REGIMUL DE COMUTAŢIE AL DISPOZITIVELOR SEMICONDUCTOARE

Transcript

1 APITOLUL 2 REGIMUL DE OMUTAŢIE AL DISPOZITIVELOR SEMIONDUTOARE 2.1. Probleme generale Un comuaor ese un dispoziiv care poae coneca sau deconeca două punce dinr-un circui elecric sau elecronic, deci are doua sari, o daa ese închis, face conacul şi ideal are rezisenţa zero şi a doua oara ese deschis, iar ideal are rezisenţa infiniă. Simbolul general penru un comuaor ideal şi denumirile curene ale sărilor sun prezenae în figura 2.1. Dispoziivele po fi comuaoare mecanice cu acţionare manuală sau cu acţionare elecrică (relee). La puere mare sun denumie conacoare. Dispoziivele elecronice po de asemenea juca rolul de comuaor şi capiolul ese dedica comporării lor în aces rol. Un dispoziiv elecronic ese în regim de comuaţie aunci când ensiunile la borne şi implici curenţii se modifică cu vieză foare mare. Fig Simbolul Dispoziivele funcionează de fap sub acţiunea unor comuaorului ideal semnale de comandă sub formă de impulsuri drepunghiulare. omanda poae fi în ensiune sau în curen, funcţie de ipul sursei de comandă. Rezulaul ese de asemenea un impuls de ensiune sau/şi de curen. Acesa ese deforma, si aceasa deformare ese esenţială penru funcţionarea circuiului Înr-un asfel de regim au imporanţă impii de ranziţie sau de comuaţie şi penru analiză nu po fi uilizae obişnui schemele echivalene simplificae. Elemenele reacive ale schemelor echivalene ale dispoziivelor rebuie luae în considerare. Exisă două ranziţii care poară numele de: comuaţie direcă (urn on) ese aunci când dispoziivul rece din sarea de blocare în sarea de conducţie. comuaţie inversă (urn off) ese aunci când dispoziivul rece din sarea de conducţie în sarea de blocare. omporarea unui dispoziiv în regim de comuaţie se deermină experimenal de producaori, care rec apoi în foile de caalog daele obţinue. Acesea sun obisnui diverse valori de imp specifice şi valori ale capaciăţilor echivalene ale dispoziivelor Dioda în regim de comuaţie omporarea unei diode supusă unui regim de comuaţie direcă (momenul 1 ) câ şi unui regim de comuaţie inversă (momenul 2 ), ese prezenaă în figura 2.2.

2 comuaţie: Fig omuaţia diodei Fig ircui de proecţie a diodei la supraensiuni omanda se face în ensiune cu un impuls bipolar şi ese evalua răspunsul aâ în ensiune câ şi în curen. La comuaia direcă curenul prin dioda nu crese insananeu (ensiunea U de comanda fiind presupusa ideala, cu imp de comuaţie zero), ci inr-un imp numi imp de creşere sau de comuaţie direcă, cr sau on. Similar evoluează ensiunea la bornele diodei. La comuaţia inversă curenul prin dioda ajunge aproape de valoarea zero după un inerval de imp numi imp de cădere sau de comuaţie inversă, cd sau off. Fenomenul de comuaţie inversă cuprinde şi un inerval de imp, numi imp de revenire, în care exisă un curen invers prin diodă. Simulan, ensiunea inversă la bornele diodei are o supracreşere inversă accenuaă, u im, care depinde de pana iniţială di/d cu care revine curenul invers la zero. Dacă pana de revenire a curenului ese mare aunci avem comuaţie hard (hard recovery), cu supraensiuni foare mari, dacă ese mică aunci avem comuaţie sof (sof recovery), cu supraensiuni mai mici. Acese supraensiuni po disruge dioda. Penru limiarea acesora sun uilizae elemene de proecţie, cel mai des un grup rezisenţă-condensaor (grup R) coneca la bornele diodei (figura 2.3). Diodele se împar în două caegorii mari d.p.d.v. al funcţionării în regim de redresoare (recifier), care sun diode lene, cu impii de comuaţie de ordinul microsecundelor diode rapide sau de comuaie (fas, swiching) daca aceşi impi sun de ordinul nanosecundelor sau mai mici. Penru diodele rapide si ulrarapide impii de comuaţie sun de ordinul de mărime: on nanosecunde, fraciuni de nanosecunde; off zeci de nanosecunde, nanosecunde

3 2.3. Tranzisorul în regim de comuaţie Dioda, prin naura ei ese un comuaor cu două sari, conducie-blocare, iar schema echivalenă simplificaa ese un comuaor ideal care depinde de polariaea ensiunii la borne. Penru ranzisor lucrurile sun mai complicae, el poae fi un comuaor înre colecor şi emior deoarece are doua sari în care penru aces spaiu ese la rândul lui echivala simplifica cu un conac deschis, cand ese în sare de blocare şi cu un conac închis când ese in sare de sauraţie. Aingerea celor doua sări depinde însă de comanda pe bază (care se face în curen) dar şi de ale lucruri cum sun conexiunea ranzisorului, ensiunea de alimenare de c.c. sau facorul de amplificare Tranzisorul bipolar în conexiune E în rolul de comuaor el mai des ranzisorul ese în conexiune E când are rol de comuaor şi ese comanda de la o sursă de ensiune care va furniza bazei un curen de comandă. Desigur că el poae funcţiona ca un comuaor şi în celelale conexiuni, lucrurile fiind similare cu cele de la amplificaoare. Exisa si in cazul ranzisorului comuaia direca, cand ranzisorul rece din sarea de blocare in sarea de conducie, de obicei conducie in sauraie sau la limia inrarii in sauraie si comuaia inversa aunci cand ranzisorul rece din sarea de conducie in sarea de blocare. u B 1 2 EA EA EA EA ii=0 ii=e A/ R ii R R R R R u B R u =E A u u B u R u =0 B B B B R E A a) Tranzisorul bloca b) Tranzisorul în sauraţie Fig Tranzisorul comanda cu impulsuri de ensiune Tensiunea de comanda u B ese sub forma de impulsuri (figura 2.4), cu o valoare mica (sub 0,7 voli) sau cu valoare negaiva penru blocare (inervalul 1 de comanda) si cu o valoare sensibil pese 0,7 voli penru sauraie (inervalul 2 de comanda). Tranzisorul se compora in aces caz ca un comuaor. Penru inervalul 1 de comanda ranzisorul ese bloca si daca ese inlocui prin schema echivalena simplificae penru zona de blocare aunci curenul principal i ese zero iar ensiunea de iesire, u E ese egala cu ensiunea sursei (figura 2.4 a). In

4 aces caz ranzisorul ese echivalen inre bornele principale colecor-emior cu un comuaor deschis. Penru inervalul 2 de comanda ranzisorul ese deschis la sauraie si daca ese inlocui prin schema echivalena simplificae penru zona de sauraie aunci curenul principal i ese E A /R conform legii lui Ohm iar ensiunea de iesire, u E ese egala zero (figura 2.4 b). In aces caz ranzisorul ese echivalen inre bornele principale colecoremior cu un comuaor inchis. Tranzisorul se compora ca un comuaor comanda, care se inchide sau se deschide sub aciunea ensiunii de comanda din circuiul de inrare Tranzisorul bipolar în regim de comuaţie Tranziia de la o sare la ala nu se face in realiae insananeu. Aunci au imporana impii de ranziie sau de comuaie si nu po fi uilizae schemele u B echivalene simplificae. Evoluia in imp a marimilor principale pe inervalele de +U ranziie ese prezenaa in figura 2.5. S-a presupus o ensiune ideala de comanda, cu impi zero de ranziie. Raspunsul ranzisorului, curenul de inrare -U i B si cel de iesire i se face in inervale de imp disince. iib In primul rand, raspunsul la comuaia direca. urenul de baza raspunde rapid, dar cel de colecor are in primul rand un inerval de inarziere pana incepe cresera, d (delay) iar apoi un inerval de cresere, r. Impreuna reprezina impul de comuaie direca, on. La comuaia inversa curenul de ii cd ci baza scade un inerval de imp si rece la o valoare negaive maxima, pasraa o duraa de imp dupa care revine la zero. ii s Imporana ese comporarea curenului de cr c colecor deoarece acesa ese răspunsul Fig. 2.5 Tranzisorul în regim de final în procesul de comuaţie El ramane la comuaie; forma în imp a mărimilor valoarea maxima poziiva un inerval de principale imp, denumi imp de socare s (sore), si doar apoi incepe se scada la zero inr-un al ineerval de imp numi imp de cadere, f. Impreuna impul de socare si cel de cadere reprezina impul de comuaie inversa a ranzisorului, off. Timpii de comuaie sun parameri imporani ai ranzisorului, ei deerminand de fap limia viezei de funcionare a ranzisorului in circuiele de impulsuri sau mai precis limia maxima a frecvenei impulsurilor care po fi generae sau prelucrae de un anumi ranzisor.

5 omuaţie şi sauraţie penru ranzisorul bipolar Penru ca ranzisorul să se compore câ mai aproape de un conac ideal închis, adica rezisenţă zero după comuaţia direcă, el rebuie sa fie adus în regim de sauraţie. Penru cazul schemei de comuaţie cu ranzisor în conexiune E alegerea elemenelor penru a fi îndepliniă aceasă condiţie se face prinr-un calcul simplu (figura 2.6). ondiţia ca ranzisorul să fie la limia de inrare în sauraţie ese ca ensiunea U E să fie mai mică decâ ensiunea U BE 0,7V. Se poae neglija aceasă ensiune de 0,7V câ şi ensiunea U E aunci când ranzisorul ese în sauraţie (prin comparaţie cu ensiunea de alimenare E mul mai mare) şi se va considera condiţia de sauraţie îndepliniă dacă curenul de colecor provoacă o cădere de ensiune pe R egală cu ensiunea de alimenare. Vom noa aces curen I sa şi rezulă relaţia: I sa R = E (2.1) Aingerea curenului de sauraţie depinde de nivelul curenului de bază. Neglijând U BE 0,7V, mul mai mică decâ E avem : I B R B = E (2.2) La limia de inrare în sauraţie exisă relaia principală dinre curenţii unui ranzisor : I sa = β I Bsa (2.3) Penru sauraţie sigură rebuie să avem îndepliniă condiţia : I B > I Bsa (2.4) Fig Amplificaor conexiune E alculul simplifica se face asfel : a) Se alege un curen de sauraţie, I sa b) Se calculează R din (2.1) ; c) Se alege o rezisenţă de valoare apropiaă celei rezulae din calcul ; d) Se recalculează I sa cu (2.1) ; e) Se deermină I Bsa cu (2.3) f) Se alege I B conform (2.4) Se calculează R B din (2.2) Dacă condiţia de sauraţie (2.4) ese îndepliniă la limiă, I B = I Bsa, se spune că ranzisorul ese în sauraţie incipienă. u câ curenul de bază ese mai mare decâ aceasă limiă cu aâ sauraţia ranzisorului ese mai adâncă. Penru a fi aproape de conac ideal închis nu are mare imporanţă dacă ranzisorul ese la limiă sau în sauraie accenuaă, dar penru regimul de comuaţie are. Timpul de socare, care măreşe impul de comuaie inversă ese direc dependen de gradul de sauraie asfel că ideal ar fi ca înodeauna comuaţia direcă să se facă doar la limia de inrare în sauraţie.

6 alculul prezena nu dă garanii deoarece depinde de facorul de amplificare în curen, diferi chiar la ranzisoare din acelaşi lo iar de alfel calculul se face penru un facor de amplificare minim. De acea se uilizează, penru a evia sauraţia profunda, diverse soluii dinre care s-a impus uilizarea diodelor Schoky. Acesea au o ensiune de deschidere mai mică decâ joncţiunile p-n pe siliciu şi dacă sun conecae ca în figura 2.7 po evia inrarea în sauraţie a ranzisorului şi deci duc la impi de comuaţie mai mici omuaor elemenar cu ranzisor bipolar Fig Tranzisor cu diodă Schoky penru eviarea sauraţiei Elemenul principal uiliza in circuiele de impulsuri penru a obine sau ransmie fronuri rapide ese ranzisorul, folosi in regim de comuaie. In circuiele de impulsuri se uilizeaza prioriar conexiunea emior comun a ranzisorului si in majoriaea siuaiilor rezisena de sabilizare ermica din emior lipsese, asfel ca ranzisorul apare obisnui ca in figura 2.4, unde u B ese un impuls de inrare iar u impulsul de iesire. In primul rand rebuie amini ca, uiliza in aces mod, ca si la amplificaoare şi privind doar forma ensiunilor de inrare şi ieşire, ranzisorul provoaca o schimbare de sens a fronului de inrare. Un fron de inrare crescaor ese ransforma inr-unul descrescaor la iesire si invers (figura 2.9). Tranzisorul are un efec dublu asupra duraei fronurilor. Imbunaaese fronurile lene dar in acelasi imp srica fronurile rapide. Eseniali sun impii de comuaie ai ranzisorului. Fig Schimbarea sensului Fig Imbunaairea Fig Deeriorarea fronurilor fronurilor la ranzisor fronurilor la frecvene joase la frecvene inale La frecvene joase, unde impii de comuaie ai ranzisorului sun neglijabili, un impuls cu fronuri lene se va ransforma (respecand schimbarea de sens) inr-un impuls cu fronuri rapide (figura 2.10) iar la frecvene ridicae, unde impii de comuaie sun comparabili cu impul impulsului un impuls cu fronuri rapide la inrare se ransforma la iesire la fel ca in figura 2.11.

7 O succesiune de impulsuri se poae modifica la fel ca in figura Se produce la limia o deformare puernica dar care inca poae fi consideraa o succesiune de impulsuri (figura 2.12.a). Pese o anumia limia a frecvenei impulsurilor de inrare la iesire nu mai exisa o succesiune de impulsuri (figura 2.12.b) a) b) Fig Modificarea impulsurilor o daa cu creserea frecvenei: la limia de funcionare (a); pese limia de funcionare (b).