Microsoft Word - capitolul 1_Diode

download Microsoft Word - capitolul 1_Diode

of 16

  • date post

    08-Apr-2018
  • Category

    Documents

  • view

    218
  • download

    0

Embed Size (px)

Transcript of Microsoft Word - capitolul 1_Diode

  • 8/7/2019 Microsoft Word - capitolul 1_Diode

    1/16

    1

    1. DIODE

    Jonciunea PN este componenta electronic activ cu rol fundamental n funcionareadispozitivelor semiconductoare. O diod constituit dintr-o jonciune PN, a crei funcionare se

    bazeaz pe efectul redresor, este numit diod redresoare, spre deosebire de acelea care utilizeaz

    un efect special (Zener, avalan, tunel etc.), denumite diode speciale.

    1.1. Diode redresoare

    Diodele redresoare (rectifier diodes) sunt dispozitive electronice semiconductoare din siliciu,utilizate n circuitele de conversie c.a.-c.c., de limitare a amplitudinii tensiunilor etc.

    Dioda redresoare este un dipol constituit dintr-o jonciune PN abrupt, legat la doi electroziexterni, numii anod(A) i catod(K). n fig. 1.1.1, sunt reprezentate simbolul grafic i structuraschematic a unei diode redresoare.

    Fig. 1.1.1.Simbolul grafic i structura schematic a unei diode redresoare

    n funcie de polaritatea tensiunii AKu aplicate la bornele diodei, componenta se poate gsin una din cele dou stri i anume : n stare de conducie, atunci cnd dioda este polarizat n sens direct ( 0uAK ); n stare de blocare, atunci cnd dioda este polarizat n sens invers ( 0u AK ).n stare de conducie, dioda este caracterizat printr-un curent direct important, care circul de la anodspre catod. Dimpotriv, o diod blocat este parcurs numai de un curent rezidual, de intensitate foartesczut, care circul de la catod spre anod. Dioda redresoare se comport ca o supapsemiconductoare, care permite trecerea curentului ntr-un singur sens, de la anod spre catod (sensulindicat de sgeata din simbolul grafic).

    1.1.1. Caracteristica static

    Comportarea diodei n cele dou stri poate fi descris printr-o singur relaie funcional, careleag curentul prin diod de tensiunea aplicat la bornele componentei, de forma

    = 1

    UexpIi

    T

    AKuSA . (1.1.1)

    Relaia (1.1.1), care evideniaz principiul de funcionare al unei diode redresoare, este denumitecuaia caracteristic a diodei teoretice.

    Curentul SI este curentul invers de saturaie al diodei. O diod ideal n stare de blocare estecaracterizat prin curent rezidual nul. n mod practic, curentul invers de saturaie al unei dioderedresoare este neglijabil fa de curenii direci care apar n circuitele de utilizare. Pentru diodeleredresoare din Si, curentul SI este de ordinul picoamperilor-nanoamperilor, n cazul componentelorde mic putere, i poate atinge civa miliamperi, n cazul componentelor de putere mare.

    n general, diodele reale nu respect ecuaia caracteristic a diodei teoretice. Ecuaiacaracteristic a unei diode reale este de forma

    A KP N

    stratulanodului

    stratulcatodului

    A K

    uAK

    iA

  • 8/7/2019 Microsoft Word - capitolul 1_Diode

    2/16

    2

    = 1

    UnexpIi

    T

    AKuSA . (1.1.2)

    ntruct factorul empiric n de corecie are valori ntre 1 i 2, din motive de simplificare a scrierii, seva folosi modelul diodei teoretice (1.1.1), pentru toate diodele.

    n regim static, comportarea diodei redresoare este descris de ecuaia caracteristic

    = 1U

    UexpII T

    AKSA , (1.1.3)

    n care curentul i tensiunea la borne sunt invariabile n timp.Caracteristica static a diodei teoretice se obine prin reprezentarea grafic a relaiei (1.1.3),

    pentru o temperatur constant a mediului ambiant. Comportarea diodei n stare de conducie( TAK U4U ) poate fi descris cu ajutorul modelului simplificat,

    T

    AKSA U

    UexpII , (1.1.4)

    iar n cazul unei polarizri inverse, cu TKA U4U , dioda n stare de blocare poate fi descris prinrelaia

    SAII . (1.1.5)

    Caracteristica static a unei diode reale se abate de la aceea a diodei teoretice. La polarizarea direct, diferenele sunt evideniate n fig. 1.1.2. Prin aplicarea unor tensiuni inversemari, curentul invers crete brusc i abrupt, datorit multiplicrii n avalan a purttorilor desarcin. Tensiunea la care se produce acest fenomen se numete tensiune de avalan sau de

    strpungere i se noteaz cu RAV (Reverse Avalanche Voltage) sau BRV (Breakdown Voltage).Atunci cnd se produce efectul de avalan, curentul care parcurge dioda este

    SA IMI = , (1.1.6)Aceast strpungere electric este distructiv pentru toate diodele redresoare reale, motiv pentrucare tensiunea invers permis este limitat la o valoare inferioar celei de strpungere.

    Fig. 1.1.2.Caracteristica static a diodei reale

    Caracteristica static a diodei este foarte sensibil la temperatur, ca urmare a dependenei

    puternice a curentului rezidual SI i a tensiunii termice TU de temperatura jonciunii. Pentrudiodele din Si, creterea relativ a curentului SI este de circa 7%/

    oC. n practic, se admite c SI idubleaz valoarea, la fiecare cretere a temperaturii cu 10oC. Tensiunea termic crete liniar cutemperatura. La creterea temperaturii, se constat o deplasare a caracteristicii statice a diodei ca nfig. 1.1.3a:- ramura de conducie se deplaseaz n zona tensiunilor directe mai mici;- ramura de blocare se deplaseaz n zona curenilor reziduali mai mari.

    dioda realadiodateoretica

    Ta= 25 CO

    0 UAK

    IA

  • 8/7/2019 Microsoft Word - capitolul 1_Diode

    3/16

    3

    Fig. 1.1.3.Influena temperaturii jonciunii asupra caracteristicii statice a diodei redresoare

    Din fig. 1.1.3b, se observ c, dac se menine constant tensiunea de la bornele diodei,creterea temperaturii provoac o cretere a curentului direct. Coeficientul de temperatur altensiunii directe a diodei are expresia

    ctI

    AK

    AT

    Ub

    =

    = , (1.1.7)

    iar pentru diodele din Si, C/mV2b o .

    1.1.2. Modele

    a) Modele de semnal mareModelul matematic al diodei redresoare (relaia 1.1.1) arat c dioda este un element neliniar

    de circuit. n studiul circuitelor cu diode, sunt preferate modelele cu circuite echivalente liniare(dac sunt ndeplinite condiiile precizate la deducerea acestora).

    Fie circuitul din fig. 1.1.4.a, pentru care se presupun cunoscute: caracteristica static a diodei,rezistena AR i tensiunea continu AAV de alimentare. Punctul static de funcionare (p.s.f.) al

    diodei, notat cu Q i caracterizat prin perechea de valori ( AQI , AKQU ), se poate determina grafic.

    Pentru aceasta, se traseaz, pe acelai grafic, caracteristica diodei i dreapta de sarcin static

    ( s ), descris de ecuaiaAKAAAA UIRV += . (1.1.8)

    P.s.f. Q se gsete la intersecia acestei drepte cu caracteristica static a diodei.

    Fig. 1.1.4. a. Circuitul diodei; b.Determinarea grafic a p.s.f. Q

    Dac se traseaz tangenta la grafic, n p.s.f. Q , caracteristica static a diodei poate fi aproximatprin dou semidrepte: semidreapta tangent n Q i semidreapta suprapus peste axa tensiunilor, cu

    originea n punctul ( U ,0). Se admite, astfel, c o diod polarizat direct se comport ca o surs de

    b.

    0 UAK

    IA

    U

    IA(T )2

    IA(T )1

    T2 T1T >T2 1

    0 UAK

    IA

    a.

    I

    UAK(T )2 UAK(T )1

    T2 T1T >T2 1

    a.

    IAQ

    UAKQ

    VAA

    RA

    0 UAK

    IA

    IAQ

    UAKQ VAA

    VAARA Ta= 25 C

    O

    Q

    b.

  • 8/7/2019 Microsoft Word - capitolul 1_Diode

    4/16

    4

    tensiune continu U , n serie cu un rezistor dr (fig. 1.1.5.b), iar o diod polarizat invers se

    comport ca un ntreruptor deschis (fig. 1.1.5.c). Tensiunea U se numete tensiune de prag a

    diodei. Rezistena dr , dat de inversa pantei caracteristicii statice n punctul Q ,

    QAK

    Ad

    dU

    dI

    1r = , (1.1.9)

    este denumit rezisten dinamic a diodei n conducie. Att U , ct i dr depind de parametrii

    constructivi ai diodei, de poziia p.s.f. i, evident, de temperatur. Astfel, dac pentru diodeleredresoare de mic putere, din Si, V6,0U , pentru componentele de putere mare, ( )V2..1U .

    Fig. 1.1.5. a.Liniarizarea caracteristicii statice a diodei;b. Modelul diodei n conducie; c. Modelul diodei blocate

    Adeseori, modelul liniar al diodei n conducie poate fi simplificat prin neglijarea fie aefectului sursei U , fie a aceluia al rezistenei dr . Modelele din fig. 1.1.5 sunt folosite n studiul

    circuitelor cu diode, atunci cnd regimul de funcionare al acestora este un regim static sau un

    regim variabil de semnal mare i frecvene joase.b) Modele de semnal micn circuitele de procesare a semnalelor analogice, cum sunt unele divizoare de tensiune,

    detectoarele de semnal, dioda funcioneaz n regim de variaii mici, n jurul unui punct Q derepaus (p.s.f.). Regimul variabil de semnal mic se suprapune ntotdeauna peste un regim static( aAQA iIi += ). Atunci cnd tensiunea de la bornele diodei sufer variaii mici de frecvene joase

    ( akAK uu = ), n jurul unei valori de repaus ( AKQU ), caracteristica exponenial a diodei poate fi

    asimilat cu tangenta trasat n punctul Q de repaus. Astfel, poate fi stabilit o relaie liniar ntre

    variaia tensiunii anod-catod ( aku ) i cea a curentului ( ai ) :

    d

    ak

    a r

    ui = . (1.1.10)

    Aceast dependen liniar apare dac este ndeplinit condiia de semnal mic :

    Tak U)t(u pentru t . (1.1.11)

    n practic, aceast condiie devine mV6,2)t(uak . n (1.1.10), dr este rezistena dinamic sau

    diferenial a diodei. Dac p.s.f. Q este fixat pe ramura de caracteristic corespunztoare regimuluide conducie pronunat, rezistena dr are o valoare mic, iar dac Q este fixat pe ramura de

    caracteristic corespunztoare regimului de blocare, dr are o valoare foarte mare.

    a.

    0 U

    Ta= 25 CO

    IA

    Q

    panta 1/rd

    UAK

    KA IAU

    UAK

    rd

    b.

  • 8/7/2019 Microsoft Word - capitolul 1_Diode

    5/16

    5

    Modelul matematic al diodei n regim variabil de semnal mic i frecvene joase, exprimatprin relaia (1.1.10), poate fi transpus direct n