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


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


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.


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.


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 circuitul echivalent din fig. 1.1.6.a.

Fig. 1.1.6.Modele de semnal mic: a.pentru frecvene joase;b.pentru frecvene nalte

Cnd dioda funcioneaz ntr-un regim variabil de frecvene nalte, modelul dispozitivului estecel din fig. 1.1.6.b, n care efectele inductivitii serie sL i rezistenei serie sr pot fi neglijate. Ca

urmare, dioda poate fi nlocuit cu un circuit echivalent, obinut prin punerea n paralel a rezistenei dr

cu capacitatea jC a jonciunii PN. jC are valori foarte mici (zeci sute de picofarazi) i este dat de

suma dintre capacitatea de barier ( bC ) i capacitatea de difuzie ( dC ).

1.2. Alte tipuri de diode

a) Dioda cu capacitate variabilDiodele cu capacitate variabilsau varicap sunt diode speciale, de mic putere, destinate

acordului automat al unui circuit oscilant din circuite electronice oscilatoare, modulatoare de faz ide frecven i din anumite tipuri de amplificatoare i filtre. Efectul pe care se bazeaz construciaacestui tip de diode este acela de capacitate variabil, comandat de tensiunea de polarizare inversa jonciunii PN. Simbolurile grafice utilizate pentru reprezentarea unei diode varicap evideniazaceast proprietate a componentei (fig. 1.2.1).

Fig. 1.2.1.Simboluri grafice pentru dioda cu capacitate variabil

Caracteristica static a diodei varicap nu difer ca alur de aceea a unei diode redresoare deaceeai putere. Pentru un p.s.f. fixat pe ramura caracteristicii din cadranul III (zona de blocare),capacitatea de barier are expresia

2

0

KA

0bb

U

U1

CC

+

= , (1.2.1)

fiind controlat de tensiunea invers aplicat dispozitivului. Capacitatea jonciunii, bj CC , poate

lua valori de la civa pF pn la circa 100pF, n domeniul de variaie al tensiunii inverse aplicate( VV10 ).Pentru creterea capacitii comandate pe cale electric, pot fi utilizate mai multe

diode identice, conectate n paralel.b) Dioda tunel

Diodele tunelsunt diode speciale, de mic putere, destinate oscilatoarelor de foarte naltfrecven. Efectul tunel, pe care se bazeaz construcia acestui tip de diode, se produce pentrutensiuni foarte mici de polarizare direct i invers. Simbolurile grafice utilizate pentrureprezentarea unei diode tunel sunt date n fig. 1.2.2. Caracteristica static a diodei tunel este netdiferit de aceea a unei diode redresoare de aceeai putere (fig. 1.2.3.). Dioda tunel este un excelent

a.

Ard K KA

rs Ls

rd

Cj

b.

K K KA A A


6/16

6

conductor att pentru o polarizare direct, ct i pentru o polarizare invers. O diod cu o astfel decomportare nu poate fi folosit pentru redresarea unei tensiuni alternative.

Fig. 1.2.2.Simboluri grafice pentru dioda tunel

Fig. 1.2.3.Caracteristica static a diodei tunel

Pentru o tensiune direct de polarizare, curentul prezint dou extreme: un maxim P ( PI ,

PU ) i un minim V ( VI , VU ). La tensiuni mici, apropiate de VU , curentul direct este asigurat prin efect tunel, iar la tensiuni directe ridicate, curentul direct crete exponenial cu tensiuneaaplicat, prin difuzia purttorilor. Pe caracteristic, se observ o regiune de rezisten diferenialnegativ, proprietate important a diodei tunel. Aceast regiune este poriunea de caracteristicstatic cuprins ntre cele dou extreme P i V . Cnd dioda funcioneaz n regiunea P V,modelul de semnal mic i frecvene nalte este cel din fig. 1.1.6.b, n care rezistena dr este

nlocuit de o conductan diferenial negativ jg , al crei modul are valori de ordinul 101,0 .

c) Dioda stabilizatoare de tensiuneDiodele stabilizatoare de tensiune, denumite i diode Zener, sunt dispozitive electronice

semiconductoare speciale din siliciu, destinate circuitelor de stabilizare a unei tensiuni la borneleunei sarcini, circuitelor de limitare a amplitudinii tensiunilor i de protecie a dispozitivelor etc.

Atunci cnd este polarizat invers, n zona de strpungere, o astfel de diod i meninetensiunea la borne aproape constant, pentru o variaie important a curentului invers ce o strbate.Tensiunea stabilizat ZU poate avea valori de la civa voli, pn la cteva sute de voli, n toatgama de puteri disipate. n fig. 1.2.4, sunt date trei simboluri grafice ce se utilizeaz pentrureprezentarea acestui tip de diode.

Fig. 1.2.4.Simbolurile grafice utilizate n reprezentarea diodelor stabilizatoare de tensiune

Comportarea diodei polarizate direct i invers (cu tensiuni inferioare tensiunii destrpungere) poate fi descris cu ajutorul ecuaiei caracteristice a diodei redresoare. Caracteristicastatic a unei diode stabilizatoare de tensiune este prezentat n fig. 1.2.5.

AA KK

AAA KKK

0

IA

IP

IV

UAKUP UV UPP

Ta= 25 COP

V


7/16

7

Fig.1.2.5. Caracteristica static a unei diode stabilizatoare de tensiune

Tensiunea nominal de stabilizare, ZTU , este valoarea absolut a tensiunii stabilizate(specificaie de catalog, mpreun cu tolerana), ce corespunde curentului invers ZTI . Pe

caracteristica static a diodei, mrimile ZTU i ZTI corespund p.s.f. TQ . Zona util acaracteristicii statice este delimitat de valorile minim ( ZKI ) i maxim ( ZMI ) ale curentului

invers. La cureni mai mici dect ZKI , nu mai este posibil producerea strpungerii electrice a

jonciunii, iar pentru ZMZ II > , sunt depite valorile termice limit absolut.

Fig. 1.2.6.Caracteristica static liniarizat a unei diode stabilizatoare de tensiune

Tensiunea stabilizat este influenat de temperatur :( ) ( ) ( )0ZTVZZT TUT1TU += , (1.2.2)

IZK

IZT

IZM

UAK

Pmax

-UZT

Ta= 25 CO

IA

IZ

QT

QT

panta 1/rZT

-UZ00 U

Ta= 25 CO

IA

Qpanta 1/rd

UAK

IZ


8/16

8

unde VZ este coeficientul de temperatur al tensiunii ZTU . Valoarea i semnul coeficientului

VZ depind de construcia diodei. Astfel, diodele cu V5UZT au 0VZ . Pentru diodele cu

V8UZT , 0VZ . Pentru ( )V8...5UZT , coeficientul VZ poate fi negativ sau pozitiv.

Fig. 1.2.7. Modelele liniare de semnal mare, cu circuit echivalent, ale unei diode stabilizatoare detensiune: a. la polarizare direct (UAK>U); b. la polarizare invers (UKA>UZ0).

Variaii mici ale tensiunii n jurul valorii ZU antreneaz variaii mari ale curentului invers.Aceast comportare a diodei la variaii de frecvene joase este caracterizat prin rezistena dinamicsau diferenial,

T,QZ

ZZ I

Ur

= . (1.2.3)

Caracteristica static liniarizate pe poriuni este prezentat n fig. 1.2.6, iar modelele liniarede semnal mare, cu circuit echivalent sunt cele din fig. 1.2.7.

1.3. Circuite cu diode

1.3.1. Redresorul bialternan n punte

Redresoruleste un circuit capabil s converteasc semnale periodice (tensiuni, cureni) cuvaloare medie nul, n semnale periodice cu valoare medie nenul. n general, semnalele aplicate laintrarea circuitului redresor sunt semnale sinusoidale. Circuitele redresoare sunt convertoare c.a.-c.c.Redresoarele monofazate convertesc tensiunea unei singure faze a reelei de c.a. ntr-o tensiunecontinu. Funcia de redresare a unei tensiuni alternative este realizat n aproape toate sursele de

alimentare cu tensiune continu. Structura general a unei surse de tensiune continu (fig. 1.3.1),alimentat cu o tensiunea alternativ monofazat, conine urmtoarele blocuri: un transformator de reea (TR), care convertete tensiunea reelei ntr-o alt tensiune pur

alternativ (sinusoidal), cu ali parametri; un circuit redresor (R); un filtru de netezire a ondulaiilor (F), care micoreaz pulsaiile tensiunii redresate; un stabilizator de tensiune continu (ST), care ofer la ieire o tensiune UO aproximativ

constan.

Fig. 1.3.1. a. Schema bloc a unei surse de alimentare cu tensiune continu; b. Simbolurile graficeutilizate pentru reprezentarea unui circuit redresor.

TR R F ST UO

a.

b.

RL

K AIZ

UKA

UZ0 rZT

b.

KA IAU

UAK

rd

a.


9/16

9

n funcie de structur, circuitele redresoare cu diode pot converti o singur alternan atensiunii alternative sau ambele alternane. Din acest punct de vedere, rezult o clasificare aredresoarelor monofazate, n: redresoare monoalternani redresoare bialternan.

Pentru alegerea unor diode redresoare care s corespund aplicaiei i pentru apreciereacalitii procesului de conversie, se calculeaz urmtoarele mrimi i indicatori sau parametri de

performan:- valoarea medie a tensiunii redresate (UO),

- valoarea medie a curentului redresat(IO),- valoarea de vrf a curentului prin fiecare diodn conducie (Iom),- valoarea efectiv a curentului redresat(IOefsau IOrms),- valoarea de vrf a tensiunii inverse la bornele fiecrei diodeblocate (UKAm),- rezistena de ieire a redresorului (Ro),- factorul de ondulaie (r),- randamentul circuitului ().

ntr-un circuit redresor, diodele trec periodic din starea de conducie n starea de blocare iinvers, sub aciunea tensiunii alternative de frecven joas (50 Hz), aplicat la intrare. n concluzie,diodele funcionnd n regim variabil de semnal mare i de frecven joas, vor fi nlocuite cumodelele lor de semnal mare.

n redresoarele bialternan, se proceseaz ambele alternane ale tensiunii de intrare. Exist

dou configuraii de redresoare bialternan: redresorul cu transformator cu priz median iredresorul n punte. Varianta de redresor n punte este preferat din cauza simplitii constructive atransformatorului, a tensiunii inverse maxime pe o diod blocat i a posibilitii de a alege o punteredresoare, realizat ca un circuit integrat. Prin conectarea a patru diode mperecheate, ca n fig.1.3.2, se obine un redresor bialternan n punte. n acest circuit, fiecare alternan a tensiunii deintrare este procesat de dou diode nseriate cu sarcina.

Fig. 1.3.2. a. Schema de principiu a redresorului bialternan n punte;b. Reprezentarea simbolic a unei puni redresoare

Transformatorul de reea reduce sau ridic tensiunea din secundar, fa de tensiunea dinprimar. Rezistena total a nfurrilor transformatorului, reflectat n secundar, se noteaz cu rT .

Analiza circuitului se bazeaz pe urmtoarele ipoteze:

- tensiunea din secundar are o amplitudine Usm>> 2U, permind neglijarea efectului tensiuniide prag a unei diode;- rezistena total de pierderi a circuitului este

RO = rT + 2rd. (1.3.1)Pe durata alternanei pozitive a tensiunii din primar, diodele D1 i D3 sunt polarizate direct

i conduc curentul iO1, iar diodele D2 i D4 sunt blocate. n alternana negativ a tensiunii deintrare, diodele D2 i D4 conduc curentul iO2, iar diodele D1 i D3 sunt blocate. Circuiteleechivalente ale redresorului bialternan n punte, pe fiecare semiperioad, se prezint ca n fig.


10/16

10

1.3.3, iar formele de und ale curenilor prin cele dou perechi de diode i a tensiunii redresate suntartate n fig. 1.3.4.

Fig. 1.3.3.Circuitele echivalente ale redresorului bialternan n punte:a.pentru alternana pozitiv; b.pentru alternana negativ

Fig. 1.3.4.Formele de und ale curenilor prin diode i tensiunii redresate

Valoarea de vrf a curentului direct printr-o diodeste

LO

smom RR

UI

+= . (1.3.2)

Curentul redresat are o valoare efectiv

2

Idt)t(i

T

1I om

T

0

2OOef == . (1.3.3)


11/16

11

Tensiunea la ieirea circuitului are aceeai form de und ca i curentul prin sarcina RL, iaramplitudinea este

LO

smLomom R/R1

URIU

+== . (1.3.4)

Curentul redresat iO are valoarea medie,

( )

==

omT

0OO

I2dtti

T

1I , (1.3.5)

iar valoarea medie a tensiunii de ieire este

=

== omomLLOO

U2IR2RIU . (1.3.6)

Plecnd de la ultima relaie, n care se nlocuiesc Uom cu expresia (1.3.4) i RL cu UO/IO, seobine ecuaia caracteristicii de ieire (externe) a redresorului bialternan, de forma

OOsm

O RIU2

U

= . (1.3.7)

Reprezentarea grafic a ecuaiei (1.3.7) este dat n fig. 1.3.5.a. Caracteristica extern poate fitranspus direct, ntr-un circuit echivalent ca acela din fig. 1.3.5.b.

Fig. 1.3.5. a. Caracteristica extern a redresorului bialternan n punte;b. Circuitul echivalent corespunztor caracteristicii externe.

Dac ieirea redresorului ar fi n gol (IO=0), valoarea medie a tensiunii de ieire ar fi/U2 sm . Rezistena RO este rezistena de ieire sau rezistena intern a circuitului redresor.

Valoarea de vrf a tensiunii inverse la bornele unei diodei blocate este practic Usm.Cele patru diode ale punii pot fi gsite i sub forma unor arii de diode conectate i realizate

pe acelai strat semiconductor (puni redresoare integrate), n diverse variante, din punctul devedere al valorilor limit absolut (cureni direci i tensiuni inverse).

Factorul de ondulaie sau de riplu este definit ca raportul dintre valoarea efectiv acomponentei ondulatorii i valoarea medie a semnalului de ieire (tensiunea redresat sau curentulredresat),

O

oef

U

Ur= sau

O

oef

I

Ir= . (1.3.8)

Pentru un redresor bialternan, factorul de ondulaie are valoarea 0,482.Randamentul circuituluiredresor.este definit ca raportul dintre puterea medie util la ieire

i puterea medie furnizat/absorbit la intrarea circuitului. n mod frecvent, acest raport care deficiena conversiei c.a.-c.c. este exprimat n procente,

[ ]I

O

P

P100% = , (1.3.9)

iar pentru RO


12/16

12

Pentru reducerea componentei ondulatorii a tensiunii redresate, se utilizeaz filtre pasive. nacest scop, se plaseaz un condensator n paralel cu sarcina (filtru capacitiv) sau o bobin n serie cusarcina (filtru inductive) sau o combinaie bobin-condensator (filtru LC sau filtru ), condensator-

bobin-condensator (filtru n ) etc.Schema de principiu a unui redresor n punte, cu filtru capacitiv, este dat n fig. 1.3.6. Aciunea

de filtrare se bazeaz pe proprietatea condensatorului de a nmagazina energie pe durata conducieidiodelor i de a restitui energie sarcinii, atunci cnd diodele sunt blocate. n acest mod, crete curentul

mediu prin sarcin, iar ondulaia se reduce.

Fig. 1.3.6.Schema de principiu a redresorului n punte, cu filtru capacitiv

Un ciclu de funcionare al redresorului cu sarcin capacitiv conine dou faze: faza de ncrcare a condensatorului C , n care o pereche de diode este n conducie; faza de descrcare a condensatorului C pe rezistena de sarcin, n care toate diodele sunt blocate.

Fig. 1.3.7.Forma de und a tensiunii de ieire a redresorului cu filtru capacitiv

Factorul de ondulaie al ansamblului redresor-filtru capacitiv este

L

O

O

O

O

oef

RCf34

I

U32

U

U

Ur

=

= . (1.3.10)

Cu ct RL i C sunt mai mari, cu att aciunea de filtrare este mai accentuat i, deci, ondulaia va fimai redus. Prin urmare, un filtru cu condensator este eficient la cureni slabi prin sarcin.

1.3.2. Stabilizatorul parametric de tensiune continu

Stabilizatoarele de tensiune continusunt circuite electronice capabile s furnizeze la ieireo tensiune continu cu un nivel cvasiconstant, atunci cnd tensiunea de alimentare, curentul prinsarcin i temperatura mediului ambiant au variaii precizate.

Configuraia celui mai simplu stabilizator de tensiune continu (fig. 1.3.8.a) conine o diodstabilizatoare de tensiune (DZ) i un rezistor (R), circuitul fiind alimentat de la o surs de tensiunecontinu (US). Dioda DZ este polarizat invers de tensiunea US de alimentare, care provine de la unredresor cu filtru sau de la alt circuit stabilizator. Se presupune c sursa de alimentare este ideal(rezistena intern este nul). Tensiunea de ieire are un nivel cvasiconstant, att timp ct variaiile


13/16

13

tensiunii de alimentare, curentului prin sarcin i temperaturii mediului ambiant nu deplaseazpunctul de funcionare al diodei n afara regiunii de stabilizare.

Fig. 1.3.8. a. Schema de principiu a stabilizatorului parametric de tensiune continu.b. Circuitul echivalent de c.c. al stabilizatorului.

Stabilizarea tensiunii de ieire n acest tip de circuit se bazeaz pe urmtoarea proprietate adiodei DZ: la polarizare invers, dioda i menine tensiunea la borne aproape constant, att timpct curentul IZ [IZK, IZM]. Punctul nominal de funcionare, Q (IZQ, UZQ), corespunde valorilornominale ale tensiunii de alimentare, curentului prin sarcin i temperaturii mediului ambiant (US,

RL i Ta). Prin nlocuirea diodei cu modelul de semnal mare, se obine circuitul echivalent de c.c. alstabilizatorului, din fig. 1.3.8.b. Din acest circuit, rezult tensiunea de ieire, de forma

0ZLz

LS

Lz

LzO UR//Rr

R//RU

R//rR

R//rU

++

+= . (1.3.11)

Expresia 1.3.11 arat c tensiunea de ieire este sensibil la variaiile tensiunii de alimentare,rezistenei de sarcin i temperaturii.

Pentru explicarea funcionrii circuitului, se studiaz, pe rnd, efectul variaiei unei singuremrimi dintre acelea care influeneaz tensiunea de ieire a stabilizatorului. n acest scop, se vaurmri deplasarea punctului de funcionare, pe caracteristica static a diodei, provocat de variaiatensiunii de alimentare (Ta = ct.), de variaia curentului prin sarcin sau de variaia temperaturiimediului ambiant. Aplicnd teoremele lui Kirchhoff circuitului din fig. 1.3.8.a, se obine

( ) KALZS UR/R1IRU ++= . (1.3.12)Relaia 1.3.12 reprezint ecuaia dreptei de sarcinstatic () a circuitului. n fig. 1.3.9, estetrasat dreapta () n planul caracteristicii statice a diodei, pentru valorile nominale ale tensiunii dealimentare, rezistenei de sarcin i temperaturii mediului ambiant.

Fig. 1.3.9.Poziia dreptei de sarcin pentru valorile nominale ale parametrilor US, RL i Ta

Se consider, pe rnd, variaiile celor trei mrimi (US, RL i Ta) i se apreciaz modificrilede poziie ale dreptei de sarcin. Considernd tensiunea de ieire a stabilizatorului ca o funcie de


14/16

14

cele trei variabile independente, UO = f(US, IO, T), variaia total a tensiunii de ieire astabilizatorului poate fi exprimat prin relaia

TT

UI

I

UU

U

UU OO

O

OS

S

OO

+

+

= . (1.3.13)

Ecuaia 1.3.13 conine trei indicatori de performan ai stabilizatorului prezentat, care sunt:- coeficientul(factorul) de stabilizare, definit prin relaiile

SO

0 UUS1 = sau

ctT;ctISO

0 OUUS1 ==

; (1.3.14)

- rezistena de ieire a stabilizatorului,

O

OO I

UR

= sau

ctT;ctUO

OO

SI

UR

==

; (1.3.15)

- coeficientulde temperatur al tensiunii stabilizate,

T

UK OT

= sau

ctI;ctU

OT

OST

UK

==

. (1.3.16)

Cu ct S0 este mai mare, cu att variaia tensiunii de alimentare are un efect mai mic asupra

ieirii. Cu ct RO este mai mic, cu att tensiunea de ieire va fi mai puin sensibil la variaiacurentului prin sarcin. n fine, coeficientul de temperatur msoar influena temperaturii asupratensiunii de ieire. Folosind definiiile celor trei indicatori de performan ai unui stabilizator detensiune, relaia 1.3.13 de estimare a variaiei totale a tensiunii de ieire poate fi pus sub forma

TKIRUS

1U TOOS

0O += . (1.3.17)

Coeficientul S0 i rezistena RO de ieire pot fi determinai din circuitul echivalent alstabilizatorului, n ipoteza unor variaii mici i lente ale tensiunii de alimentare i curentului prinsarcin, n jurul valorilor nominale. Pentru calculul coeficientului de temperatur al tensiunii deieire, se folosete relaia de definiie a coeficientului VZ . Se obine, astfel,

( )minaZTVZT TUK = . (1.3.18)

O valoare mai mic a coeficientului de stabilizare ar putea fi obinut prin conectarea ncascad a dou sau mai multe stabilizatoare simple. Valori mbuntite ale celor trei indicatori deperforman ai unui stabilizator de tensiune continu se obin n circuitele integrate stabilizatoare detensiune.

1.3.3. Limitatoare de amplitudine

Limitatoarele de amplitudine realizeaz funcia de limitare a tensiunii de ieire la o valoareprescris. Astfel de circuite sunt utilizate pentru schimbarea formei semnalelor i pentru proteciadispozitivelor electronice de putere, a intrrilor sau a ieirilor circuitelor electronice, a aparatelorelectronice de msurare. Pentru realizarea limitatoarelor de amplitudine, se folosesc dioderedresoare i/sau stabilizatoare de tensiune. n funcie de tipul i de numrul diodelor din structur,

circuitul va avea un numr de praguri de limitare, respectiv niveluri de limitare. Dup numrulpragurilor i al nivelurilor de limitare, aceste circuite electronice se clasific n: limitatoare de amplitudine cu un prag i un nivel de limitare (unilaterale); limitatoare de amplitudine cu dou praguri i dou niveluri de limitare (bilaterale), simetrice

sau asimetrice.Analiza unui limitator de amplitudine urmrete determinarea caracteristicii de transfer a

circuitului, uO=f(uI), i se bazeaz pe urmtoarele ipoteze:- tensiunea de intrare are o variaie oarecare n timp, lent (semnal mare, de frecven joas),

ipotez care va permite utilizarea modelelor de semnal mare ale diodelor;


15/16

15

- ieirea circuitului este n gol.a) Limitator unilateral cu diod redresoareCircuitul din fig. 1.3.10.a este un limitator de amplitudine, cu un prag i un nivel de

limitare, realizat cu o diod redresoare i un rezistor serie. Tensiunea de ieire a circuitului estetensiunea de la bornele diodei (uO = uAK). Atunci cnd tensiunea de intrare este pozitiv i ui> U,dioda este n conducie. Din circuitul echivalent al limitatorului, dat n fig. 1.3.10.b, se obine

+++=U

rRRu

rRru

di

ddo . (1.3.19)

Fig. 1.3.10.Limitator cu o diod redresoare. a. Schem de principiu. Circuite echivalente:b. diod n conducie; c. diod blocat

Dac R>> rd, se obine Uu o . Atunci cnd ui U, dioda este blocat (fig. 1.3.10.c) i tensiunea

de ieire urmrete tensiunea de intrare ( io uu = ).

Fig. 1.3.11. a. Caracteristica de transfer a limitatorului de amplitudine din fig. 1.3.10.a.b.Formele de und ale tensiunilor de intrare i de ieire

Reprezentarea grafic din fig. 1.3.11.a evideniaz pragul de limitare (U ip) i nivelul delimitare (Uol) ale circuitului: Uip = Uol = U. n fig. 1.3.11.b, este reprezentat forma de und atensiunii de ieire, pentru o variaie precizat a tensiunii de intrare. Alte configuraii de limitatoareunilaterale pot fi obinute prin inversarea locului diodei cu rezistorul R i/sau prin introducerea uneisurse de tensiune continu n serie cu dioda.

b) Limitator bilateral cu o diod stabilizatoare de tensiuneLimitatoarele bilaterale pot fi realizate cu diode redresoare (interconectnd dou limitatoare

unilaterale) sau cu diode stabilizatoare de tensiune. Structura stabilizatorului parametric cu diodpoate s funcioneze ca limitator bilateral de amplitudine, dac tensiunea continu de alimentareeste nlocuit cu un semnal bipolar de intrare (fig. 1.3.12).


16/16

16

Fig. 1.3.12.Limitator bilateral cu o diod stabilizatoare de tensiune.a. Schem de principiu. b,c,d. Circuite echivalente: b. diod n regim de stabilizare a tensiunii; c.

diod blocat; d. diod n conducie direct

Fig. 1.3.13. a. Caracteristica de transfer a limitatorului bilateral asimetric; b.Formele de und aletensiunilor de intrare i de ieire

Din analiza circuitului, rezult c: pentru 0Zi Uu , dioda stabilizeaz tensiunea de la borne (circuitul echivalent din fig. 1.3.12.b)

i se obine0Z0Z

zi

z

zo UUrR

Ru

rR

ru

++

+= ; (1.3.20)

atunci cnd 0Zi UuU , nici un curent nu circul prin diod (circuitul echivalent din fig.1.3.12.c) i tensiunea de ieire urmrete tensiunea de intrare,

io uu = ; (1.3.21)

atunci cnd Uu i , dioda este n conducie direct (circuitul echivalent din fig. 1.3.12.d) itensiunea de ieire este

+

+= UU

rRR

urR

ru

di

d

do . (1.3.22)

Caracteristica de transfer, reprezentat n fig. 1.3.13.a, arat c circuitul studiat realizeazfuncia de limitator bilateral cu praguri i niveluri asimetrice de limitare: 0Z1ol1ip UUU == i

== UUU 2ol2ip . Pentru scderea celui de-al doilea prag i, respectiv, nivel de limitare, se

introduce o a doua diod stabilizatoare de tensiune, n serie i n opoziie cu prima diod.

----- * -----

Microsoft Word - capitolul 1_Diode

Documents

Transcript of Microsoft Word - capitolul 1_Diode