tema 4: COMPONENTS ACTIUS: ▪ TRANSFORMADOR DIODE TRANSISTOR RELÉ

1. K e_ M N L TECNOLOGIA E.S.O Electrònica Bàsica • tema 4: • COMPONENTS ACTIUS: • ▪ TRANSFORMADOR • DIODE • TRANSISTOR • RELÉ Manuel I. Bielsa - Enric Torres curs 2002-03

2. TEMA 4 1.- El Transformador monofàsic 2.- Els materials semiconductors 3.- El Diode 4.- El transistor: Bipolar, JFET i MOSFET 5.- El Relé 1/tema 4

3. 1. El Transformador monofàsic SECUNDARI SECUNDARI PRIMARI PRIMARI SECUNDARI PRIMARI b) TRF amb nucli de Fe-Si c) TRF amb acoblament variable a) TRF amb nucli d’aire • Sol ser necessari disposar de circuits elèctrics de manera que la potència disponible es puga comportar, amb relació a la càrrega, com la més apropiada d’entre multiples combinacions que es poden fer amb els valors de la corrent i la tensió. Es a dir, des d’una tensió elevada amb una dèbil corrent, fins a una tensió baixa amb una corrent elevada. • El dispositiu elèctric que realitza una funció comparable a la del variador mecànic de velocitat mitjançant engranatges es denomina TRANSFORMADOR. • El TRANSFORMADOR és una màquina elèctrica estàtica, que transforma la potència elèctrica disponible variant la relació tensió-corrent, gràcies a la disposició dels debanats primari-secundari. • El funcionament d’un TRANSFORMADOR es basa en el principi de l’inducció electromagnètica, que de manera resumida s’ha analitzat en la tema anterior, i consisteix en ú o varis bobinats que estàn reciprocament influits per la corrent, doncs, la corrent que recorreix un debanat indueix una tensió en l’altre. Aquest efecte demostra que existeix una inductància mutua entre els debanats. • Evidentment, aquí sols analitzem els transformadors monofàsics de xicoteta o mitjana potència, deixant de costat tots aquells de gran potència i trifàsics, doncs, ens interessa conéixer aquells amb aplicacions relacionades en l’àmbit de l’electrònica de consum-escolar. • Simbols 2/tema 4

4. d) TRF amb nucli de FE-Si. Connexió a la xarxa i a la càrrega e) TRF amb nucli de Fe-Si. Indicació de la relació de tensions entre VP - VS PRIMARI ~ ~ càrrega SECUNDARI PRIMARI SECUNDARI f-1) AUTOTRANSFORMADOR f-3) AUTOTRANSFORMADOR f-2) AUTOTRANSFORMADOR 3/tema 4

5. Caixa de plàstic insertable (cartux) al nucli sobre el que se bobina amb fil de Cu esmaltat el primari i secundari del TRF Nucli massís Ferromagnètic dividit en dues parts Transformador 220V – 9V amb nucli de xapes de Fe. Muntatge d’un transformador per a realitzar experiències didàctiques, amb regleta de connexions i fusible protector del debanat primari • Constitució fisica 4/tema 4

6. Vis de subjecció Debanat PRIMARI Debanat SECUNDARI Nucli Paper oliós Cartux de plàstic • Donat que la Reluctància de l’aire és màxima i la Permeabilitat minima, l’introducció d’un nucli de Fe d’alta permeabilitat en l’interior dels debanats, en substitució de l’aire, augmenta l’acoplament magnètic entre ú i l’altre debanat permitint obtenir la màxima transferència d’energia. • Quant més elevada siga l’Inductància, major serà la Reactància i al mateix etmps, menor serà la corrent magnetitzant que fa falta per a determinar l’acoblament inductiu. Secció transversal d’un TRF 5/tema 4

7. Relació entre Tensió induida i el nombre d’espires Relació entre Tensió i nombre d’espires Relació entre espires i corrent d Φ V = - N -------- d t Np· Ip = Ns· Is Vp· Ns = Vs· Np Factor de Potència Altres eqüacions Rendiment Pmitja secundari η = ------------------ P mitja primari φ = 0.98 P mitja = I · V · cos φ Ø conductor = 0,8 · √ I (per a 2 Amp / mm2) • Eqüacions • Aplicacions dels TRF • Transformadors tipus DOMÈSTIC monofàsics (220v – 6, 9, 12 v) • Transformadors tipus INDUSTRIAL monofàsic - trifàsic (de BT / AT elevadors o de AT / BT reductors), • Transformadors per a usos determinats: AUTOTRANSFORMADORS, AUDIOFREQÜÈNCIES, INTERETAPES, etc 6/tema 4

8. 2. Els materials semiconductors b) Representació per capes i subcapes d’un àtom genèric a) Representació ideal d’un àtom de Coure K e_ M Nucli + s s f p s d p s d p N L L K M M • Els materials semiconductors tenen l’estructura dels aïllants monocristalins. Els més empleats en electrònica són el Germani (Ge) i el Silici (Si). Ademés d’aquestos materials s’utilitzen els denominats semiconductors binaris com per exemple: Arseniuro de Gali, Antimoniuro d’Indi, Fosfuro d’Indi, etc. • S’observa que tant el Silici com el Germani l’estructura cristalina és bastant uniforme, és a dir monocristalina; per lo tant, aquestos elements, sí són extremadament purs, no són conductors, quan no aïllants. • La presència de determinades impureses en la xarxa cristalina redueix la seua resistivitat, poguen dir-se que són conductors baix determinades condicions especials. • Per a obtenir les característiques d’un semiconductor, les impureses s’incorporen artificialment, i són substàncies quimiques afegides durant la formació a alta temperatura del monocristal. • D’aquest procés dependeix, la diferenciació del semiconductor i, per tant, la possibilitat d’elaborar amb ell diversos components. • Estructura electrònica dels àtoms 7/tema 4

9. Banda de conducció Banda de conducció Banda de conducció Energia minima per a conduir Banda prohibida Banda de valència Banda de valència Energia del e_ Banda prohibida Banda de valència Tipus de material CONDUCTOR AÏLLANT SEMICONDUCTOR Àtom de Silici (Si) (4 e-) Àtom de Fosforo (P): impuresa (5 e-) Àtom de Boro (B): impuresa (3 e-) Excés d’electrons del P Electró del Si Ausència d’electrons del B Inestablitat del e- del P SATURACIÓ d’electrons d) Semiconductor Tipus P portadors majoritaris són els h+ c) Semiconductor Tipus N portadors majoritàris són els e_ Inestablitat del e- del B AUSÈNCIA d’electrons HUECO b) Bandes d’Energia dels materials 8/tema 4

10. 3. El Diode Tipus N Tipus P e _ Barrera de Potencial de la ZONA NEUTRA • El dispositiu semiconductor més simple és el DIODE que resulta de la unió de regions N i P, en un cristall únic de Silici. • Quan s’aplica una tensió positiva a la regió P i altra negativa a la regió N, s’estableixen corrents contraries d’electrons i buits (ausència d’electrons). Els buits se localitzen en la regió P i són repelits per la càrrega positiva aplicada al terminal P i absorbits cap al terminal N, de manera que s’origina un fluix electrònic a través de la unió N-P. • Els electrons de la regió N isen repelits en direcció oposada. La forta corrent que s’origina s’anomena corrent directa de diode o polarització directa. • Si s’inverteixen les connexions del diode, els buits tendiran cap al terminal de la regió P, que ara té càrrega negativa, i els electrons retrocediran cap a la regió N, cap al terminal positiu. No existeix fluix de corrent a través de la unió. Per la qual cosa, s’observa una corrent inversa molt xicoteta, originada per alguns electrons trobats en el Silici de tipus P i per buits en el de tipus N. • Els portadors de corrent minoritaris sempre estan presents, encara que la seua concentració siga molt baixa. • El DIODE manté una baixa resistència en polaritat directa, mentres que en polarització inversa és elevada. • Polarització directa 9/tema 4

11. Tipus N Tipus P e _ Barrera de Potencial de la ZONA NEUTRA P N P N Ànode (A -) Càtode (K +) Ànode (A +) Càtode (K -)  POLARITZACIÓ INVERSA No deixa passar la corrent POLARITZACIÓ DIRECTA • Polarització inversa • Simbol 10/tema 4

12. Si Ge + I (mA) POLARITZACIÓ DIRECTA Is ≈ 0,1 μA - V ànode (V) + V càtode (V) 1,0 0,6 0,2 POLARITZACIÓ INVERSA Vz - I (μA) K · V ------------ Tk ID = Is · (e - 1) Polarització directa a) • Corva caracteristica d’un DIODE IDEAL • Eqüacions ID= Intensitat directa (mA) Is= Intensitat de saturació inversa ( μA) V =Tensió entre extrems del diode (volts) K =cte. Boltzmann (eV · ºK), Tk =temperatura (ºK) = Tc + 273 11/tema 4

13. b) -VGO ------------------- η · VT Is = K · Tm · e Polarització inversa TUNEL ZENER ZENER VARICAP Tª DEPENDENT de la TEMPERATURA SCHOTTKY LED FOTODIODE LED de CÀTODE COMÚ Is= Intensitat de saturació inversa (μA) VGO =Amplaria de la Banda Prohibida (juliols) K =cte. Boltzmann (eV · ºK) Tm =temperatura (ºK) = Tc + 273 per al Ge η =1  m=2, VGO = 0,785 V. per al Si  η =2  m=1,5 VGO = 1,21 V. • Familia de DIODES 12/tema 4

14. Tipologia de DIODES Editorial MARCOMBO-BOIXEREU 13/tema 4

15. 14/tema 4

16. 4. El Transistor: Bipolar, JFET i MOSFET • El TRANSISTOR (TRANSfer i resISTOR) veren ser descoberts en 1948 per John Bardeen, Walter H.Brattain i William Shockley als laboratoris Bell Telephone (EEUU). • El Transistor és com una resistència amb caracteristiques de transferència, de manera que el seu valor resistiu intern és funció de la senyal aplicada a un electrode de control. • Si afegim una tercera regió impurificada a un diode, obtenim el TRANSISTOR. Es a dir, un emparedat de la regió P entre dos N, o pel contrari, una regió N entre dos P. Així és com naixen els transistors NPN i el PNP. • Aquestes tres regions, es denominen EMISSOR, BASE i COL·LECTOR. • El TRANSISTOR pot considerar-se com la unió de dos diodes en ú a soles cristall de silici. • El funcionament del Transistor està condicionat per les tensions relatives que s’apliquen a les tres regions N-P-N. • Existeixen altres tipus de transistors, són els denominats: JFET i MOSFET. • Funcionament del transistor bipolar NPN • El funcionament del Transistor tant siga NPN que PNP, està condicionat per les tensions relatives que s’apliquen a les tres regions N-P-N. • Suposem que apliquem un potencial de zero volts a l’EMISSOR d’un transistor NPN, a la BASE P una xicoteta tensió positiva i al COL·LECTOR una tensió positiva major. L’Emissor i la Base representen un diode que opera en forma directa, doncs, els h+ són arrastrats cap l’Emissor i els e- cap a la Base. En contrast, les tensions de Base i Col·lector presenten polaritats innadequades per a la conducció; per tant, sols una xicoteta corrent inversa de valor despreciable flueix a través de la unió. • A parti d’ací, el Col·lector no permaneix innactiu, doncs, els electrons impulsats per l’Emissor cap a la Base són transportats cap al Col·lector segons un procés de difussió similar a la mescla de dos gasos. • En un transistor de bon disseny, quasi tots els electrons injectats se difundeixen a través de la Base, i s’origina un considerable fluix de corrent d’Emissor a Col·lector. • Si la tensió positiva de la Base es redueix a zero, o si se connecta un potencial negatiu a la Base, la corrent directa del diode de l’Emissor a la Base se suspén; ademés al no ser impulsats els electrons cap a la Base, s’atura la corrent d’Emissor a Col·lector, doncs, la corrent de Col·lector està controlada per la corrent de Base. 15/tema 4

17. Ic (mA) Ib = 100 μA Vce = 5 V Ib = 50 μA A 5 mA Ib = 00 μA A Vce (V) Ib (μA) 5 V 50 μA Ib = 0 μA Ib = 25 μA Ib = 50 μA 0,21 V Vce = 5 V Ib = 100 μA A A Vbe (V) • Variant la polaritat de la tensió aplicada a la base, pot activar-se o desactivar-se la corrent de Col·lector; entre aquestos dos estats, la corrent de Col·lector és proporcional a la corrent de Base, denominada ganància. • Normalment, la relació entre les corrents de Base i de Col·lector és de 100. • El principi de funcionament d’un transistor PNP és idèntic al descrit, però amb totes les polaritats invertides. • Corves i paràmetres caracteristics 16/tema 4

18. Conductància d’eixida, amb Vbe = cte ∆Ice S = H22= ----------- ∆Vce Resistència dinàmica d’entrada amb eixida en tall, Vce = cte Relació entre la tensió d’eixida i la d’entrada amb Ib = cte ∆Vce μ = H12= ----------- ∆Vbe ∆Vbe r = H11= ----------- ∆Ibe Relació entre la corrent d’eixida i la d’entrada, amb Vce = cte ∆Ice β = H21= ----------- ∆Ibe D a) Transistor Bipolar NPN b) Transistor JFET de canal N c) Transistor MOSFET d’enriqueriment de canal N C D B substrat G (+V) G E S S (+V) • Paràmetres • Tipus de transistors: simbols Al llarg de les següents fitxes s’analitzaràn cadascú dels transistors 17/tema 4

19. COL·LECTOR COL·LECTOR BASE EMISSOR BASE EMISSOR Diòxid de Silici (Si O2) N N N P P P P N N N N SUBSTRAT DE SILICI P P TRANSISTOR BIPOLAR PNP TRANSISTOR BIPOLAR NPN Silici tipus N fortament impurificat COL·LECTOR COL·LECTOR Silici tipus N BASE BASE Silici tipus P Alumini e - EMISSOR EMISSOR h + • Transistor Bipolar 18/tema 4

20. Vce C B Ve E Vd Vi Vce C E Ve B Vd Vi Vce E B Ve C Vd Vi • Muntatges fonamentals a) EMISSOR Comú b) BASE comú c) COL·LECTOR comú 19/tema 4

21. Caracteristiques dels transistors: Emissor, Base i Col·lector comú Impedància d’Entrada: resistència interna en Emissor comú Impedància d’Eixida: resistència interna en Emissor comú ∆Vent ∆Vbe Ze = ----------- = --------- ∆Ient ∆Ib ∆Vsal ∆Vce Zs = ----------- = --------- ∆Vsal ∆Ic Amplificació de corrent: Amplificació de tensió Amplificació de potència ∆Isal ∆Ic β = --------- = -------- ∆Ient ∆Ib ∆Vsal Av = ----------- ∆Vent ∆Wsal Aw = ----------- ∆Went 20/tema 4

22. Transistor de Efecte de Camp JFET • Els transistors BIPOLARS són de gran utilitat però tenen alguns inconvenients com per exemple la baixa impedància d’entrada. • Existeixen altres dispositius que eliminen aquest inconvenient, ademés que funcionen a soles amb un tipus de portador de càrregues. Són els denominats UNIPOLARS o Transistors d’Efecte de Camp JFET. • Existeixen dos tipus: • a) Transistors d’Efecte de Camp d’unió JFET • b) Transistors d’Efecte de Camp de porta aïllada MOSFET • Un transistor FET està format per una barreta de material P o N, denominada canal, rodejada en part de la seua longitud, per un collar de l’altre tipus de material, formant així una unió P-N. • En els extrems del canal es fan les connexions òhmiques denominades respectivament SUMIDER (D-Drain) i FONT (S-Source), i en el collar la connexió de la PORTA (G-Gate). 21/tema 4

23. D D G G S S • Simbols TRANSISTOR FET de CANAL N TRANSISTOR FET de CANAL P • Corves caracteristiques 22/tema 4

24. Transistor MOSFET • Existeix una segona classe de transistors denominats TRANSISTORS d’EFECTE de CAMP MOSFET. • Els MOSFET Metal – Oxide – Semiconductor – Field – Effect – Transistor es troben entre dos illes de silici de tipus N en un substrat de tipus P, efectuant-se les connexions directament sobre les illes, les quals reben el nom de SURTIDOR i DRENADOR respectivament. • Sobre la superficie del silici i en el canal existent entre el surtidor i el drenador se forma una capa de diòxid de silici SiO2 ; sobre la cap de l’òxid se deposita altra capa metàl·lica, originant-se la formació d’un tercer electrode denominat PORTA. • El diòxide de silici presenta unes caracteristiques aïllants excel·lents, de modo que la porta no té connexió directa amb el substrat semiconductor. Pel contrari la porta està acoplada al silici per capacitància; es a dir, el camp elèctric generat per qualsevol càrrega aplicada en l’electrode de la porta pot condicionar el moviment dels portadors de càrrega en el canal semiconductor. • En funcionament normal, surtidor i substrate estan connectats per un conductor extern, a un potencial de zero volts. Al drenador se li aplica una tensió de valor positiu. No existeix fluix electrònic entre surtidor i substrate perque ambdues estan connectats a terra; entre el drenador i el substrate apareix una xicoteta corrent inversa, com ocorreix en el diode. • Tipus de MOSFET a) MOSFET d’ENRIQUERIMENT (de canal N – P) b) MOSFET d’EMPOBRIMENT (de canal N – P) 23/tema 4

25. PORTA (G) DRENADOR (D) SURTIDOR /S) DRENADOR (D) PORTA (G) SURTIDOR (S) N N N N P SUBSTRAT DE SILICI P desplaçament de: e- D D SUBSTRAT SUBSTRAT G (+V) G (-V) S (+V) S (+V) • MOSFET de canal N TRANSISTOR MOSFET d’ENRIQUERIMENT de CANAL N TRANSISTOR MOSFET d’EMPOBRIMENT de CANAL N 24/tema 4

26. PORTA (G) DRENADOR (D) SURTIDOR /S) DRENADOR (D) PORTA (G) SURTIDOR (S) P P P P N SUBSTRAT DE SILICI N desplaçament de: h+ D D SUBSTRAT SUBSTRAT G (-V) G (+V) S (-V) S (-V) • MOSFET de canal P 25/tema 4 TRANSISTOR MOSFET d’ENRIQUERIMENT de CANAL P TRANSISTOR MOSFET d’EMPOBRIMENT de CANAL P

27. 5. El Relé B A 2 1 3 B Relé d’un circuit A 2 1 3 • El RELÉ és un dispositiu electromecànic que permiteix el pas de corrents elevades a través dels seus contactes a parit d’un circuit de control (bobina) governat per xicotetes corrents. • Observem que aquest dispositiu consta de dues parts: • a) Circuit de MANDO i CONTROL (bobina) • Circuit de POTÈNCIA (contactes) • Existeixen bàsicament dos tipus de relés: els electromagnètics i els electrònics •  ELS ELECTROMAGNÈTICS: funcionen a l’aplicar una senyal elèctrica a la bobina. Disposen d’un electroiman i una peça mòbil que pot accionar varis contactes. •  ELS ELECTRÒNICS: també denominats relés d’estat sòlid, no hi ha parts mòbils • Simbol 26/tema 4