Condensatorul, Dioda și Tranzistorul

Condensatorul electric

Principiu de funcționare, unitatea de măsură și formule specifice
Mărimea fizică asociată unui condensator este capacitatea electrică. Atunci când o tensiune electrică U este aplicată la bornele unui condensator, una dintre armături se încarcă până la valoarea , iar cealaltă armătură până la . Q reprezită sarcina electrică măsurată în Coulombi (notat C), C face referire la capacitatea electrică, în timp ce U la tensiunea electrică.
Capacitatea electrică are ca și unitate de măsură Faradul (notat F), unde:. Odată ce condensatorul este încărcat, obținând la bornele lui o tensiune aproape egală cu cea a sursei de alimentare, separarea fizică dintre plăcile acestuia (dielectric) va împiedica orice trecere a curentului prin el. În momentul decuplării de la sursa de tensiune, acesta va rămâne încarcat până când energia stocată poate fi folosită sub formă de curent electric de scurtă durată (de exemplu pentru aprinderea unui LED) sau până când ambele borne sunt conectate la pămând (GND) și astfel condensatorul se descarcă prin pământ.

Având în vedere că odată încărcat dielectricul va bloca trecerea curentului prin el și implicit prin circuitul principal, LED-ul se va stinge. La descărcare, cel de al-doilea LED va continua sa lumineze până când energia stocată de condensator va fi disipată.

Legarea serie a condensatoarelor
Când două sau mai multe condensatoare sunt legate în serie, capacitatea totală a întregului ansamblu de condensatoare interconectate este mai mică decât cea mai mică capacitate din ansamblul respectiv. Capacitatea echivalentă este calculată similar ca și în cazul legării paralel a rezistoarelor:

În cazul legării serie, efectul rezultat este cel al unui condensator cu distanța dintre armaturi egală cu suma distanțelor dintre armăturile tuturor condensatoarelor individuale. De reținut este faptul că o creștere a distanței dintre armăturile unui condensator conduce la o scadere a capacității acestuia, de aici și definiția: capacitatea totală a ansamblului de condensatoare conectate în serie, este mai mică decât cea mai mică capacitate din ansamblul respectiv.

Exemplu: Calculați capacitatea echivalentă a 2 condensatoare legate în serie cu valorile: C1 = 4uF și C2 = 1uF. Aplicând formula prezentată mai sus vom obține că:

Legarea condensatoarelor în paralel
Când două sau mai multe condensatoare sunt legate în paralel, capacitățile lor se adună exact ca în cazul legării serie a rezistențelor:

La conectarea condensatoarelor în paralel, capacitatea echivalentă totală este dată de suma capacităților individuale ale condensatoarelor. Atunci când două sau mai multe condensatoare sunt conectate în paralel, efectul rezultat este cel al unui singur condensator ce are aria armăturilor egală cu suma ariilor armăturilor tuturor condensatoarelor, creșterea ariei armaturilor ducând la o crestere a capacității.

Exemplu: Calculați capacitatea echivalentă a 2 condensatoare legate în paralel cu valorile: C1 = 4uF și C2 = 1uF. Aplicând formula prezentată mai sus vom obține că:

Dioda semiconductoare

În acest sens, voi trece peste prezentarea joncțiunii p-n, dar având în vedere însemnătatea acestor informații am să las aici câteva link-uri utile din care să îți poți deprinde toate informațiile necesare: link1, link2, link3.

Polarizarea directă a diodelor
Dioda este polarizată direct atunci când borna pozitivă a sursei de tensiune este conectată la anod prin intermediul unui rezistor cu rol de limitare al curentului, iar borna negativă a sursei conectată la catod. În acest caz, dioda întră în conducție și permite trecerea curentului electric prin ea.

Polarizarea inversă a diodei
La polarizare inversă, borna negativă se conectează la anod iar cea pozitivă la catodul diodei. În cazul acesta, dacă neglijăm curentul invers foarte mic, curentul prin diodă este zero și deci dioda se blochează și nu permite trecerea curentului electric prin ea.

În figura de mai jos este simulată polarizarea unei diode. În primul caz se poate observa că dioda este polarizată direct, întrând în conducție și permițând trecerea curentului prin ea și implicit prin LED-ul din circuit. În partea de alături este ilustrată polarizarea inversă. Aici dioda se blochează, blocând în același timp și trecerea curentului prin întreg circuitul.

Caracteristica curent-tensiune a diodei

Alte tipuri de diode
În ziua de azi există o sumedenie de tipuri de diode, fiecare tip fiind conceput în așa fel încât să ofere o bună funcționare în anumite tipuri de situații și aplicații precum: redresoare, stabilizatore de tensiune, circuite de comutare, etc. În rândurile ce urmează voi descrie în linii mari câteva dintre aceste diode fără a întra în alte detalii, realizând o descriere mult mai amănunțită în momentul în care ne vom folosi de ele.

Dioda Zenner
Simbol:
Principala utilizare a diodelor de tip Zenner este stabilizarea tensiunii în sursele de alimentare cu curent continuu. Acest tip de diodă este concepută în așa fel încât poate funcționa în regiunea de străpungere inversă, aceasta fiind caracteristica ei principală.

Dioda Schottky
Simbol:
Diodele Schottky sunt utilizate în special în circuitele de înaltă frecvență și comutare rapidă. Acest tip de diodă se realizează prin alăturarea unei regiuni de semiconductor dopat (de obicei, n) și a unui metal precum argintul, aurul sau platina. Prin urmare, în locul unei joncțiuni p-n se va forma o joncțiune de tip metal-semiconductor.

Dioda luminescentă (LED)
Simbol:
LED-urile sunt utilizare în numeroase tipuri de aplicații (după cum ați văzut, majoritatea simulărilor de până acum au în componența lor cel puțin un LED utilizat la evidențierea trecerii curentului prin latura/circuitul respectiv). Acest tip de diode sunt realizate din mai multe tipuri de elemente chimice, în funcție de domeniul lor de utilizare (radiații infraroșii, radiații invizibile, lumină roșie, lumină galbenă, etc.).

Fotodioda
Simbol:
Fotodioda este un dispozitiv cu o joncțiune p-n care funcționează în polarizare inversă. Aceasta are o mică fantă transparentă care permite luminii să ajungă la joncțiunea p-n. Aceasta se deosebește de dioda uzuală prin faptul că, atunci când joncțiunea este expusă la lumină, curentul invers crește cu intensitatea luminii. Când joncțiunea nu este luminată, curentul invers este aproape neglijabil, fiind numit curent de intuneric.

Dioda varicap (varactor)
Simbol:
Diodele varactor sunt cunoscute ca diode cu capacitate variabilă deoarece capacitatea joncțiunii lor variază în funcție de tensiunea de polarizare inversă. Ele sunt concepute special pentru a face uz, în funcționare, de proprietatea acestuia. Capacitatea lor se poate modifica prin schimbarea valorii tensiunii inverse. Aceste dispozitive sunt folosite, de obicei, în circuitele electronice de acord din aparatele de comunicații.

Tranzistorul bipolar
Tranzitorul bipolar este un dispozitiv electronic format din trei regiuni semiconductoare dopate, separate prin 2 joncțiuni de tip p-n. Cele trei regiuni se numesc emitor, bază și colector. Acesta poate avea două tipuri de configurații: npn și pnp. Prima configurație constă din două regiuni n separate de o regiune p (npn), iar cealaltă configurație, din două regiuni p separate de o regiune n (pnp).

Pentru o întelegere cât mai ușoară cu putință a modului de funcționare ale celor două joncțiuni, voi lăsa și aici un link către un videoclip foarte interesant și ușor de “digerat”.

Simbolurile celor două structuri sunt prezentate în figura de mai jos:

Se observă că prin alăturarea celor trei regiuni dopate diferit se formează două joncțiuni ce pot fi asemănate cu două diode. Săgeata din simbol corespunde joncțiunii p-n emitor-bază. Sensul săgeții (care este întodeauna de la zona p spre zona n) arată sensul normal, pozitiv al curentului prin jonctiunea bază – emitor polarizată direct. Mărimile ce caracterizează un tranzistor bipolar sunt reprezentate de trei curenți și 3 tensiuni, fiind prezentate în figura de mai jos.

Parametrii și caracteristicile tranzistorului bipolar
Raportul dintre curentul continuu prin colector și curentul continuu prin bază se numește beta în c.c și reprezintă câștigul în curent continuu al tranzistorului respectiv. Beta este o mărime statică de curent continuu, care indică de câte ori este mai mare curentul prin colectorul tranzistorului decât curentul prin baza acestuia, valoarea sa fiind furnizată de către producător.

Raportul dintre curentul continuu prin colector și curentul prin emitor poartă denumirea de alfa în c.c. Acest parametru este întodeauna subunitar deoarece curentul de colector este întodeauna mai mic decât curentul de emitor.

Pentru scoaterea în evidență a caracteristicilor electrice ale tranzistorului bipolar, considerăm următoarea configurație:

De asemenea, sursa de tensiune este utilizată la polarizarea directă a joncțiunii bază – emitor, în timp ce polarizează invers joncțiunea bază – colector.
La polarizarea directă a joncțiunii bază – emitor, aceasta se comportă ca o diodă polarizată direct, prezentând o cădere de tensiune egală cu 0.7V (în funcție de curent această valoare poate ajunge până la 0.9V):

Întrucât emitorul este conectat la punctul de masă (0V), aplicând legea lui Kirchhoff în primul ochi de rețea vom obține că tensiunea la bornele rezistenței atașate bazei tranzistorului este egală cu diferența dintre tensiunea sursei de alimentare și tensiunea bază – emitor:

Aplicând legea lui Ohm obținem că:

Prin substituție rezultă că:

Căderea de tensiune pe rezistența de colector este:

Aplicând Kirchhoff pe al doilea ochi de rețea vom obține că:

Tensiunea pe joncțiunea colector – bază, polarizată invers, este:

În toate cataloagele de tranzistoare ne este prezentată caracteristica de intrare și cea de ieșire a tranzistorului, pe cea de ieșire delimitându-se și regiunile de funcționare ale acestuia: regiunea activă, regiunea de saturație și regiunea de blocare. În cele ce urmează vom lua pe rand fiecare regiune în parte, pentru evidențierea principiului de funcționare ce stă la baza lor.

Regiunea activă

Regiunea de blocare

Regiunea de saturație

Exemplu: Pe baza circuitului prezentat anterior (regiunea de blocare), presupunând că: = 10kΩ, = 1kΩ, = 50, = 3V, = 10V și = 0.2V, stabiliți dacă tranzistorul funcționează în regim de saturație.

Pasul 1: Determinam :

Pasul 2: Verificăm dacă este suficient de mare pentru a produce acest :

Având în vedere dat și curentul de bază calculat, este mai mare decât . Prin urmare, valoarea de 11.5 mA a curentului de colector nu poate fi atinsă deoarece tranzistorul este saturat, iar chiar dacă am crește valoarea curentului de bază, , curentul de colector va rămâne la valoarea de saturație.

În simularea de mai jos este prezentat efectul creșterii curentului de bază de la 0.23mA la 1.04mA. Se poate observa că în ciuda creșterii semnificative a curentului pe baza tranzistorului, curentul pe colector rămâne constant la valoarea de 9.8-9.9 mA.