Circuite electronice în tehnica de calcul Material de învăţare – partea I domeniul: Informatică Calificarea: Tehnician echipamente de calcul Nivel 3 avansat

Tema 2. Componente active de circuit

Fişa de documentare 2.1. Diode

Dacă într-un acelaşi cristal se creează prin impurificare, de-o parte şi de alta a unei suprafeţe de separaţie, două regiuni de tip opus una p şi cealaltă n, se spune că am realizat o joncţiune pn.

O diodă semiconductoare este formată dintr-o joncţiune pn, la extremităţile căreia sunt fixate conductoare de legătură, prin intermediul contactelor ohmice.

Terminalul ataşat regiunii p se numeşte anod, iar cel ataşat regiunii n se numeşte catod.

A

K ( C)

Fig.2.1.1.

Tipuri

După utilizarea lor în practică, diodele semiconductoare pot fi:

• 
  redresoare
  
• 
  stabilizatoare
  
• 
  cu contact punctiform
  
• 
  varicap
  
• 
  tunel
  

1. Diode redresoare

Folosesc proprietatea joncţiunii pn care permite trecerea unui curent electric semnificativ, numai atunci când sunt polarizate direct ( potenţialul anodului este mai mare decât potenţialul catodului, cel puţin cu valoarea potenţialului de barieră ); la polarizare inversă ele se “blochează”.

Această operaţie prin care se transformă un semnal alternativ într-un semnal continuu, poartă numele de redresare.

Parametri

- tensiune continuă directă – U_F

- tensiune inversă de vârf repetitivă– U_RRM

- curent direct continuu – I_F

- curent mediu redresat – I₀

- curent direct de vârf repetitiv – I_FRM

- tensiune de deschidere, de prag: - 0,2 V ÷ 0,4 V – pentru diodele cu Ge

- 0,4 V ÷ 0,7 V – pentru diodele cu Si

2. Diode stabilizatoare ( diode Zener )

Lucrează în regim de străpungere controlată, în care atât curentul cât şi puterea disipată sunt menţinute de circuitul exterior la valori acceptabile, pe care dioda le poate suporta în regim permanent fără să se distrugă. Aceste diode se bazează pe proprietatea joncţiunii pn de a avea în regim de străpungere o tensiune la borne practic constantă, într-un domeniu larg de variaţie a curentului invers.

Parametri

- tensiunea de stabilizare – U_Z

- curentul invers maxim – I_Z

3. Diode cu contact punctiform

Sunt diode utilizate în domeniul frecvenţelor înalte şi foarte înalte, domeniu în care dioda cu joncţiuni nu poate fi folosită. Ele sunt folosite ca detectoare şi schimbătoare de frecvenţă, iar în regimul de impulsuri ca diode de comutaţie.

Parametri

- tensiune continuă inversă – U_RM

- curent continuu direct – I_F

- tensiune continuă directă – U_F

- curent mediu redresat – I₀

4. Diode varicap ( varactoare)

Sunt diode cu joncţiuni ce funcţionează în regim de polarizare inversă până la valoarea de străpungere. Utilizează proprietatea joncţiunii pn de a se comporta ca o capacitate dependentă de tensiunea continuă de polarizare inversă.

Parametri

- tensiune inversă de vârf – U_R

- curentul continuu invers – I_R

5. Diode tunel

Sunt diode cu joncţiuni dar cu o lăţime a zonei de trecere mult mai mică, a căror funcţionare se bazează pe “efectul tunel”. Datorită acestui efect, electronii pot învinge bariera de potenţial, reprezentată de regiunea de trecere, chiar în absenţa unei energii corespunzătoare. Apare astfel un curent prin diodă, numit curent tunel, important atât la polarizare inversă cât şi la valori mici ale polarităţii directe.

Simboluri

Tab. 2.1.1

Tipuri de diode	Simbol standardizat	Simbol nestandardizat
Diode redresoare
Diode stabilizatoare
Diode varicap
Diode cu contact punctiform
Diode tunel

Marcare

1. Pentru marcarea diodelor se practică desenarea unei benzi colorate pe corpul diodei, în apropierea unui terminal, ce indică catodul acesteia. Nu există norme internaţionale care să reglementeze codificarea dispozitivelor semiconductoare, aceasta revenind firmelor producătoare care utilizează coduri specifice lor.

2. Diodele cu contact punctiform sunt marcate prin aplicarea unor inele colorate pe corpul componentei. Citirea începe cu inelul cel mai apropiat de terminal.

Verificarea funcţionării diodelor
Funcţionalitatea diodelor sau a joncţiunilor pn se verifică cu ohmmetrul, prin măsurarea rezistenţelor în sensul conducţiei şi blocării.
1.La diodele cu terminalele marcate, se determină:

R_d – rezistenţa directă - în sensul direct de conducţie, conectând anodul la borna (+) a ohmmetrului.

R_i – rezistenţa inversă - în sens invers de blocare, conectând catodul la borna (+) a ohmmetrului.

Dacă dioda este în stare de funcţionare atunci R_d este mic (0) iar R_i este mare (∞).

2.La diodele cu terminalele nemarcate se determină rezistenţele în ambele sensuri şi se identifică terminalele:

- când rezistenţa este mică (R_d) atunci A (anodul) este cel legat la borna (+) a ohmmetrului;

- când rezistenţa este mare (R_i) atunci A (anodul) este cel legat la borna (–) a ohmmetrului;
Defectele diodelor:
1. Diodele sunt în scurtcircuit când ambele rezistenţe sunt mici.

2. Diodele sunt întrerupte când ambele rezistenţe sunt mari.

Activitatea de învăţare 2.1.1. Identificarea tipurilor de diode

Competenţa: Identifică circuitele cu componente electronice analogice

Obiectivul/obiective vizate:
- Să identifice tipurile de diode din schemele electronice.

- Să precizeze parametrii caracteristici fiecărui tip de componentă discretă, pe baza datelor de catalog

50 min

Tipul activităţii: Rezumare

Sugestii: Activitatea se poate realiza individual sau pe grupe de câte 3 - 4 elevi

Conţinut: Tipuri de diode

Obiectiv: La sfârşitul acestei activităţi vei putea să determini performanţele şi particularităţile constructive, de polarizare şi utilizare pentru diverse tipuri de diode.

Enunţ:

Folosind surse diverse (fişa de documentare 2.1., Internet, reviste de specialitate, caiet de notiţe, catalog de componente electronice etc), obţineţi informaţii despre diodele: redresoare, stabilizatoare, varicap, cu contact punctiform, tunel. Alegeţi câte un exemplu din fiecare tip de diodă şi prezentaţi rezultatul sub formă de tabel, după modelul următor:

Tip diodă	Simbol	Polarizare	Parametri	Utilizări

Evaluare: Pentru fiecare tip de diodă prezentată corect, se acordă câte 4 puncte.

Activitatea de învăţare 2.1.2. Determinarea stării de funcţionare a diodelor

Competenţa: Analizează funcţionarea montajelor cu circuite electronice

Obiectivul/obiective vizate:
Să măsoare rezistenţele la polarizare directă şi la polarizare inversă, determinând starea de funcţionare a diodelor

50 min

Tipul activităţii: Exerciţiu practic

Sugestii: Activitatea se poate realiza pe grupe de câte 3 - 4 elevi

Conţinut: Determinarea stării de funcţionare a diodelor

Obiectiv:

La sfârşitul acestei activităţi vei şti să apreciezi starea de funcţionare a diodelor, măsurând rezistenţele la polarizare directă şi inversă cu ajutorul aparatului de măsură.

Enunţ:

Pentru fiecare din diodele date: redresoare, stabilizatoare, cu contact punctiform, măsuraţi rezistenţa în polarizare directă şi rezistenţa în polarizare inversă şi treceţi rezultatele obţinute în tabelul de forma:

Tipul diodei	Cod	Rd (Ω)	Ri (Ω)	Starea de funcţionare
Redresoare
Stabilizatoare
Cu contact punctiform

Alte sugestii şi recomandări :

• 
  Pentru determinarea stării de funcţionare a diodelor se studiază fişa de documentare 2.1.;
  
• 
  Se recomandă cel puţin două diode diferite din fiecare tip ;
  

Materiale necesare:

• 
  Multimetre digitale sau multimetre analogice,
  
• 
  tipuri de diode: redresoare (1N4001...), stabilizatoare ( PL5V6Z....), cu contact punctiform (1N4148...).
  

Evaluare:

Pentru fiecare măsurătoare corectă se acordă câte 1punct. Pentru identificarea corectă a stării de funcţionare a fiecărei diode se acordă câte 2 puncte.

Tema 2. Componente active de circuit

Fişa de documentare 2.2. Tranzistoare

Tranzistoarele reprezintă dispozitive semiconductoare capabile să îndeplinească condiţiile necesare amplificării în condiţii de polarizare optimă.

Tipuri

În funcţie de modul de funcţionare, se pot împărţii în două mari categorii:

• 
  Tranzistoare bipolare – la care curentul principal este format din ambele feluri de purtători de sarcină electrică specifice semiconductorilor
  
• 
  Tranzistoare unipolare – la care curentul principal este format dintr-un singur fel de purtători de sarcină
  

1. ) Tranzistoare bipolare

Sunt formate dintr-un monocristal de germaniu sau siliciu, în care se realizează prin impurificare, trei regiuni alternativ dopate, despărţite prin două suprafeţe de separaţie. Regiunile de la extremităţi au acelaşi tip de conductibilitate şi se numesc emitor respectiv colector. Regiunea centrală are o conductibilitate opusă faţă de extremităţi şi se numeşte bază.

În funcţie de doparea regiunilor ce formează tranzistorul, se cunosc:

• 
  Tranzistoare pnp - emitorul şi colectorul de tip p
  

- baza de tip n

• 
  Tranzistoare npn - emitorul şi colectorul de tip n
  

- baza de tip p

Simboluri


Tranzistor npn Tranzistor pnp

Fig. 2.2.1.

Marcare

Există trei modalităţi de marcare a tranzistorilor:

a). folosind două litere şi trei cifre – se aplică tranzistoarelor din domeniu audio - video

• 
  Prima literă se referă la materialul din care este confecţionat tranzistorul şi poate fi : A – pentru germaniu, sau B – pentru siliciu
  
• 
  A doua literă reprezintă domeniul de utilizare: C – tranzistor de putere mică de joasă frecvenţă; D - tranzistor de putere mare de joasă frecvenţă; F – tranzistor de putere mică de înaltă frevenţă
  
• 
  Cifrele identifică un tip particular de tranzistor, fără a avea însă o logică universal valabilă în alegerea lor
  

b). marcarea care începe cu 2N – este formată din : cifră, literă, patru cifre

• 
  2 – simbol pentru tranzistor
  
• 
  N – simbol pentru siliciu
  

c). cod format din trei litere şi două cifre – nu există o regulă generală de identificare a literelor. Se aplică tranzistoarelor utilizate în aplicaţii speciale.

Parametri

Cei mai importanţi parametri ai unui tranzistor, a căror depăşire poate duce la distrugerea acestuia, sunt:

• 
  temperatura joncţiunii - T_F
  
• 
  puterea totală disipată - P_D
  
• 
  curentul de colector - I_C
  
• 
  factor de amplificare în curent - h_FE
  
• 
  tensiunea de saturaţie colector – emitor - U_CEsat
  
• 
  frecvenţa de tăiere - f_T
  

2. ) Tranzistoare unipolare ( cu efect de câmp)

Funcţionarea lor se bazează pe variaţia rezistenţei unui strat de material semiconductor, prin care curentul este obligat să circule, cu ajutorul unui câmp electric produs de semnalul de comandă. Variaţia rezistenţei determină variaţia curentului care trece prin tranzistor.

Tipuri

Există trei tipuri de tranzistoare cu efect de câmp ( TEC ):

• 
  tranzistoare cu efect de câmp cu joncţiune - TEC – J
  
• 
  tranzistoare cu efect de câmp cu structură de metal–oxid –semiconductor – MOS
  
• 
  tranzistoare cu pături subţiri
  

a) Tranzistoare cu efect de câmp cu joncţiune - TEC – J

Tranzistorul TEC –J, este format dintr-un bloc semiconductor de tip p sau n, la extremităţile căruia se depun două contacte ohmice numite sursă ( S ), respectiv drenă ( D). În zona centrală dintre sursă şi drenă se formează prin impurificare o regiune de tip opus blocului semiconductor, numită poartă ( P), sau grilă ( G ) iar de cealaltă parte a blocului semiconductor, se creează o zonă de acelaşi tip cu poarta, numită bază. Canalul conductor este conectat între drenă şi sursă.

Simbol

Fig. 2.2.2.

b) Tranzistoare cu efect de câmp tip MOS

La aceste tranzistoare, canalul conductor se află la suprafaţa semiconductorului de bază iar câmpul electric exterior se aplică pe o armătură metalică care este izolată de suprafaţă. Datorită succesiunii straturilor de metal, oxid de siliciu, semiconductor care formează poarta , tranzistorul se numeşte MOS.

Simbol


cu canal de tip p Fig.2.2.3. cu canal de tip n

Parametri

Caracteristic pentru TEC – uri,considerând aici şi TEC-J şi TEC-MOS sunt mărimile:

• 
  tensiunea de poartă - E_p – tensiunea dintre poartă şi sursă
  
• 
  curentul de drenă - I_D
  
• 
  impedanţa de intrare
  

Asemănări între TEC-J şi TEC-MOS:

• 
  ambele sunt comandate în tensiune
  
• 
  curentul de intrare mic ( 10^-9 ÷ 10^-12 A laTEC –J şi 10^-12 A la TEC - MOS)
  
• 
  impedanţa de intrare foarte mare ( 10¹² ÷ 10¹⁸ Ω la MOS )
  
• 
  frecvenţe de lucru foarte mari ( 10⁷ ÷ 10⁸ Hz )
  

Defecte specifice tranzistoarelor

Cele mai frecvente defecte care pot apare atât la circuitul de polarizare cât şi la tranzistorul propriu – zis, sunt: întreruperea joncţiunilor, curenţi reziduali prea mari, întreruperea circuitului exterior, scurtcircuite pe traseul imprimat.

Defecte	Manifestarea lor în circuit
Întreruperea conexiunii bază-emitor	Curent nul prin colector Tensiune pe colector mare, tensiune pe emitor nulă
Baza întreruptă în interiorul tranzistorului	Tensiune pe colector mare, tensiune pe emitor nulă
Colector întrerupt în interiorul tranzistorului	Tensiune mare în colector, 0,5V...0,7V tensiunea bazei
Emitor întrerupt în interiorul tranzistorului	Tensiune mare în colector, tensiune nulă în emitor
Scurtcircuit în interiorul tranzistorului între emitor şi colector	Tensiunile pe emitor şi colector au aceeaşi valoare
Întreruperea circuitului bazei	Tensiune pe colector mare, între bază şi emitor lipsă tensiune
Întreruperea circuitului emitorului	Tensiunea pe emitor aproape egală cu tensiunea de bază, tensiune mare pe colector
Întreruperea circuitului colectorului	Tensiuni foarte mici pe colector, bază şi emitor
Curenţi reziduali prea mari (nA la Si)
Tranzistor defect	Factorul de amplificare mai mic decât cel dat în catalog

Activitatea de învăţare 2.2.1. Identificarea tipurilor de tranzistoare

Competenţa: Identifică circuitele cu componente electronice analogice

Obiectivul/obiective vizate:
Să identifice terminalele şi tipul de tranzistor

50 min

Tipul activităţii: Exerciţiu practic

Sugestii: activitatea se poate realiza pe grupe de câte 3 - 4 elevi

Conţinut: Tranzistor bipolar

Obiectiv: La sfârşitul acestei activităţi vei putea identifica terminalele şi tipul de tranzistor, cu ajutorul aparatului de măsură.

Enunţ:

Identifică terminalele şi tipul tranzistoarelor date

Materiale necesare:

tipuri de tranzistoare T_A, T_B... ( BC 177, BC 171, BD 135, BD 137,...), multimetru numeric sau analogic, conectori

Mod de lucru:

- Se măsoară rezistenţa R_T1,T3 dintre terminalul T₁şi T₃, în ambele sensuri. Se repetă măsurarea între terminalele: T₁- T₂ şi T₂ –T₃ rezultatele trecându-se în tabelul:2.2.1.1

Tabelul 2.2.1.1

T	R T1, T3		R T2 , T3		R T1, T2		Tipul tranzistorului	Terminal
TA								T1= T2= T3=
TB								T1= T2= T3=

- Se compară valorile măsurate cu valorile din tabelul 2.2.1.2 şi se identifică terminalele şi tipul tranzistorului

- Pentru identificarea emitorului şi colectorului se compară rezistenţa joncţiunilor bază – emitor, respectiv bază – colector ( R_BE > R_BC)

- Dacă valorile măsurate diferă de cele din tabelul 2.2.1.2,tranzistorul este defect.

Tabelul 2.2.1.2

R T1, T3		R T2, T3		R T1,T2		Tipul tranzistorului	Terminal
mică	∞	mică	∞	∞	∞	npn	T1= T2= T3=
∞	mică	∞	mică	∞	∞	pnp	T1= T2= T3=

Evaluare:

- Pentru fiecare identificare corectă ( terminal, tip), se acordă câte 2 puncte

- Pentru fiecare măsurare corectă se acordă câte 1 punct.

Activitatea de învăţare 2.2.2. Utilizarea catalogului de tranzistoare

Competenţa: Verificarea funcţionării circuitelor cu componente discrete, a circuitelor integrate analogice

Obiectivul/obiective vizate:

Să precizeze parametrii diferitelor tipuri de tranzistoare pe baza datelor din cataloagele de componente

50 min

Tipul activităţii: Studiu de caz

Sugestii:

Activitatea se poate realiza individual sau pe grupe de 2 - 3 elevi

Conţinut: Utilizarea datelor din cataloagele de tranzistoare

Obiectiv: La sfârşitul acestei activităţi vei putea identifica parametrii diferitelor tipuri de tranzistoare, folosind datele din catalogul de tranzistoare.

Enunţ:
Redactează o foaie simplificată de catalog pentru un tranzistor bipolar, la alegere, folosind catalogul de tranzistoare. Se vor urmări valorile limită absolute precum şi caracteristicile statice şi dinamice ale tranzistorului respectiv.

Evaluare:
Punctajul se acordă în funcţie de exactitatea informaţiilor obţinute.