul de protecţie.

Dacă are loc un efect, de exemplu, străpungerea izolaţiei între o fază şi carcasă, are loc practic un scurtcircuit între fază şi conductorul de nul de protecţie. Curentul de scurtcircuit este mare, topeşte fuzibilul siguranţa sau determină

deconectarea întreruptorului automat care protejează circuitul respectiv , scoţând astfel de sub tensiune carcasa . Până la declanşarea sau topirea fuzibilului , tensiunea de

atingere a carcasei este menţinută la valori ne periculoase. Pentru realizarea unei protecţii corecte prin legarea la nul trebuie să se respecte

în principal , următoarele condiţii:

- legarea suplimentară la pământ a anumitor puncte al reţelei de nul pentru a se evita pericolul ce s-ar ivi prin întreruperea reţelei de nul de protecţie . În

cazul unei astfel de întrerupere , toate carcasele echipamentele legate la nul pe partea întreruptă ar rămâne fără protecţie .Cele mai importante puncte care trebuie legate la pământ sunt tablourile de distribuţie , iar în cazul linilor aeriene , toate punctele de

ramificare capetele linilor şi puncte de traseu la distanţe de maxim 1 km ; -separarea nulului de protecţie de nulul de lucru . De la ultimul tablou de

distribuţie în sensul transportului de energie (tabloul care are borna de nul legată la pământ ) şi până la echipamentele protejate , nulul de protecţie nu poate fi folosit şi drept nul de lucru .

-evitarea pericolului ce ar apărea prin inversarea rolului conductoarelor (inversarea unui conductor de fază sau nulului de lucru cu conductorul de protecţie );

51

-la instalaţi alimentare de la aceeaşi sursă este interzis să se folosească pentru o parte a instalaţiilor protecţie prin legare la nul , iar pentru altă parte , protecţia prin

legare în pământ , deoarece pot apărea tensiuni de atingere periculoase la instalaţiile legat la nul .

Legarea la pământ constituie o măsură principală de protecţie pentru utilajele şi aparatele fixe sau mobile , mai ales a celor alimentate de reţele izolate faţă de

pământ . Se poate folosi ca mijloc suplimentar de protecţie în instalaţiile de protecţie prin legarea la nul . Carcasele metalice ale echipamentelor electrice sunt legate printr-

un conductor de legare la pământ la o priză de pământ . Curentul de defect se închide

prin rezistenţa izolaţiei reţelei faţă de pământ izR şi în cea mai mare parte prin

instalaţia de legare la pământ , iar tensiunea de atingere rămâne nepericuloasă . Ea este cu atât mai mică , cu cât rezistenţa instalaţiei de legare la pământ este mai mică .

Separarea de protecţie are ca scop alimentarea receptorului cu un circuit izolat faţă de pământ şi separat (izolat ) faţă de reţea . Se realizează cu ajutorul unui

transformator de separare , care alimentează un singur receptor . În cazul unui defect , curentul care se închide prin om este foarte mic , deoarece trebuie să se închidă prin izolaţia circului de alimentare .Iolaţia cablurilor de

alimentare trebuie însă să fie totdeauna în stare bună .

Tablou de

distribuţie

T S R

Nul de lucru

Nul de protecţie

1 2

Legarea la nul de protecţie :

1-receptor monofazat; 2-receptor trifazat

52

Izolarea suplimentară de protecţie constă din prevederea unei izolaţii suplimentare faţă de izolaţia obişnuită de lucru a receptorului . Ea se poate realiza

izolându-se suplimentar receptorul fie prin aplicarea unei izolaţii suplimentare între izolaţia obişnuiră de lucru şi carcasa care poate fi atinsă de om , fie prin aplicarea unui

înveliş izolant de protecţie pe carcasa receptorului , sau se poate realiza prin izolarea locului de muncă (între om şi pământ ) , folosindu-se covoare izolante .

4. Acordarea primului ajutor în caz de electrocutare

Salvarea accidentului depinde de rapiditatea cu care acesta este scos de sub tensiune şi i se face respiraţia artificială. Intervenţia după un minut creează şanse de salvare de 95% , în timp ce după 8 minute şansele scad la 0,5%.

Acordarea primului ajutor constă din scoaterea accidentatului de sub tensiune şi efectuare respiraţiei artificiale .

Scoaterea accidentatului de sub tensiune . Pentru aceasta se scoate de sub tensiune instalaţia acţionându-se întreruptorul care o alimentează . La liniile aeriene se poate arunca peste conductoarele liniei un conductor neizolat , care în prealabil a fost

legat la pământ. În instalaţiile de joasă tensiune , dacă nu este posibilă deconectarea instalaţiei ,

se îndepărtează accidentatul de părţile de sub tensiune şi salvatorul trebuie să ia măsuri să nu fie electrocutat ,folosind mănuşi sau cizme izolante , călcând pe un covor izolant , o scândură uscată sau haine uscate . Se recomandă ca intervenţia să se facă cu

o singură mână şi să se apuce de hainele accidentatului dacă sunt uscate . Efectuarea respiraţiei artificiale . Dacă accidentatul încă mai respiră , este

întins , i se deschid hainele şi eventual fricţionat pe corp. Dacă accidentatul nu mai respiră i se face imediat respiraţie artificială , care va fi continuată în timp îndelungat , chiar 8-10 h , fără întrerupere . Destul poate fi constatat numai de medic .

Pentru respiraţiei artificiale se poate folosi una dintre metode manuale sau metoda gură la gură sau gură la nas . Metoda manuală de respiraţie artificială , care

poate fi aplicată de o singură persoană este următoarea ; -se aşază accidentatul culcat , cu spatele în sus , cu capul pe o mână , cu faţa pe într-o parte şi mâna cealaltă de-a lungul corpului;

-se scoate limba accidentatului afară folosindu-se la nevoie un lemn introdus între măsele (nu între dinţi din faţă) ;

-salvatorul se aşază în genunchi deasupra accidentatului cu faţa spre capul lui , cuprinzând între genunchi coapsele acestuia , şi îşi aşază palmele pe coapsele inferioare apucându-l lateral cu degetele răsfirate degetele mari fiind paralele cu

coloana vertebrală ; -salvatorul se apleacă înainte cu mâinile întinse numărând rar până la trei ,

realizând astfel respiraţia ; se revine brusc la poziţia iniţială pentru a intra aer în plămâni (inspiraţia) şi se numără rar 4,5,6;

-se repetă ciclul cu o frecvenţă de 12-15 apăsări pe minut.

53

BIBLIOGRAFIE

1. Ana Amuzescu şi Dorina Popovici Îndrumar de electronică Editura Printech Bucureşti 2002

2. Michael-Martin Buchholtzer 300 Circuite electronice Editura Teora 1998 3. Stephen L. Herman Delmars Standard Textbook of Electricity Editura Delmar

Publishers 1999 4. M. Iordache şi L. Dumitriu Teoria Modernă a Circuitelor Electrice Editura Teora 1999 Bucureşti

5. D. Mihoc , D. Simulescu şi A. Popa Aparate electrice şi automatizări Editura

Didactică şi Pedagogică 1984 Bucureşti

6. Eugenia Isac Măsuri electrice şi electronice Editura Didactică şi Pedagogică Bucureşti 1991