Studiul fenomenului de redresare. Dioda redresoare

Studiul fenomenului de redresare. Dioda redresoare

Introducere

Fenomenul de redresare consta in transformarea unui curent care isi schimba sensul, in timp, intr-un curent care are acelasi sens. In particular, acest curent poate sa fie sinusoidal (un curent care isi schimba sensul periodic - figura 2a):

. (1)

Redresarea se poate realiza cu ajutorul diodelor. In functie de materialele folosite pentru a produce aceste dispozitive electronice si fenomenele care genereaza redresarea, diodele sunt diode tub si diode semiconductoare.

Dioda tub

Diodele tub sunt de doua tipuri: diode cu vid si diode cu gaz.

Dioda tub cu vid este un tub electronic cu doi electrozi. Un electrod este pe post de catod si un altul pe post de anod (figura 1a). Prima dioda tub cu vid a fost patentata in Anglia de catre John Ambrose Fleming in anul 1904. Catodul poate sa fie cu incalzire directa (are un circuit separat si un filament in care, prin incalzire se produce emisia termica de electroni) sau cu incalzire indirecta (filamentul incalzeste o depunere de materiale care au energia de extractie mica - de exemplu, amestec de oxizi de bariu si strontiu). Fenomenul de emisie termoelectronica a fost descoperit de fizicianul si chimistul englez Frederick Guthrie in 1873 si redescoperit de inventatorul american Thomas Edison in 1880. Cei doi electrozi sun plasati intr-un tub (de obicei din sticla sau metal) vidat. Circuitul de incalzire al filamentului este alimentat la o tensiune standard de 6,5 V. Introdusa intr-un circuit alimentat de la o sursa de curent continuu, dioda va conduce, daca este direct polarizata, adica polul plus al sursei este la anod si minus 818i86i ul la catod (figura 1b). Cu cat tensiunea este mai mare cu atat intensitatea curentului este mai mare, pana la o tensiune numita tensiune de saturatie de la care, intensitatea curentului practic ramane constanta, deoarece toti electronii extrasi din filament in unitatea de timp (curentul de emisie al filamentului) ajung pe anod. In polarizare inversa - plusul sursei este conectat la catod si minusul este conectat la anod - dioda nu conduce si curentul este foarte mic (figura 1c), indiferent cat de mare este tensiunea (tensiunea nu trebuie sa depaseasca valoarea de strapungere pentru care campul electric este atat de intens incat sunt smulsi electroni din anod care sunt atrasi de catod).

In curent alternativ, dioda va conduce numai in polarizare directa, transformand curentul alternativ in curent pulsant (deformat in functie de caracteristica diodei) avand un singur sens (figura 2). Intr-un circuit, dioda tub este simbolizata ca in figura 1d.

Dioda cu gaz este umpluta, dupa vidare, cu un gaz nobil (gaz inert - de obicei neon) la presiune mica (sub 1mm coloana de mercur ). In dioda cu gaz tensiunea aplicata produce prin intermediul electronilor accelerati ionizarea gazului (o descarcare electrica) si deci conductia este atat electronica cat si ionica. Dioda cu gaz este utilizata ca: stabilizator de tensiune, dispozitiv de protectie la supratensiune, sursa stroboscopica de lumina etc.

Dioda cu corp solid

Dioda cu corp solid este un dispozitiv alcatuit din materiale solide: metale si semiconductoare. Semiconductorii sunt materiale cu conductivitatea () mult mai mica decat cea a metalelor (.

Diodele cu corp solid sunt jonctiuni semiconductor-semiconductor sau metal-semiconductor. Primele dispozitive cu corp solid (siliciu) au fost produse de inginerul electronist american Greenleaf Whittier Pickard in anul 1900 si patentate in anul 1906. In anul 1919, fizicianul englez William Henry Eccles a numit aceste dispozitive diode (in limba greaca, di inseamna doi si odos inseamna drum/cale

Jonctiunea (figura 3c) este zona de trecere de la o conductie determinata de golurile din semiconductorul extrinsec de tip la o conductie determinata de electronii din semiconductorul extrinsec de tip . Semiconductorii puri (de exemplu, germaniul si siliciul sunt elemente din grupa a patra si sunt tetravalente, fiecare atom fiind legat prin legaturi covalente - adica perechi de electroni cu spinul opus - cu alti patru) au conductivitatea determinata atat de electroni cat si de goluri.

La temperaturile de ordinul a , un procent mic din electronii de valenta primesc de la retea suficienta energie pentru a parasi legatura devenind liberi. Locul ramas liber (legatura covalenta rupta) se numeste gol si se comporta ca o sarcina pozitiva. Acest gol atrage un electron de la o covalenta vecina si se "deplaseaza" spre aceasta (reapare dar deplasat) sau atrage un electron liber si dispare iar electronul devine legat (fenomenul de recombinare).

Deoarece conductia este determinata de proprietatile atomilor proprii, semiconductorii puri se mai numesc si semiconductori cu conductibilitate intrinseca. Semiconductorii cu impuritatii incluse in reteaua cristalina sunt semiconductori cu conductibilitate extrinseca (proprietatile de conductie sunt determinate de impuritatile introduse prin procesul de dopaj (dopare) - adica o difuziune controlata a atomilor unor elemente avand valenta mai mare sau mai mica decat valenta atomilor din reteaua cristalina - in reteaua unui semiconductor pur). Semiconductori de tip sunt impurificati cu atomi ai elementelor pentavalente. Atomii de impuritate care genereaza electroni liberi se numesc donori. De exemplu, fiecare atom pentavalent (atom de fosfor) inclus in reteaua germaniului realizeaza patru legaturi covalente cu atomii de germaniu vecini (figura 3a). Al cincilea electron, neimplicat in legaturi, ramane liber si poate participa la conductie. In acest mod, concentratia de electroni liberi ai semiconductorului creste cu numarul corespunzator de atomi pentavalenti din unitatea de volum . Daca concentratia atomilor pentavalenti este mai mare decat concentratia electronilor liberi din siliciu pur, conductia va fi determinata de acestia

. (2)

Deoarece electronul liber nu apartine unei covalente, nu se formeaza un gol si deci conductivitatea in semiconductorii de tip este determinata numai de electroni. Semiconductor de tip sunt impurificati cu atomi ai elementelor trivalente. Atomii de impuritate care genereaza goluri se numesc acceptori. De exemplu, fiecare atom trivalent (atom de bor) inclus in reteaua siliciului realizeaza trei legaturi covalente cu atomii de siliciu vecini (figura 3b). A patra covalenta incompleta este un gol si are comportamentul unei sarcini pozitive deoarece atrage electronul liber cel mai apropiat, in locul acestuia producandu-se un gol (golul se deplaseaza in sens invers deplasarii electronului si se comporta ca o sarcina pozitiva libera). In acest caz conductia este determinata de goluri si numarul de goluri pe unitatea de volum este egala cu concentratia atomilor trivalenti

. (3)

In zona de jonctiune are loc, chiar in timpul procesului de dopare, fenomenul de recombinare a golurilor cu electronii. Deoarece cei doi semiconductori extrinseci sunt neutri, prin recombinare apare o zona fara purtatori (o zona izolatoare avand rezistenta mare) marginita de o zona incarcata pozitiv (zona dinspre semiconductorul de tip cu ionii pozitivi ai impuritatilor donoare) si o alta incarcata negativ (zona dinspre semiconductorul de tip cu ionii negativi ai impuritatilor acceptoare). Intre cele doua zone se genereaza un camp electrostatic intern de intensitate care se opune procesului de recombinare. In zona , golurile sunt purtatorii majoritari deoarece exista si un numar foarte mic de electroni liberi (purtatori minoritari) ai retelei de baza. In zona , purtatorii majoritari sunt electronii. La echilibru (echilibrul dintre fortele de difuzie si cele electrostatice) intensitatea campului intern si latimea a zonei de recombinare raman constante (figura 3c). Echilibrul este dinamic, deoarece apar curenti foarte mici care se compenseaza (un curent format din purtatori majoritari si un curent opus format din purtatori minoritari).

In functie de proprietatile jonctiunii diodele sunt: dioda redresoare, dioda stabilizatoare (dioda Zener), dioda de comutatie, dioda cu capacitate variabila (varicap), dioda tunel etc.

Jonctiune in regim static

Proprietatile jonctiunii se pot observa daca aplicam o diferenta de potential constanta (tensiune continua - regim static) de la o sursa exterioara. In polarizare directa, plusul surse exterioare la zona (anodul diodei) si minusul sursei la zona (catodul diodei), diferenta de potential aplicata creeaza un camp exterior opus campului interior (figura 4a).
Campul rezultant () este cu atat mai mic cu cat campul exterior (implicit tensiunea exterioara) este mai mare. Efetul fizic consta in micsorarea zonei fara purtatori si deci a rezistentei jonctiunii si deci aparitia unui curent care creste odata cu crestere tensiunii exterioare. Spunem ca dioda conduce. Daca tensiunea exterioara se aplica in polarizare inversa (polul plus al sursei la si polul minus al sursei la ) campul exterior se aduna cu campul interior si zona fara purtatori se mareste, rezistenta jonctiunii crescand (figura 4b ). In acest caz, in jonctiune apare un curent foarte mic chiar daca crestem tensiunea aplicata (fara a depasii o tensiune limita pentru care jonctiunea se distruge prin incalzire - strapungere). Spunem ca dioda este blocata.

Trasarea caracteristicii statice a diodei redresoare

Scopul aceste prime parti practice a lucrarii este trasarea caracteristicii statice a unei diode redresoare. Caracteristica este statica deoarece aplicam diodei tensiuni continui. Montajul este alcatuit din: dioda (simbolizata conform figurii 5a), sursa de tensiune continua cu potentiometru incorporat, voltmetru si ampermetru .

Sursa este legata in montaj printr-un inversor de polaritate. Se selecteaza inversorul astfel incat dioda sa fie polarizata direct. Se creste tensiunea cu ajutorul potentiometrului sursei si se masoara pentru fiecare tensiune aplicata diodei (avem grija sa nu depasim tensiunea maxima pe care o suporta dioda in functie de tipul de dioda si specificatiile fabricantului!) curentul prin dioda. Se inverseaza polaritatea pe dioda si se repeta operatia de masurare a tensiunii si intensitatii. Pentru o buna interpretare a caracteristicii obtinute, este bine sa se aleaga, cel putin pentru tensiuni mici, aceleasi valori ca si pentru polarizarea directa Datele se trec intr-un tabel.

Cu ajutorul acestor date se traseaza caracteristica statica a diodei redresoare. Valorile obtinute in polarizare directa se pun in primul cadran al sistemului de axe (figura 6a) si si valorile obtinute in polarizare inversa se pun in cadranul trei (se considera ca atat tensiunea cat si curentul au semne negative).

Dioda Zener, trasarea caracteristicii statice

Dioda Zener este o dioda cu siliciu care in regim de polarizare inversa, de la o anumita valoare a tensiunii (tensiunea Zener), specifica fiecarui tip de dioda, curentul creste foarte mult fara a se produce deteriorarea dispozitivului (fenomenul se numeste multiplicare in avalansa a electronilor si este reversibil). In acest caz, desi tensiunea aplicata din exterior creste, tensiunea la bornele diodei masurata cu ajutorul voltmetrului ramane constanta (tensiune Zener maxima). Din acest motiv dioda Zener este folosita ca limitator de tensiune sau stabilizator de tensiune. In polarizare directa, dioda Zener functioneaza ca o dioda. A fost inventata de fizicianul american Clarence Melvin Zener

Modul de lucru si prelucrare datelor

Montajul experimental este identic cu cel de la dioda redresoare, cu exceptia diodei care este inlocuita cu una Zener. Simbolurile pentru dioda Zener sunt date in figura 5c. Se polarizeaza invers dioda si se aplica tensiuni care variaza din volt in volt pana la valoare apropiata tensiunii Zener specificata de fabricant, citindu-se intensitatea. Apoi se creste tensiunea cu valori mai mici (de exemplu din in ) masurandu-se intensitatea. Datele se trec intr-un tabel. Se repeta procedura si in polarizare directa.

Cu datele obtinute se traseaza dependenta . Se compara caracteristica obtinuta cu cea data in figura 6b si se interpreteaza rezultatele. Pentru dioda Zener se poate calcula rezistenta diferentiala a diodei

(4)

pentru zona de multiplicare in avalansa. Rezistenta diferentiala este o caracteristica a diodei Zener.

Puntea de diode redresoare

Pentru a redresa ambele alternante ale uni curent alternativ (sinusoidal) se realizeaza un dispozitiv alcatuit din patru diode numit punte de diode (figura 7). Puntea se leaga la sursa alternativa intre punctele si . Tensiunea redresata se preia intre punctele si pentru consumator. Cand punctul este pozitiv, conduce dioda (dioda este polarizata direct si dioda este polarizata invers) si prin consumator curentul revine prin punctele (dioda conduce - este polarizata direct) si si se intoarce la sursa . In acest mod se redreseaza o alternanta. Cand punctul este pozitiv, conduce dioda (dioda este polarizata direct si dioda este polarizata invers) si prin consumator curentul revine prin punctele (dioda conduce - este polarizata direct) si si se intoarce la sursa . In acest mod se redreseaza si a doua alternanta (figura 2c). Pentru a se obtine un curent constant in timp (curent continuu) este necesar sa trecem curentul pulsant printr-un filtru alcatuit dintr-un condensator si o inductanta care au rolul sa netezeasca semnalul. Se obtine o tensiune (intre punctele si ) si un curent aproape continuu (figura 2d) avand valoarea .