REVISTA TEHNIUM AZI. New articles

Acumulatorul cu plumb-acid sulfuric

Sun, 31 Jan 2010 04:16:39 -0800

1. Introducere

In secolul XIX, dup� descoperirea legilor electrolizei de c�tre M. Faraday �i succesul spectaculos al lui� H.Davy, care �n mai pu�in de doi ani a descoperit �i izolat �ase elemente chimice folosind metoda electrolizei, lumea �tiin�ei a �nceput cercet�ri asidue� �n acest domeniu, cu electroli�i �i electrozi diferi�i, iner�i sau reactivi cu electroli�ii. Astfel, �n 1859 fizicianul francez Gaston Plant� a �ncercat s� electrolizeze apa folosind drept electrozi dou� pl�ci din plumb.� Apa pur� nefiind bun� conduc�toare de curent, a ad�ugat acid sulfuric �n electrolit �i a observat mai multe fenomene interesante.

Dup� un timp, culoarea pl�cii pozitive (anodice) s-a schimbat din gri �n castaniu, placa negativ� (catodic�) r�m�n�nd la culoarea ini�ial�. Dispozitivul, scos de sub tensiune, prezenta o tensiune electromotoare remanent� de 2,1 V �i putea debita curen�i importan�i sub tensiunea constant� de 2 V. Dup� desc�rcarea complet�, culoarea ambelor pl�ci devine albicioas�, datorit� form�rii unei pelicule de sulfat de plumb amorf �i se schimb� iar �n castaniu, respectiv gri, dup� o nou� electroliz� (�nc�rcare).

Plant� a inventat astfel cel mai utilizat acumulator electric, folosit �i ast�zi �n foarte multe �i diverse domenii, cu mai multe tipuri de pl�ci pozitive �i negative de construc�ii diferite. Pentru m�rirea capacit��ii se folosesc mai multe pl�ci montate alternativ, cele exterioare fiind �ntotdeauna negative. �ntre pl�ci se introduc separatoare izolante, deobicei f�cute din plac� sub�ire din PVC, ondulat� pe direc�ie vertical� �i prev�zut� cu g�uri mici.

�n scopul ob�inerii unei tensiuni mai mari (de obicei� 4; 6; 12 sau 24 V) se formeaz� o baterie prin legarea� num�rului corespunz�tor de elemente �n serie.

2. Construc�ie

Alcatuirea acumulatorului cu plumb:

o� carcasa din polietilena� (monobloc);
placi interne pozitive si negative, realizate din plumb;
separatori placi din material poros sintetic;
electrolit, o solutie diluata din acid sulfuric si apa;
borne din plumb, legatura dintre baterie si� corpul ce are nevoie de energie.

Pentru amator fiind mai accesibile acumulatoarele de automobil �i cele cu electrolit gelificat, numite �i etan�e, sertizate etc., m� voi limita la descrierea acestora. Cutia acumulatorului, cu dou�, trei sau �ase compartimente (pentru� 4 ; 6 respectiv 12 V) este executat� din material termoplastic (PVC sau PP) sau din ebonit�, mai rar din sticl�, �i este prev�zut� cu capace din acela�i material, c�te unul pentru fiecare element. Capacele sunt prev�zute cu bu�oane de umplere �i/sau supape pentru ie�irea gazelor.

Din motive de capacitate �i economie, s-a renun�at la pl�cile din plumb pur formate “natural” prin electroliz� �i se folosesc pl�ci numite cu gr�tare pastate. O astfel de plac� este format� dintr-un gr�tar din plumb aliat cu antimoniu (mai nou �i/sau cu calciu) pentru a nu participa la reac�iile chimice, �n care se preseaz� o past� din dioxid de plumb, cu ap� �i acid,� la pl�cile pozitive, �i pulbere de plumb la cele negative.

Pentru m�rirea porozit��ii se folosesc diverse adaosuri, ca negru de fum �i sulfat de bariu. Se ob�in astfel pl�ci cu o suprafa�� activ� de multe zeci de ori mai mare dec�t suprafa�a aparent�, ceea ce duce la capacit��i mari, volum redus �i curent debitat mare. Apoi pl�cile sunt formate �n fabric�, prin tratare cu acid sulfuric la temperatur� ridicat�.

Ca electrolit standard se folose�te o solu�ie de acid sulfuric foarte pur �n ap� distilat� sau demineralizat�, cu densitatea de 1,28 g/cm3 (740 cm3 ap� �i 260 cm3 acid sulfuric 96% pentru un litru) pentru acumulatoarele func�ion�nd �n clim� temperat�, sau 1,23 g/cm3 pentru climat tropical.

La prepararea electrolitului se va turna �ncet acidul �n ap� (niciodat� invers), amestec�nd continuu cu o baghet� de sticl�, sau material plastic. Solu�ia se �nc�lze�te destul de puternic �i� se va a�tepta r�cirea ei �nainte de turnarea �n acumulator.

3. Func�ionare

La �nc�rcare, curentul oxideaz� plumbul, descompune sulfatul� �n dioxid de plumb la pl�cile pozitive �i reduce oxizii �i sulfatul la plumb metalic la pl�cile negative. Reac�ia chimic� reversibil� este:

�n plus, datorit� electrolizei apei spre sf�r�itul �nc�rc�rii, la placa pozitiv� se degaj� oxigen, iar la cea negativ� hidrogen. Dup� cum se vede, electrolitul particip� la reac�iile din acumulator, lucru a c�rui importan�� va fi tratat� mai jos. La desc�rcare, pe ambele pl�ci se formeaz� o pelicul� de sulfat de plumb amorf.

Un acumulator �nc�rcat poate suporta temperaturi sc�zute, electrolitul cu densitatea de 1,28 g/cm3 �nghe��nd la – 68^oC, �n timp ce electrolitul cu densitatea 1,12 g/cm3, corespunz�toare unui acumulator desc�rcat, �nghea�� la –11^oC.

4. Caracteristici

Dup� cum s-a ar�tat mai sus, un element dezvolt� o t.e.m. de 2,1 V �i o tensiune de 2 V� �n sarcin�, tensiune constant� cu precizie de una sau dou� zecimi de volt pe tot parcursul desc�rc�rii normale, avantaj pe care �l mai are numai acumulatorul argint-zinc. Capacitatea electric� a acumulatorului este o m�rime determinant� (independent� de tensiunea bateriei) �i se m�soar� �n amperi-or�.Pentru c� aceast� m�rime depinde de valoarea curentului de desc�rcare, se indic� �i timpul desc�rc�rii. De exemplu, un acumulator� cu C20 = 60 Ah poate debita un curent de 3 A timp de 20 ore. M�rimea standard� pentru care se stabile�te capacitatea este C20 (�n trecut era C10).

Bine�n�eles, acumulatorul (lead battery) poate furniza curen�i mai mari sau mai mici �n func�ie de necesit��i, capacitatea �i tensiunea la sf�r�itul desc�rc�rii sc�z�nd la curen�i mari. De exemplu, la pornirea unui motor rece, �ntr-o frac�iune de secund� la stabilirea contactului, un acumulator bun de 60 Ah poate debita un curent de peste 500 A; apoi, pe� m�sur� ce tura�ia demarorului cre�te, curentul scade la 150…200A.

Randamentul, din punct de vedere al cantit��ii de electricitate, este de minimum 0,84, iar cel al energiilor de minimum 0,65. La temperaturi sc�zute, capacitatea este mai mic� dec�t cea de la temperatura normal�, dar se comport� mai bine dec�t alte tipuri de acumulatoare, dac� este bine �nc�rcat.

Datorit� varia�iei concentra�iei electrolitului cu gradul de �nc�rcare, starea de �nc�rcare se poate determina cu densimetrul, ceea ce, al�turi de varia�ia mic� �i precis� a tensiunii, este un mare avantaj. Densitatea normal� este de 1,28 g/cm3 la un acumulator complet �nc�rcat, ea scade la 1,24 la un acumulator �nc�rcat 75%, 1.20 la 50% �i la 1,12 la unul desc�rcat complet.

�n comer� exist� densimetre pipet�, cu care se poate m�sura comod �i precis densitatea electrolitului �i unele mai aproximative cu trei bile din plastic colorate diferit. Dac� bila verde plute�te, indic� �nc�rcare complet�, bila gri indic�nd jum�tatea, iar cea alb� desc�rcarea, sau nivelul sc�zut al electrolitului.

Indica�iile acestora sunt orientative �i dispozitivul este,(mai nou) �ncorporat �n acumulatoarele auto (ochi magic). Electrolitul trebuie s� acopere complet pl�cile (nivelul electrolitului s� fie cu 15...20 mm peste pl�ci); �n caz contrar, partea descoperit� se va sulfata rapid �i vor ap�rea diferen�e de poten�ial �i curen�i de egalizare, care vor produce desc�rcarea accelerat�, sulfatare puternic� �i alte fenomene cu efecte negative.

Datorit� impurit��ilor din electrolit �i din materialul pl�cilor, apar� �ntotdeauna mici curen�i de egalizare �i orice acumulator neutilizat un timp pierde din cantitatea de electricitate acumulat�, cu at�t mai mult cu c�t temperatura de depozitare este mai ridicat�. Fenomenul este sensibil �i periculos la acumulatorii cu electrolit lichid, �n schimb este aproape nul la cei cu electrolit gelificat.

5. Exploatare

In prezent acumulatoarele care fac obiectul acestui articol se livreaz� formate �i �nc�rcate, astfel c� pot fi puse imediat �n func�iune, f�r� alte precau�ii. Dup� ce am discutat caracteristicile generale ale ambelor tipuri, este cazul s� trat�m acum separat cele dou� construc�ii.� Acumulatoarele cu electrolit lichid� se fabric� �n baterii cu tensiunea de 4 sau 6 V �i capacit��i de c��iva Ah pentru utiliz�ri diverse �i vehicule cu dou� ro�i, sau cu tensiunea de 12 sau 24V �i capacit��i de 45...240 Ah pentru autoturisme �i camioane.

Acumulatoarele instalate pe ma�in� func�ioneaz� �n tampon, asigur�nd alimentarea cu energie cu motorul oprit, sau c�nd consumul dep�e�te capacitatea alternatorului,ca �i pornirea motorului �i sunt �nc�rcate de c�tre alternator �n timpul func�ion�rii ma�inii.

Pentru a asigura �nc�rcarea complet�, releul regulator al alternatorului (mecanic sau electronic) trebuie reglat astfel �nc�t s� livreze o tensiune de 13,8…14,4V, (mai mare cu c�teva zecimi de volt �n timpul iernii), pentru un acumulator de 12V. Dac� acumulatorul se descarc� �i rote�te greu motorul, el poate fi scos de pe ma�in� �i �nc�rcat de la un redresor alimentat de la re�ea, sau “ajutat” de alt acumulator bun.

Curentul de �nc�rcare recomandat de c�tre firmele constructoare este de 0,1 C, deci un acumulator de 60 Ah trebuie �nc�rcat cu un curent de 6 A, timp de cca 12…14 ore. Unele firme recomand� �nc�rcarea cu un curent de 0,05 C. La �nc�rcarea cu curen�i mari� se va avea �n vedere ca temperatura acumulatorului s� nu dep�easc� 45^oC.

Acest lucru este valabil pentru un acumulator relativ nou. De multe ori se observ� c�, regl�nd curentul la valoarea de mai sus, acumulatorul degaj� gaze �n cantitate mare la c�teva minute� de la conectarea la redresor(acumulatorul “fierbe”).

�n acest caz curentul trebuie mic�orat astfel ca degajarea de gaze s� fie redus�, �n caz contrar curentul produc�nd numai electroliza apei, f�r� a �nc�rca acumulatorul.

Explica�ia este urm�toarea: mai ales �n timpul iernii dac� se circul� mai mult �n ora�,�� cu farurile aprinse �i cu motorul la tura�ie redus�, capacitatea alternatorului este dep�it�, acumulatorul se descarc� lent �i pl�cile se sulfateaz�.

Sulfatul de plumb care are un volum specific mai mare, acoper� complet pl�cile �i rezisten�a interioar� cre�te, astfel c� la curent relativ mare, c�derea de tensiune �ntre pl�ci �i electrolit cre�te corespunz�tor. La o tensiune de 2,3...2,4 V/element �ncepe electroliza apei �i nivelul electrolitului scade.

�n plus, sulfatul de plumb ini�ial amorf se transform� �n timp �n sulfat cristalin, mult mai stabil �i mai bun izolant, ca atare mai greu de descompus de c�tre curentul de �nc�rcare. Electrolitul se va completa numai cu ap� distilat�, completarea cu acid fiind admis� dac� s-a v�rsat� o parte din electrolit, sau se �nlocuie�te complet dup� �nc�rcare.

Un alt fenomen care apare �i nu este indicat nici �n prospecte nici �n literatur� este urm�torul: dac� se m�soar� concentra�ia electrolitului dup� c�teva luni de exploatare pe ma�in�, sau dup� c�teva cicluri de �nc�rcare-desc�rcare la acumulatoarele sta�ionare, se va observa c� la unele elemente densitatea electrolitului a crescut la 1,3...1,32 g/cm3 datorit� eliber�rii acidului r�mas �n pl�ci la formarea ini�ial� �n fabric�.

�n acest caz se va scoate cu pipeta o cantitate de electrolit �i se va �nlocui cu ap� distilat�, densitatea mai mare fiind complet inutil� �i periculoas�, scurt�nd via�a acumulatorului. �n timpul �nc�rc�rii tensiunea se men�ine mult timp la 2,1V/element, spre sf�r�itul �nc�rc�rii cresc�nd la 2,4V/element, iar dac� curentul de �nc�rcare este mare �i acumulatorul rece �i mai vechi, poate ajunge la 2,7V/element (caz foarte rar).

Dup� deconectarea de la redresor, tensiunea la borne scade repede la 2,1V/element. La sf�r�itul �nc�rc�rii, acumulatorul degaj� hidrogen la pl�cile negative �i oxigen la cele pozitive �i prezint� pericol de explozie, dac� apare o sc�nteie sau flac�r� deschis�. La acumulatoarele de automobil asemenea accidente sunt extrem de rare, dar mult mai frecvente la b�rcile cu motor, la care bateria este plasat� �n locuri �nchise �i f�r� aerisire.

Pentru acumulatoarele utilizate ca surs� de rezerv� se recomand� umplerea cu electrolit cu densitatea de 1,24 g/cm3, durata de via�� a acumulatorului fiind mai mare. Tot �n acest caz acumulatorul poate func�iona sub �nc�rcare permanent�, cu un curent de 0,05...0,15 A, asigurat de un mic redresor, care compenseaz� autodesc�rcarea natural�.

�n caz c� nivelul electrolitului scade �n timp, curentul se va mic�ora pu�in, iar dac� densitatea scade constant, curentul se va m�ri. Dac� un acumulator este l�sat desc�rcat c�teva luni �i conectat apoi la redresor, se poate ca la �nceputul �nc�rc�rii ampermetrul s� nu indice niciun curent, iar tensiunea la borne s� fie egal� cu tensiunea �n gol a redresorului (16...18 V.) Dup� 10...15 minute, curentul �ncepe s� creasc� �i tensiunea scade spre valoarea normal�, dac� acumulatorul mai este bun. Acest lucru indic� o sulfatare foarte intens� �i impune o �nc�rcare mai �ndelungat�� cu curent mic, sub control atent, p�n� c�nd densitatea cre�te la valoarea normal�.

6. Uzura normal� �i anormal�

�n func�ionare, la desc�rcare se formeaz� sulfat de plumb pe ambele pl�ci, iar la �nc�rcare acesta este descompus conform reac�iei ar�tate mai sus. Sulfatul av�nd un volum specific mai mare dec�t dioxidul de la pl�cile pozitive �i �n porii pl�cii apar la desc�rcare granule de sulfat bine “�n�epenite” �n materia activ� �i care prezint� o suprafa�� redus� de contact cu acidul din electrolit.

La �nc�rcarea urm�toare, unele din ele nu sunt dizolvate complet (100% nu exist�), cu timpul sulfatul amorf cristalizeaz�, devenind mai stabil �i aceste granule r�m�n �n plac�. Pe de alt� parte, cristalele de dioxid de plumb formate la �nc�rcare devin din ce �n ce mai fine �i oxigenul degajat spre sf�r�itul �nc�rc�rii la pl�cile pozitive smulge granule de dioxid �i sulfat, descoperind alte por�iuni de materie activ�. Materia activ� se compacteaz� cu timpul �i cap�t� joc �n fagurii gr�tarelor, iar rezisten�a intern� cre�te.

Din cele dou� efecte antagonice rezult� la �nceputul duratei de via�� o cre�tere a capacit��ii acumulatorului, apoi o sc�dere datorat� sulfat�rilor permanente �i �n final c�derea unei cantit��i importante de materie activ� �i ie�irea din uz.

La pl�cile negative, sulfatul rezultat la desc�rcare se reduce la plumb metalic. La �nc�rc�rile urm�toare, plumbul tinde s� se depun� sub form� de pelicul� continu�, ceea ce reduce �n timp �ndelungat suprafa�a activ� a pl�cilor, deci �i capacitatea lor. La exploatare dur�, cu curen�i de �nc�rcare �i desc�rcare prea mari �i la temperaturi ridicate, aceste fenomene cap�t� importan�� mult mai mare, gr�tarele se corodeaz� sau crap� �i pl�cile se distrug foarte repede, sco��nd definitiv acumulatorul din uz.

Montat pe ma�in�, un acumulator bun dureaz� cel pu�in cinci ani, iar utilizat ca surs� de rezerv� poate dura cu 3..5 ani mai mult, nefiind supus la �ocuri, �nc�rc�ri �i desc�rc�ri violente, varia�ii mari de temperatur� �i impurificarea electrolitului.

7. Posibilit��i de regenerare

�n iepoca sinstrissimilor, c�nd �ntunericul se propaga cu viteza luminii �n casele noastre, aveam nevoie urgent� de o surs� de curent pentru iluminare �i dispuneam de un acumalator auto cu vreo trei ani vechime, care d�dea semne evidente de oboseal�. Ca atare, l-am �nc�rcat timp de c�teva zile cu curent mic (0,5 A), dar densitatea nu a mai crescut peste 1,24 g/cm3 �i capacitatea era� mic�.

Atunci am scos electrolitul, l-am sp�lat cu ap� de re�ea pentru a �ndep�rta materia activ� c�zut� de pe pl�ci, l-am umplut cu ap� distilat� �i l-am pus din nou la �nc�rcat, regl�nd curentul astfel ca degajarea de gaze s� fie mic�. Diferen�a de concentra�ii �ntre acidul �i sulfatul din pl�ci �i apa distilat� fiind acum mult mai mare, difuziunea �n porii pl�cilor s-a intensificat, s-a produs o desulfatare intens� �i densitatea a crescut iar la 1,24, sco��nd destul de complet sulfatul din pl�ci.

Am l�sat electrolitul astfel format �n acumulator, care s-a comportat bine, av�nd o capacitate de cca 80% din cea ini�ial� �i a mai servit peste trei ani ca surs� auxiliar�. Dac� a� fi �nlocuit electrolitul cu altul proasp�t de aceea�i densitate ar fi durat mai mult, pentru c� impurit��ile scoase din pl�ci �n electrolit la �nc�rcare ar fi fost �nl�turate.

Un acumulator auto mai vechi de patru ani nu� prea mai poate fi regenerat, pentru c� materia activ� este prea compactat� la pl�cile pozitive, iar cele negative sunt� plumbuite.

8. Acumulatorul cu electrolit gelificat

Realizarea unui acumulator care s� nu pun� probleme �i s� func�ioneze �n orice pozi�ie a fost o preocupare ap�rut� odat� cu acumulatorul cu electrolit lichid. Dup� numeroase �ncerc�ri, problema a fost rezolvat� transform�nd lichidul �ntr-un gel, prin ad�ugarea unei cantit��i de silicat de sodiu (sticl� solubil�) foarte pur. Acumulatorul astfel ob�inut are c�teva avantaje majore, care �l fac foarte apreciat.

Poate func�iona �n orice pozi�ie �i nu necesit� niciun fel de �ntre�inere. Are o autodesc�rcare deosebit de mic� �i o durat� de via�� care poate ajunge la 15 ani, la un acumulator de calitate �i bine �ntre�inut. Dac� un acumulator cu electrolit lichid este l�sat nefolosit un an, el se autodescarc� aproape complet �i este total sulfatat, fiind aproape irecuperabil, �n timp ce acumulatorul cu gel nu pierde dec�t 15..20% din capacitate, r�m�n�nd �n stare de func�ionare. Un astfel de acumulator se �ncarc� cu un curent de 0,1 C timp de cca 14 ore p�n� la o tensiune final� de 14,5 V, pentru� tensiunea nominal� de 12 V.

Dezavantajele lui sunt capacitatea mai mic� cu cca 25...30% la acela�i volum, curentul maxim mai mic cam cu acela�i procent �i comportarea mai slab� la temperaturi sub zero grade Celsius. Se produc at�t acumulatoare mici de 3,5 ; 7 ; sau 14 Ah, c�t �i acumulatoare mari de 45...80 Ah de form� identic� cu acumulatoarele auto cu electrolit lichid.

La� ambele tipuri de acumulatoare, desc�rcarea trebuie oprit� c�nd tensiunea scade la 1,8...1,85 V/element, la curen�i relativ mici, sau 1,35 V la curen�i de �oc. �n caz de neutilizare mai �ndelungat�, acumulatoarele se p�streaz� �nc�rcate, cele cu electrolit lichid fiind verificate �i re�nc�rcate periodic (2...3 luni), control�nd densitatea.

Pe pia�� mai exist� acumulatoare mici de 4 V pentru lanterne, la care electrolitul lichid este men�inut �n ni�te p�turi sub�iri absorbante din materiale speciale care servesc �i ca separatoare dintre pl�ci, astfel c� nu curge nici la r�sturnarea acumulatorului �i care se defecteaz� deobicei prin evaporarea �i electroliza apei, dac� sunt �nc�rcate excesiv.

Dup� scoaterea dopule�elor din plastic, se pot umple cu o pipet� mic� cu ap� distilat� �i se pun la �nc�rcat cu curent redus (0,1 C), put�nd fi regenerate dac� nu sunt prea vechi �i nu au stat prea� mult timp desc�rcate. Dup� �nc�rcare, dopule�ele se monteaz� la loc. Pentru instala�iile energetice eoliene sau solare, acumulatoarele descrise mai sus nu dau cele mai bune rezultate, din punctul de vedere al durabilit��ii.
Mai bune sunt acumulatoarele de trac�iune, cele mai potrivite fiind acumulatoarele sta�ionare, care au cea mai mare durat� de via��, dar sunt �i cele mai scumpe. Alegerea este dictat� de considerente economice �i de spa�iul disponibil.

9. Protec�ia muncii

La sf�r�itul �nc�rc�rii apare electroliza apei, care degaj� oxigen �i hidrogen, iar �n prezen�a unei fl�c�ri sau sc�ntei se transform� iar �n ap�, av�nd drept rezultat o explozie puternic� �i stropirea cu acid, care poate avea consecin�e grave. Dac� apar stropiri cu acid ale corpului sau hainelor, se va sp�la imediat cu mult� ap�.

�n caz c� pic�turi de acid ajung �n ochi, se vor face imediat sp�l�turi cu ap� sau o solu�ie salin� (o linguri�� ras� de sare la un pahar cu ap�) �i se va apela urgent la medic. Plumbul este toxic �i se acumuleaz� �n timp �n organism, deci, dup� lucrul cu acumulatoarele, se vor sp�la bine m�inile �i fa�a� cu ap� �i s�pun. �n niciun caz nu se va turna ap� �n acid sulfuric concentrat, deoarece exist� pericol de explozie �i stropire cu acid.

10. Inc�rc�toare

Pentru �nc�rcarea acumulatorilor este necesar un ansamblu format dintr-un transformator cu tensiunea �n secundar de 16...18V pentru un acumulator de 12 V, o punte redresoare care s� suporte amperajul necesar �i ni�te rezistoare de putere pentru reglarea curentului. Transformatorul va fi prev�zut cu siguran�e adecvate at�t pe primar c�t �i pe secundar. Pentru control este necesar un ampermetru, un voltmetru �i (eventual)un densimetru cu pipet�.

Dac� se dore�te un instrument �ncorporat se va folosi un miliampermetru cu scale gradate �n vol�i �i amperi, prev�zut cu un �unt Sh, o rezisten�� adi�ional� Rad �i un comutator. Dat� fiind enorma varietate de dimensiuni nu se poate construi un redresor universal. O baterie mic� de lantern� de 0,5... 1 Ah la 4 V c�nt�re�te sub 100 g , una foarte mare� (ex. bateria submarinului Kursk) 200 de tone.

In colec�ia revistei Tehnium se g�sesc numeroase scheme sofisticate de �nc�rc�toare automate, cu deconectare la atingerea tensiunii� �i reconectare la sc�derea ei, cu cuplaj optic �ntre etaje etc.,care au toate calit��ile posibile, dar nu sunt neap�rat utile dec�t �n cazul c�nd exist� acumulatori �n utilizare permanent� �i intensiv�.

Pentru o baterie utilizat� sporadic, sau pentru bateria ma�inii, efortul financiar �i de construc�ie nu se justific�. Un redresor pentru un acumulator mediu de automobil (fig. 2) necesit� un transformator de 100...150 VA� (pachet de tole E 14 sau E16, sec�iunea miezului 10...12 cm2) �i o punte redresoare 10PM05 sau echivalent� montat� pe un radiator din tabl� de aluminiu de 2...2,5 mm cu dimensiunea de 100x120 mm.

Pentru rezisten�ele de reglare a curentului nu se pot indica valori exacte, ele depinz�nd de curentul cerut �i de m�rimea �i tensiunea exact� a transformatorului (cu precizie de zecimi de volt) �i se pot conecta fie ca �n figur�, dac� se dispune de un comutator adecvat, fie �n serie (ca �n Fig. 3), fiind scurtcircuitate dup� necesit��i.

Pentru c� o rezisten�� de putere corespunz�toare (mai ales variabil�) este greu de procurat sau construit �i se �nc�lze�te puternic, ea se poate �nlocui foarte bine cu un bec de far auto de cca. 60;75 sau 100 W, conectat �n serie. Dac� cele dou� filamente se leag� �n serie curentul de �nc�rcare va fi de cca. 1 A ; cu un singur filament curentul va fi de 2...2,5 A, iar cu dou� filamente �n paralel de 4...5 A.

Procedeul are marele avantaj c� permite controlul u�or al mersului �nc�rc�rii �i ne scute�te de observarea atent�, deoarece rezisten�a filamentului variaz� mult cu temperatura lui, regl�nd automat curentul de �nc�rcare.

La o baterie complet desc�rcat� becul lumineaz� destul de puternic, la sf�r�itul �nc�rc�rii filamentul abia se mai vede ro�u sau deloc. �nc�rcarea cu curen�i mari este de evitat dac� timpul nu ne preseaz�, pentru c� scurteaz� via�a bateriei. In plus un curent mic reduce electroliza apei �i desulfateaz� mult mai bine pl�cile mai ales dac� bateria nu este nou�, dezavantajul fiind durata mai mare a �nc�rc�rii.

�nc�rcarea se termin� c�nd densitatea electrolitului ajunge la 1.28 g/cm3 la toate elementele �i tensiunea la 13,8... 14,4V. In vremea �ntunericitului, mi-am construit pentru iluminat un redresor mai mic (fig. 3 �i foto) cu un transformator de 25 VA �i o punte redresoare ruseasc� de cca.1,5 A, pe care-l folosesc �i ast�zi pentru �nc�rcarea bateriei, apel�nd foarte rar la redresorul mare.

Releul, de 12V cu contacte de 5A, conecta automat� iluminatul de rezerv� la �ntreruperea re�elei �i �ntrerup�torul general KG evita acest lucru �n timpul zilei, c�nd eram la serviciu. Un comutator permite dou� regimuri de �nc�rcare cu 0,15 A sau 1A, dup� necesit��i.

Pentru siguran�� deplin� transformatorul este protejat termic (v. articolul meu din Tehnium Nr. 3/2005). Releul� este alimentat printr-o priz� din secundar. Un bec de 3,5 V; 0,2 A, �untabil cu o rezisten��, permite controlul optic al st�rii de �nc�rcare a bateriei pe ambele sc�ri �i un LED indic� func�ionarea �n regim automat. Rezisten�ele de 1; 1,8 �i 33Ω sunt de 3 W

Bibliografie
1. G. Clondescu,� Exploatarea �i repararea acumulatoarelor electrice,� Ed. Tehnic� 1960
2. R. Bosch G.m.b.H., Kraftfahrtechnisches Taschenbuch,� VDI Verlag 1966
3. Prospecte.

Articol realizat de dl. ing. Lungu Iancu (actualmente pensionar); Numele de utilizator din forum: Ianing.

Comutator acustic

Sun, 17 Jan 2010 04:48:09 -0800

C�ut�nd, mai demult, diverse informa�ii pe internet am v�zut c� exist� interes pentru� un dispozitiv care s� aprind� �i s� sting� lumina la c�te o b�taie din palme. Pentru c� am experimentat p�n� acum c�teva scheme, consider c� merit� s�-le public pe cele mai reu�ite, un asemenea comutator fiind foarte util �n multe alte cazuri.

Un comutator acustic de calitate necesit� patru� (sau cinci) etaje distincte:

un microfon (cu electret, cu dou� terminale, pentru c� este suficient de sensibil, mic �i ieftin) cu etajul lui de amplificare reglabil;
un circuit monostabil cu o temporizare de 0,25...0,75 sec. pentru a evita comenzile duble sau multiple;
eventual un formator de impulsuri, care s� dea o form� potrivit� impulsurilor de comand�;
un� circuit basculant bistabil, care s� schimbe starea organului de execu�ie, la fiecare comand�;
organul de execu�ie (releu sau triac, eventual optotriac pentru separarea montajului de re�eaua electric�).

Comutatorul nu trebuie s� fie prea sensibil, pentru c� altfel va comuta c�nd nu este nevoie �i mai trebuie s� aib� �nc� dou� func�ii:

OFF pentru ca lumina s� r�m�n� stins� c�nd nu suntem acas� (realizat prin �ntreruperea aliment�rii montajului);
ON impus, pentru ca lumina s� r�m�n� mereu aprins�, dac� de afar� se aud tunete puternice �n caz de furtun�, artificii de s�rb�tori, sau dac� se vede la televizor un meci �i avem� invita�i ni�te suporteri zgomoto�i.

Dintre schemele experimentate, am ales dou� care au func�ionat bine, una cu piese discrete �i cealalt� cu circuite integrate, ambele foarte ieftine (cost sub 10 lei �n total) �i realizate pe pl�cu�e foarte compacte (dimensiuni 35 x 60 mm, respectiv 33x45 mm), pentru c� am dorit ca tot montajul s� intre �n doz� �n locul �ntrerup�torului.

Din p�cate nu am reu�it pentru c� nu am g�sit un transformator suficient de mic pentru alimentare. Inten�ionez s�-mi fac o surs� �n comuta�ie f. f. mic� �i sigur�, dar asta va mai dura ceva timp, documenta�ia �n domeniu fiind sublim� �i lipsind cu des�v�r�ire.

Ambele montaje au fost l�sate �n func�iune cel pu�in c�te 12 ore, timp de mai multe zile �i nu au anclan�at la zgomotele normale din cas� (vorb� sau radio �n func�iune la nivel moderat) �i nici c�nd m�rlanul cu BMW-ul din cartier a �nceput (la ora 23.30) s�-�i fac� num�rul de chiuituri �i fum din pneuri �n apropierea ferestrei mele deschise.

Montajele reac�ioneaz� ferm la o b�taie destul de� puternic� din palme la o distan�� de 1,5...2 m. de microfon. Cel cu piese discrete a fost realizat conform schemei din fig. 1.

Lista de piese (fig.1):

R1-56 k; R2-390 k; R3-22 k poten�iometru trimer;� R4- 4k7;� R5- 560, R6- 1k; R7,R8,R9,R11, R12- 10 k;� R10- 39 k;� R13- 1 k;� R14,R15- 39 k;� R16- 56;� R17,R18- 15 k; R19 -� 47k;
C1-22nF poliester, C2,C4-22μF,� C3 - 50nF, ceramic; C5 - 47 nF, poliester C6, C7 -470 pF, ceramic; C8,C9 - 4,7 nF ceramic, C10 - 10μF;
T1…T5 – BC172, 173, BC 238, 239, BC 547, 548 Factori de amplificare hFE: T1- 300…450, T2,T3 -100…150, T4,T5 -180…240;
D1 – oricare EFD,�� D2 – 1N4004
Releu;� Rayden JZC – 20F sau Omron� G5 LE1

Am folosit multe piese recuperate, nu at�t pentru economie c�t pentru siguran�a �n func�ionare �i cele mai ieftine �i mici relee indicate ca atare �n lista de materiale. Se �tie c� un tranzistor dac� nu se defecteaz� �n c�teva ore, va func�iona f�r� probleme un timp foarte �ndelungat, bine�n�eles dac� nu sunt dep�i�i parametri de func�ionare. Prima schem� a fost luat� din [1] �i� nu a func�ionat corespunz�tor, a�a c� am modifcat-o pu�in, dup� ce am citit un vraf de documenta�ie privind circuite basculante.

Schema poate fi adaptat� �i pentru func�ionarea cu comuta�ie static�, cu un optocuplor �i un triac� sau (mai bine) cu optotriac. In afara comuta�iei statice, un montaj cu triac ar putea permite �i reglarea intensit��ii luminii f�r� prea multe complica�ii (numai pentru becuri cu incandescen��).

Microfonul de tip cu electret cu diametrul de 10 mm. (oricare tip existent pe pia��) �i tranzistorul T1, cu piesele aferente formeaz� etajul de amplificare. Pentru a nu avea un montaj prea sensibil, am utilizat un etaj de amplificare cu un singur tranzistor cu factor de amplificare mare (cca 400),� �in�nd cont �i de faptul c� microfonul con�ine un preamplificator cu un� FET.

Etajul T2 �i T3 are rolul de de circuit monostabil, semnalul dreptunghiular livrat de acesta fiind transformat �n dou� impulsuri scurte de polarit��i opuse de c�tre circuitul de derivare C5, R12.

Impulsul negativ, inutil pentru noi, este scurtcircuitat la mas� de c�tre dioda cu germaniu D1, iar cel pozitiv r�mas comand� bistabilul T4, T5, care ac�ioneaz� releul. Montajul consum� 16 ...18 mA cu releul neanclan�at, respectiv 35 ...38 mA cu el anclan�at, necesit�nd un alimentator foarte mic, cu un transformator de max. 2 VA.

Releele utilizabile (v. lista de piese) trebuie s� aib� o rezisten�� a bobinei� de 360 ...420 ohmi �i un contact normal-deschis de 10 A� (intensitate de comutare, cea de men�inere fiind cca, jum�tate maximum). Pentru reducerea uzurii contactelor, �n paralel pe ele se poate monta un condensator de 5...10 nF- 400 V(recuperat de la un starter de tub fluorescent defect), dar numai pentru becuri incandescente.

In paralel cu bornele bobinei releului, s-a prev�zut o diod� 1N4004 montat� cu catodul la plus, pentru scurtcircuitarea extratensiunii de rupere. Func�ia ON impus se realizeaz� printr-un �ntrerup�tor conectat �ntre punctele A �i B.

La varianta cu triac este necesar un filtru de deparazitare la intrarea de re�ea, pentru a bloca v�rfurile de tensiune de comuta�ie. Montajul cu circuite integrate ( fig. 2) folose�te un etaj de amplificare similar cu cel de la varianta 1, un monostabil realizat cu� arhicunoscutul temporizator 555 (cu oricare prefix), bistabilul de tip D este realizat cu ½� 4013 (idem pt. prefix) �i un etaj de execu�ie cu T2 �i releul de acela�i tip.

Dac� pinul 8 (4013) este pus la mas� circuitul func�ioneaz� normal, dac� este �n aer comanda SET, care este prioritar�, realizeaz� func�ia ON impus. Intre punctele p�trate de pe schem� se va conecta �ntrerup�torul necesar func�iei.

Lista de piese (fig.2):

R1 – 56k, R2. 390k, R3. 22k pot. trimer, R4-4k7, R5 -560, R6,R7 – 150k, R8- 470k, R9- 47k;
C1- 22nF poliester, C2- 22μF, 25V, C3-4,7 μF, 16 V, C4- 1 μF,16 V;
D1- 1N4004�� T1, T2 la fel ca la Fig. 1;
C.I.� .. 555 ,�� ..4013.

Am �ncercat �i o schem� similar� f�r� monostabil, cu rezultate nu prea bune deoarece prime�te comenzi duble. Evident, montajul poate fi modificat �i pentru varianta cu� (opto)triac.

In acest caz, pe placa de circuit se va conecta �ntre punctele 1 �i 2� o rezisten�� de 470Ώ, ie�irea fiind �ntre punctul 3 �i mas�. Acela�i procedeu este valabil �i pentru varianta din fig. 1 rezisten�a fiind de 1 kΏ.

Pe desenul pl�cii pentru fig. 2 �trapurile au fost marcate cu linie �ntrerupt� ro�ie �i se vor monta pe fa�a pl�cii �naintea celorlalte piese.
Alimentarea se va face cu 13… 15 V conform schemelor desenate mai jos (fig. 3 a ,b), la varianta cu releu, sau la tensiune mai mic� la cea cu comuta�ie static� (min. 5V).

Lista de piese (fig.3):

Tr1- transformator 220/2x16 V- 2 VA; Tr2 idem 220/16 V- 2 VA
C1� - 100 μF, 25 V; C2 -� 47 μF, 25 V;� D1, D2� -� 1N4001;�
P -� punte redresoare: DF 06 M sau B40 C800,
R1 -� 6,8 Ώ, 1W; R2 - 10k,;�
DZ -� PL 15 Z; Dl -� LED� verde� (prezen�� tensiune)
Toate rezisten�ele nespecificate vor fi de 0,25W.

Asamblare �i montaj

Montajul �i alimentatorul se vor asambla �ntr-o cutie (din tabl� sau plastic) cu dimensiuni potrivite prev�zut� cu dou� �ntrerup�toare mici, unul pentru alimentare, cel�lalt pentru func�ia ON impus, prin polarizarea permanent� a bazei lui T5, respectiv activarea func�iei SET.

Alimentatorul �i releul se vor monta pe o pl�cu�� cu dimensiuni c�t mai mici prev�zut� cu trei borne de conectare recuperate de la un �ntrerup�tor vechi (re�ea,- faz� �i nul- a treia fiind ie�irea). Se poate folosi o pl�cu�� cu g�uri pentru experimente, g�sibil� pe pia��.

Faza (determinat� cu un creion de tensiune) se va lega la borna conectat� la intrarea releului (v�zut dinspre pini), iar ie�irea se va conecta la firul legat la contactul central al fasungului, nulul fiind conectat la dulie. Microfonul nu poate fi montat rigid de cutie, pentru c� va prelua toate vibra�iile, care se transmit prin materiale solide de multe zeci de ori mai bine dec�t prin aer.

El va fi montat �ntr-un panou din burete (c�t mai moale) cu grosimea de 6...8 mm , lipit cu prenadez la interiorul unui perete al cutiei, acesta fiind prev�zut cu o gaur� de 14...16 mm diametru. Cutia se va monta �n locul �ntrerup�torului de re�ea.

Desene �i fotografii:

a. Cablaj imprimat pentru schema din fig.1:

b. Cablaj imprimat pentru schema din fig.2:

c. Montajul:

Bibliografie:

[1] - I.C. Boghi�oiu - Electronica peste tot - Ed. Albatros, 1985;
[2] - R. Besson - 70 gadgets �lectroniques - Ed. T&V. Paris 1977;
[3] - I. Dobo� - Circuite basculante �n practica radioamatorilor - Ed, tehnic㠠 1972;
[4] -� Revista Tehnium�� Nr. 10- 1988.

Articol realizat de dl. ing. Lungu Iancu (actualmente pensionar); Numele de utilizator din forum: Ianing.

Un LC metru simplu

Fri, 25 Dec 2009 08:58:40 -0800

Imposibilitatea de a m�sura inductan�e cu multimetrele obi�nuite constituie o mare problem� pentru majoritatea electroni�tilor.� Schemele publicate p�n� acum �n diverse c�r�i sau reviste din �ar� sunt complicate, scumpe �i imprecise, iar L metrele profesionale sunt� costisitoare �i nu pot m�sura inductan�e sub 1μH, lucru foarte necesar� �in�nd cont de extinderea gamei de frecven�e utilizate actualmente.

Lovindu-m� de aceast� problem�, am c�utat solu�ii pe internet �i am analizat mai multe tipuri, ajung�nd la concluzia c� cel bazat pe oscilatorul liber cu deplasare de frecven�� este cel mai indicat �i mai utilizat de foarte mul�i constructori amatori �i profesioni�ti din toat� lumea.

In principiu, un circuit oscilant cuplat foarte slab at�t cu partea de alimentare c�t �i cu cea de comand� �i prelucrare, oscileaz� pe o frecven�� dat� de formula lui Thomson (f= 1/2π√LC), care poate fi m�surat� cu un frecven�metru. Ad�ug�nd o inductan�� n serie (sau �n paralel) cu cea a circuitului, frecven�a se va modifica �i printr-un calcul matematic se poate determina valoarea inductan�ei ad�ugate, dup� ce s-au stabilit exact valorile L �i C prin opera�ia de calibrare.

Acela�i lucru este valabil �i pentru o capacitate pus� �n paralel pe circuit.
Frecven�a real� este pu�in diferit� de cea teoretic� deoarece la capacitatea �i inductan�a fizice se adaug� o capacitate �i o inductan�� parazit� Ls (stray inductance) datorit� firelor de conexiune �i traseelor de pe circuit �i pentru c� un condensator real difer� de cel teoretic, ca �i inductan�a care are �i o capacitate proprie.

Am conceput un montaj foarte compact pentru a putea neglija aceste valori, dac� piesele de m�surat se conecteaz� direct la bornele de m�sur�, sau cu fire c�t mai scurte.

Datorit� calculului, metoda este greoaie �i dificil� �i a fost evitat� cu str�nicie p�n� c�nd a fost posibil� m�surarea �i calcularea automat� fie printr-un calculator cu microcontroler integrat� (�i programat corespunz�tor), fie printr-un frecven�metru �i un soft simplu pe un PC obi�nuit. AADE� din SUA produce �i vinde un asemenea aparat cu citire direct� pe display a m�rimii m�surate. Pentru prima etap� am ales a doua posibilitate mai ieftin�, prezentat� pe site-ul iz7ath de c�tre radioamatorul italian Talino Tribuzio, care ofer� �i softul de calcul.

Aparatul construit pe o pl�cu�� compact� (30x77,5 mm ) cost� cca. 15 lei cu toate piesele cump�rate �i mult mai ieftin cu piese recuperate, de g�sit �n “zestrea” oric�rui amator. Mult mai costisitoare este cutia, at�t ca timp c�t �i ca bani (dac� se cump�r� din comer�). Aceasta se recomand� a fi din tabl� de o�el de min. 0,8 mm, deoarece c�mpurile magnetice eventual existente influen�eaz� semnificativ valoarea inductan�ei,( �n sensul sc�derii ei)� deci �i frecven�a oscilatorului.

Intervalul de m�sur� indicat de c�tre autor este cuprins �ntre 1nH...100 mH �i 1pF...0,5μF, �n realitate fiind pu�in diferit din motivele indicate mai sus. Nu se pot m�sura condensatoare polarizate (electrolitice) �i nici inductan�e cu miez din tole (de ex. �ocuri de valoare mare) care la cca 20 kHz au pierderi foarte mari.

Descrierea aparatului

Circuitul oscilant cu L=68μH �i C=970pF� oscileaz� sinusoidal pe frecven�a de 640...650kHz, (frecven�a depiz�nd de valoarea exact� a� inductan�ei) �i transmite oscila�ia pin condensatorul C2 (neap�rat cu tantal) unui comparator de tensiune� LM 311, �n montaj cu reac�ie pozitiv�, �mpreun� cu care formeaz� blocul oscilator.

Condensatorul electrolitic C4 poate fi cu aluminiu, dar de foarte bun� calitate. Inainte de montare se recomand� polarizarea lui prin supunere progresiv� la tensiune p�n� la tensiunea nominal� �i l�sarea sub aceast� tensiune cel pu�in 12 ore.
Inainte de montare va fi desc�rcat.

Mai departe, oscila�ia� transmis� circuitului integrat 4011 (cu orice prefix) este prelucrat�, amplificat� �i trimis� prin condensatorul C6 c�tre frecven�metru sub forma unei oscila�ii dreptunghiulare. Un comutator 2x2� permite schimbarea func�iei (Lx sauCx)

Consumul fiind mic (10...14 mA), aparatul poate fi alimentat de la o baterie 6F22 de 9 V, �i nu este neap�rat necesar s� fie alimentat cu tensiune stabilizat�, deoarece am constatat c� la varia�ia tensiunii �ntre 6 �i 12 V frecven�a a variat cu max. 500 Hz..

Pentru c� am vrut s� pot folosi orice alimentator existent la momentul respectiv pe mas�, am folosit o alimentare universal� (Fig. 2) cu un stabilizator 78L08 �i o punte B40 C800, �n acest fel aparatul put�nd fi alimentat cu curent continuu (indiferent de polaritate) sau alternativ cu valori �ntre 10 �i 16V.

Evident, partea dreapt� a circuitului poate fi eliminat� dac� opta�i pentru alimentarea din baterie. Se va ad�uga un mic �ntrerup�tor �i borne de conectare pentru baterie, eventual �i un LED �nseriat cu o rezisten�� de 10 kΏ, ca s� nu uita�i aparatul sub tensiune. Frecven�metrul folosit pentru m�surare trebuie s� fie de� min.1MHz �i cu precizie de 100Hz, cu sensibilitate medie (0,1 V), dar am ob�inut rezultate suficient de bune �i cu un multimetru chinezesc cu precizia de 1 kHz �i mult mai pu�in sensibil.
Pentru c� frecven�a oscilatorului depinde de temperatura ambiant�, aparatul necesit� calibrare ( una singur� la �nceputul unei serii de m�sur�tori), dup� cum voi ar�ta mai jos.

Modul de lucru

De pe site-ul: http://www.qsl.net/iz7ath/web/02_brew/21_LCMeter01/ se descarc� softul LC meter.exe pe computer. Se porne�te aparatul �i� frecven�metrul �i se las� c�teva minute s� se stabilizeze. Calibrarea se poate face fie pe pozi�ia Lx fie pe Cx, dar to�i constructorii prefer� a doua variant�, deoarece se poate mai u�or g�si un condensator cu valoare precis� �i care poate fi verificat� cu un multimetru sau capacimetru profesional.

De precizia valorii condensatorului de calibrare depinde exactitatea m�sur�torilor. Cei mai mul�i constructori recomand� o precizie de 1%, unii folosind un condensator cu abatere mai mare (�n minus), compensat �n paralel cu un condensator de valoare mic� astfel ca s� se ajung� la valoarea exact�.

Se pune aparatul �i softul pe Cx, pe soft se ac�ioneaz� (printr-un clic) butonul calibrate �i se �nscriu �n c�su�ele corespunz�toare frecven�a F1 �i capacitatea condensatorului (aten�ie la ordinul de m�rime – Hz, kHz sau MHz-).

Prin ap�sarea butonului aparatului se conecteaz� condensatorul de calibrare, se cite�te frecven�a F2 �i se trece �n c�su�a corespunz�toare.
Se ac�ioneaz� butonul� calculate (sau F1 de pe tastatur�) �i apar valorile C1 �i L0 + Ls, care se trec cu butonul return �n tabelul din soft.

Calibrarea r�m�ne valabil� pentru toate tipurile de m�sur�tori, chiar dac� frecven�a afi�at� pe Cx variaz� pu�in �n timp. Se trec aparatul �i softul pe Lx� �i se execut� m�sur�torile dorite. Dac� pe pozi�ia Lx se pun �n scurtcircuit� bornele de intrare, se poate citi o alt� frecven�� i calcula inductan�a parazit� Ls, care se trece �n c�su�a din soft, fiind luat� �n calcul. Softul permite �i m�surarea inductan�elor �i pe pozi�ia Cx.

Cerin�e speciale

Condensatorul circuitului oscilant �i cel de calibrare trebuie s� fie de calitate bun�, cu poliester sau polistiren �i cu inductan�� proprie c�t mai mic�. Se pot folosi cu rezultate� bune condensatoare MKT sau WIMA de 1 nF, care sunt neinductive �i au fost sortate cu� multimetrul sau un capacimetru c�t mai precis..

Condensatorul circuitului trebuie s� aib� valoarea de 970 pF, implementat� �n soft. Pentru condensatorul de calibrare am ales aceea�i valoare. De�i exist� condensatoare ceramice cu coeficient de temperatur� definit �i� care ar putea elimina� total varia�iile de frecven�� ele sunt� evitate de constructori, unele av�nd pierderi mari la frecven�e mici. Alegerea inductan�ei este deasemeni important�. Cele vechi, bobinate universal nu au dat rezultate bune, iar unele inductan�e industriale �i drosele cu ferit� au un coeficient de temperatur� mare �i instabil �i capacitate proprie apreciabil�.

In lipsa unei inductan�e etalon am folosit una recuperat� dintr-un vidorecorder vechi cu rezultate acceptabile.� Acum, av�nd un L metru, voi �ncerca s�-mi confec�ionez o inductan�� mai bun� dintr-un mic transformator de MF recuperat dintr-un radio cu tranzistoare.

Rezultate

Am m�surat mai multe condensatoare cu multimetrul �i mai multe� drosele cump�rate �i inductan�e recuperate din diverse aparate, cu rezultatele din tabelele de mai jos

Ce alte utilit��i mai are ?

Dimensionarea unei inductan�e f�r� miez se poate face (aproximativ) utiliz�nd indica�iile din literatur� [3], sau formula lui Nagaoka. Dac� este necesar s� fie blindat�, problema se complic� �i mai mult, calculele fiind foarte pu�in exacte. Aici L metrul ne poate ajuta, m�sur�nd o inductan�� cu �i f�r� blindaj �i lucr�nd prin aproxima�ii succesive p�n� ajungem la valoarea exact�.

Pentru inductan�e cu ferit� problema este �i mai dificil�, neexist�nd formule �i deobicei amatorul ne�tiind� caracteristicile feritei. In primul r�nd trebuie aflat factorul de material, care ne d� indica�ii �i asupra frecven�ei admisibile �i permite un calcul suficient de exact. Formula de calcul este n = K√L, unde n este num�rul de spire, K factorul feritei� �i L inductan�a �n� μH. Pe miez se bobineaz� un num�r de spire, (20...50) se m�soar� inductan�a �i se calculeaz� factorul K, ceeace permite dimensionarea exact�.

Domeniul de frecven�� func�ie de K este urm�torul:
K < 1 ; f� < 1 MHz ; K = 2…10 ; f = 1…20 MHz ; K > 10 ; f > 20 MHz�� [2]
Pe situl AADE un cump�r�tor descrie cum poate fi folosit C metrul �i pentru m�surarea capacit��ii diodelor varicap.

Etapa a doua. Dup� ce am construit aparatul, am observat c� la m�surarea� inductan�elor foarte mici apare o mic� instabilitate �i erorile cresc. Ca atare am c�utat pe internet �i am intrat pe situl�� ironbark.bendigo.la trobe.edu.au./~rice/lc� „A Surprisingly Accurate LC meter”, unde am g�sit o sumedenie de scheme �i constructori din toate ��rile, prezent�nd variante cu microcontroler �i citire direct�.

O idee original� este prezentat� de Cristi Morariu, care a ad�ugat �nc� un circuit oscilant pentru a m�ri precizia de citire� �n domeniul inductan�elor mici �i introduce �n soft� ni�te constante de corec�ie pentru erorile sistematice eventual prezente. Schemele lui utilizeaz� un microcontroler PIC 16 F 84 �i patru relee pentru comutarea func�iilor, ceeace m�re�te semnificativ consumul.

Dup� vreo trei zile de b�taie de cap, am reu�it s� refac schemele� �i un desen compact al pl�cii de circuit, cu numai dou� relee mici �i ieftine �i care nu sunt anclan�ate la func�ionarea cu oscilatorul primar

Ideea cu al doilea oscilator poate fi aplicat� �i la varianta descris� �n prezentul articol cu condi�ia schimb�rii valorii condensatorului �n soft, lucru la care nu m� pricep. Pentru c�,� ceeace vreau eu s� realizez presupune modific�ri minore �n programul microcontrolerului, m-am oprit momentan ne�tiind s�-l� programez. In m�sura �n care voi avansa �i termina ce mi-am propus voi publica rezultatul.

C�teva considera�ii

Analiz�nd schemele din siturile amintite am observat c� frecven�ele de lucru ale diferi�ilor constructori variaz� �ntre 500 …750 kHz �i m-am �ntrebat care ar fi cea mai potrivit�. La m�surarea unui condensator de 1 μF frecven�a este de 19…21 kHz� iar ecartul cel mai mare (care asigur� �i cea mai bun� precizie de citire) este la 750 kHz, dar presupune modificarea softului.

Execu�ie

Placa de circuit a fost desenat� la scara 2/1, scanat� �i este v�zut� prin transparen��. Cu linie �ntrerupt� ro�ie sunt ar�tate �trapurile, care vor fi montate primele pe partea plantat� (fa�a pl�cii). Ele se pot �terge de pe desenul de circuit. Pentru execu�ie se va printa (pe folie transparent� sau pe calc) dup� ajustarea dimensiunilor la cele trecute pe desen �i deasupra ei se va a�eza (cu partea cuprat� �n jos) o pl�cu�� de circuit din sticlotextolit t�iat� la dimensiune cu traforajul cu p�nz� de t�iat metal �i se va fixa cu band� adeziv�. Cu un cherner bine ascu�it se vor marca toate punctele �i se vor trasa cu un balustru cu abdeckfarbe sau vopsea pentru pantofi, etc, apoi se vor trasa liniile, se va coroda cu solu�ie de clorur� feric�, se va finisa �i� se vor executa g�urile cu ø 0,8 sau 1 mm.

Dac� exist� posibilitatea se va utiliza metoda cu fotorezist , sau oricare alt� metod�. G�urile alungite (pentru comutator �i mufele pentru ie�ire �i alimentare) se vor prelucra tot cu traforajul cu p�nz� Nr. 1 pentru t�iat metal. Se monteaz� piesele (aten�ie la circuitele integrate �i la condensatoarele polarizate), se lipesc �i se protejeaz� circuitul cu lac nitro. Pentru condensatorul circuitului oscilant �i cel de calibrare am prev�zut puncte de conectare pe pl�cu�� pentru condensatoare de egalizare, �n caz de necesitate. C�nd am executat LC metrul eram foarte ner�bd�tor �i am uitat s� prev�d condensatorul �i butonul de calibrare pe plac�, a�a c� am redesenat circuitul cu cele dou� piese �i am inlocuit bornele de intrare improvizate cu unele din comer�.

Din acest motiv fotografia nu se potrive�te exact cu circuitul �i pe ea am pus butonul, borna de intrare �i mufa de ie�ire, la care trebuie t�iat� picioru�ul indicat. Planul de montaj indic� a�ezarea corect� a pieselor. Din punct de vedere al execu�iei, cutia este cea mai complicat� �i pentru realizarea ei� recomand a se consulta articolul meu din revista Tehnium Nr. 1 / 2005. (Construc�ia cutiilor din tabl�)

Intre partea de alimentare �i restul circuitului s-a prev�zut un separator din tabl� de 0,25 mm, cu dou� picioru�e care intr� �n g�urile alungite �i se lipesc la mas�. Mufele de alimentare �i ie�ire au fost fixate �i prin lipire cu r�in� epoxidic� de plac�.

Desene �i fotografii:

Bibliografie

Internet
Rev. Tehnium Nr. 3- 2004
St. Constantinescu� Radiotehnica teoretic� �i practic�,� Ed. Tehnic� 1960

Articol realizat de dl. ing. Lungu Iancu (actualmente pensionar); Numele de utilizator din forum: Ianing.

Amplificatorul operational

Sat, 14 Nov 2009 08:12:06 -0800

1.Generalit�ți

Necesitatea miniaturiz�rii circuitelor electronice a condus la includerea �ntr-o singur� capsul� a mai multor componente discrete, cum ar fi: tranzistoare, diode, rezistențe etc. S-a ajuns astfel la realizarea circuitelor integrate unde majoritatea elementelor componente ale unui circuit sunt incluse intr-o singur� capsul�. Dac� �n aceast� capsul� transpunem schema cu componente discrete a unui amplificator operațional atunci putem spunem ca circuitul integrat este un amplificator operațional (fig.1).

Amplificatoarele operaționale (A.O.) sunt amplificatoare de curent continuu cu amplificare mare proiectate inițial pentru a realiza anumite operații matematice, av�nd intr�ri diferențiale și, de regul�, o singur� ieșire. Deși un amplificator operațional este un amplificator ideal, cu o amplificare infinit�, band� infinit� și un r�spuns �n frecvenț� perfect plat, impedanț� de intrare infinit� și impedanț� de ieșire 0, f�r� drift cu temperatura, �n practic�, amplificatorul operațional are urm�toarele caracteristici:
-�� impedanț� mare de intrare;
-�� impedanț� mic� de ieșire;
-�� c�știg foarte mare (peste 50 000);
-�� band� foarte mare și r�spuns foarte plat �n frecvenț�;
-�� drift cu temperatura foarte mic.

Constructiv, un amplificator opera�ional este constituit din: dou� intr�ri (inversoare �i neinversoare), o ie�ire �i terminalele de alimentare, a�a cum se arat� �n fig.2. Exist� o mulțime de aplicații ale amplificatorului operațional, printre care inversorul, amplificatorul ne-inversor, repetor de tensiune, amplificatorul sumator, amplificatorul integrator, amplificatorul diferențial și compatorul. Pentru a determina aplicația specific�, se conecteaz� diferite componente externe amplificatorului operațional.

2. Scurt istoric

1941 - Primul tub electronic amplificator opera�ional. Primul amplificator opera�ional a fost g�sit in patentul american nr. 2401779 "Amplificator Sumator", �nregistrat �n 1941 de Karl D. Swartzel Jr. de la laboratoarele Bell. Acest design utiliza trei tuburi electronice �n vid pentru a realiza un c�tig de 90dB �i func�iona la o tensiune simetric� de ± 350V. Circuitul avea o singur� intr�re neinversoare destul de asem�n�toare cu intr�rile diferen�iale inversoare �i neinversoare din amplificatoarele opera�ionale prezente. De-a lungul celui de-al doilea r�zboi mondial inven�ia lui Swartzel s-a dovedit foarte valoroas�, aceasta fiind utilizat� �n� controlul artileriei M9, �ntr-un sistem conceput de laboratoarele Bell. Acest sistem de control al artileriei lucra cu sistem radar SCR584 pentru a �mbun�t��i rata de atingere a �intelor, ajung�nd astfel la aproape 90%, procent care nu mai fusese atins p�n� atunci.

1947 - Primul amplificator opera�ional cu intr�ri inversoare �i neinversoare
�n 1947, amplificatorul opera�ional a fost pentru prima oar� definit �n mod formal �i numit �ntr-o lucrare de profesorul John R. Ragazzini de la Universitatea Columbia. �n aceast� lucrare o not� de subsol men�ioneaz� c� amplificatorul opera�ional a fost proiectat de un student a c�rui lucrare s-a dovedit a fi important�. Acest amplificator opera�ional, proiectat de Loebe Julie, a fost superior din mai multe puncte de vedere. El a avut dou� inova�ii majore. �n circuitul de intrare a folosit o triod� pentru a reduce deriva circuitului de ie�ire �i, mult mai important, a fost primul amplificator opera�ional care avea dou� intr�ri (inversoare �i neinversoare). Intr�rile diferen�iale au f�cut o serie �ntreag� de noi func�ionalit��i posibile.

1948 - Primul chopper stabilizator cu amplificator opera�ional
�n 1949, Edwin A. Goldberg a proiectat chopper stabilizator cu A.O.. Acesta este compus dintr-un amplificator opera�ional obi�nuit �i un amplificator de c.a. care func�ioneaz� �n paralel cu AO-ul. Chopper-ul culege semnalul de curent alternativ prin comutarea tensiunii continue �ntre valoarea nominal� �i mas�, �ntr-un ritm rapid (60Hz sau 400Hz). Acest semnal este apoi amplificat, redresat, filtrat �i alimenteaz� intrarea neinversoare a amplificatoarelor opera�ionale. Acest lucru a imbun�t��it considerabil c�tigul amplificatoarelor opera�ionale prin reducerea semnificativ� a derivei termice �i a dc offset-ului. Din p�cate, orice AO care era folosit cu chopper-ul nu putea folosi intrarea neinversoare pentru orice alt scop. Cu toate acestea, caracteristicile mult �mbun�t��it� a chopper-ului stabilizator cu AO a crescut rata de utilizare a amplificatoarelor opera�ionale. Tehnicile care vor folosi �n mod uzual intrarea neinversoare nu vor fi foarte populare p�n� �n anii 1960 c�nd vor ap�rea circuitele integrate amplificatoare opera�ionale. �n 1953, tuburile electronice amplificatoare opera�ionale au devenit disponibile comercial odat� cu lansarea modelului K2-W de George A., Philbrick Researches, Incorporated.

1961 - Primul circuit integrat amplificator opera�ional
Odat� cu na�terea tranzistorului �n 1947 �i a tranzistorului de siliciu �n 1954, conceptul de circuit integrat a devenit o realitate. Introducerea procesului planar �n 1959 a f�cut tranzistorii �i circuitele integrate suficient de stabile �i ieftine pentru a fi comercializate. Prin 1961 s-au produs primele circuite integrate amplificatoare opera�ionale. Aceste A.O.-uri au fost efectiv mici placi de circuit av�nd pe margine conectori. De obicei, ele permiteau selectarea manual� a rezistorilor, �n scopul de a �mbun�t��i anumite lucruri, cum ar fi tensiunea de offset si deriva cu temperatura. �n 1961, P45 se putea alimenta la ± 15 V �i avea un c�tig de 94dB �i putea accepta pe intrare semnale �n intervalul ±10V.

1962 – Primele A.O.-uri modularizate
Prin 1962, mai multe companii au produs placu�e modulare care putea fi introduse �n circuite imprimate.� Aceste pachete au fost extrem de importante conduc�nd la includerea �ntr-o singur� capsul� a amplificatorului opera�ional. Odat� realizat acest lucru, amplificatoarele opera�ionale putea foarte u�or s� fie incluse �n diferite scheme, rezult�nd astfel circuite mai mici.

1963 – Primul circuit integrat amplificator opera�ional �n tehnologie monolitic�
�n 1963 a fost proiectat de Bob Widlar, de la Fairchild Semiconductor, primul amplificator opera�ional �n tehnologie monolitic�. Circuitele integrate monolitice constau numai �ntr-un singur chip. Spre deosebire de cip mai exist� �i circuite discrete, numai cu piese (IC discret) sau mai multe chip-uri libere conectate pe o plac� de circuit (IC hibrid). Aproape toate amplificatoarele opera�ionale moderne sunt circuite integrate monolitice; cu toate acestea, acest prim circuit integrat nu a avut prea mult succes. Probleme cum ar fi o tensiune de alimentare innegal�, c�tigul redus �i o gam� dinamic� mic�, nu a putut s�-i asigure o pozi�ie dominant� �n r�ndul amplificatoarelor opera�ionale p�n� �n 1965, atunci c�nd μA709, proiectat de c�tre Bob Widlar, a fost lansat.

1968 – Lansarea μA741 – cel mai utilizat amplificator opera�ional
Popularitatea opera�ionalelor monolitice a crescut �i mai mult odat� cu lansarea circuitului integrat amplificator opera�ional LM101 �n 1967, care a rezolvat o varietate de aspecte, dar �i cu lansarea� ulterioar� a μA741 �n 1968. Circuitul integrat uA741 a fost extrem de similar cu LM101 cu excep�ia faptului c� avea inclus un condensator de 30 pF, pentru compensare, �n interiorul capsulei, �n timp ce LM101 necesita compensare extern�. Aceast� diferen�� minor� a f�cut din uA741 unul din cele mai utilizate amplificatoare opera�ionale, a c�rui mod de amplasare a pinilor a devenit ulterior referin��. Acest opera�ional este �nc� �n produc�ie �i a devenit omniprezent �n electronic�, mul�i producatori de componente electronice realiz�nd acest cip clasic, recunoscut sub denumirea simpl� de 741.

1966 – Primul amplificator opera�ional „varactor bridge”
De la 741, au existat mai multe direc�ii diferite luate �n proiectarea amplificatoarelor opera�ionale. Opera�ionalele „varactor bridge” au �nceput s� fie produse �n anii 60,� sunt caracterizate prin curen�ii mici de intrare �i sunt cele mai bune amplificatoare opera�ionale disponibile, av�nd o capacitate mare de rejec�ie a zgomotului sursei de alimentare �i pot trata �n mod corect, sute de vol�i, la intr�rile lor. �n anii 1970, viteza mare, curen�i de intrare redu�i, s-au putut realiza utiliz�nd tranzistoare FET. Ace�tia, vor fi �n cea mai mare parte, �nlocui�i de tranzistoarele MOS �n anii 80. Pe parcursul anilor 70 au fost disponibile mai multe amplificatoare opera�ionale cu o singur� surs� de alimentare.

1972 – Primul AO alimentat nesimetric
Cu o singur� surs� de alimentare tensiunile de intrare �i ie�ire pot fi la fel de mici ca tensiunea de alimentare negativ� �n loc s� fie de cel pu�in doi vol�i deasupra ei. Rezultatul este acel� c� se poate func�iona �n multe aplicatii cu pinul de alimentare negativ conectat la masa sursei de semnal, elimin�nd astfel nevoia pentru o surs� de alimentare negativ� separat�.

1972 – Primul circuit integrat cu patru AO-uri incluse �n capsul�
LM324 a fost primul circuit integrat amplificator opera�ional quad, devenind mai t�rziu un standard industrial. �n plus, �ncapsularea multiplelor amplificatoarelor opera�ionale �n aceea�i capsul�, a condus �n anii 1970 la na�terea amplificatoarelor opera�ionale �n capsule hibride. Aceste AO-uri au �mbun�t��it, �n general, versiunile existente ale opera�ionalelor monolitice. Deoarece, tensiunile de alimentare a circuitelor analogice au sc�zut (asemenea celor digitale), a fost necesar realizarea amplificatoarelor opera�ionale de joas� tensiune, tocmai pentru a urm�ri acest trend. Astfel, s-a ajuns la tensiuni de alimentare simetrice de +/-5V sau numai 5V sau chiar mai mici.

3. M�rimi Caracteristice

a. Factorul de amplificare(c�tigul) diferen�ial �n bucla deschis�
A0 reprezint� raportul dintre varia�ia tensiunii de ie�ire (V0) �i tensiunea diferen�ial� de intrare (vezi figura 4):

b. Factorul de amplificare pe mod comun �n bucla deschis�
AMC reprezint� raportul �ntre varia�ia tensiunii de ie�ire �i media aritmetic� a tensiunilor de intrare:

Acest parametru rezult� din faptul c�, chiar �n cazul �n care cele dou� tensiuni de intrare,�� ,sunt egale �ns� diferite de zero se produce tensiunea�� la ie�irea amplificatorului opera�ional. �n� cazul ideal, al amplificatorului opera�ional perfect A_MC=0. �

c. Tensiunea de decalaj (offset) de la intrare
U_EI este valoarea tensiunii continue aplicat� la una din intr�rile circuitului pentru care ie�irea este nul�: V₀=0.

d. Curentul de polarizare de intrare - iB, unde iB este valoarea medie a curen�ilor de intrare:

e. Factorul de rejec�ie pe mod comun – CMR
Este raportul dintre factorul de amplificare diferen�ial A0 �i factorul de amplificare pe mod comun: A_MC.

Conform celor ar�tate mai sus, �ntruc�t la un amplificator perfect A_MC=0, rezult� �n acest caz: C_MR=∞

f. Banda de trecere �n bucla deschis�
Este domeniul (gama) de frecven�e �n care amplificarea scade la valoarea de� A_U/√2 (-3dB) fa�� de valoarea maxim�: A_U.

4. Func�ionarea amplificatorului opera�ional

4.1 Amplificatorul operational inversor

�n cazul acestui tip de amplificator semnalul se amplifica pe borna notata cu (-), iar borna (+) este legata la masa (fig.5). Aplicand teorema intai a lui Kirchhoff in jurul nodului de la intrare se obtine relatia:

unde:�� - curentul dat de tensiunea V₁;
- curentul de reactie, ce apare prin bucla format� de rezistenta ;
- curentul prin intrarea amplificatorului operational.
Deoarece:

Dar:

Deoarece:

Și deci c�știgul:

Se observa semnul (-) indicand ca tensiunea de iesire este in pozitie de faza fata de cea de intrare. Unele proprietati ale amplificatoarului operational inversor se pot deduce din aceasta rela�ie.

- �nmultirea cu o constanta, pun�nd condi�ia :

deci tensiunea de iesire reproduce tensiunea de intrare, multiplicata de k ori.

- �mpartirea cu o constanta. Daca:

deci tensiunea de iesire este o fractiune a tensiunii de intrare.

- Circuit repetor:

- Circuitul sumator:

�n cazul �n care la intrarea inversoare se aplica mai multe tensiuni, prin intermediul unor rezistențe, la ieșire se obține un semnal �n antifaza, proporțional �n modul cu suma lor. Aplic�nd prima teorema a lui Kirchhoff (fig. 6b) se ob�in rela�iile urmatoare:

Exemplu 1: S� se determine c�știgul și tensiunea de ieșire pentru un AO inversor cu tensiunea de intrare V₁=50mV, R₁=1kOhm, R₂=2,2KOhmi. Soluție: C�știgul este: A(-)=-R2/R1=-2,2/1=-2,2; iar semnalul de ieșire reprezinta produsul dintre semnalul de intrare și c�știg = -2,2 x 50mV=-110mV (a se vedea relația (9) și fig.5).

Exemplu 2: �n fig. 6b dac� avem numai R₁ și R₂ și R=R₁=R₂=5KOhm, atunci c�știgul pentru ambele intr�ri va fi: 5kOhm/5kOhm=-1. Date fiind V₁=+1V și V₂=+2V obținem la ieșire un nivel datorat lui V₁ de 1 x (-1)=-1V și o ieșire datorat� lui V₂ de 2 x (-1)=-2V. Prin urmare ieșirea total� este V₀=-1-2=-3V.

4.2 Amplificatorul operational neinversor

�n acest caz semnalul se aplica pe borna (+). Pentru a deduce valoarea amplific�rii, se observ� c� tensiunea �ntre borna A și mas� se obține din circuitul�� alimentat de tensiunea de ieșire astfel:

Deoarece A=∞ , atunci V_A=V₀=0, deci V_A=V_B=V₁ (V₁ reprezinta tensiunea de intrare). �n acest caz:

C�știgul va fi:

Se observ� c� semnalul de ieșire este �n faz� cu cel de intrare.
Propriet�țile acestui amplificator se pot deduce ca și �n cazul celui inversor, din formula amplific�rii. Se observa c� el nu poate diviza deoarece� A₊>1, decat �n cazul �n care una din rezistențe se �nlocuiește cu un dispozitiv ce prezint� rezistenț� negativ� (diode tunel). Cu elemente fizice obișnuite, el poate realiza:

- �nmul�irea cu o constanta. Se pune urmatoarea condiție:

Atunci:

- Sumator. Consider�nd circuitul de mai sus, se pot stabili urmatoarele relații:

�n jurul nodului�� aplicand prima teorema a lui Kirchhoff, obtinem:

�n care:

�nlocuind ob�inem:

Presupun�nd pentru simplificare: R1=...=Rn=R, ob�inem:

dar:

deci:

Dac�:

Se observ� c� la iesire s-a ob�inut suma tensiunilor aplicate de la intrare, �n aceea�i faz�. Pentru a funcționa �n current alternativ, amplificatorul operational trebuie sa fie prev�zut cu condensatoare pe circuitele de semnal sau pe cele de reacție, dup� scopul urmarit. Ob�inerea unei amplificari liniare impune alegerea judicioasa a valorilor condensatoarelor folosite.�

4.3 Amplificatorul opera�ional integrator

Pentru ob�inerea unui A.O. de tip I, rezisten�a din circuitul de reac�ie va fi inlocuit� cu o capacitate rezult�nd schema din fig.9. Se considera ca tensiunea u_C2, la bornele capacita�ii are valoarea:

Respectiv, av�nd �n vedere u1i≈0 se ob�ine:

�ntre tensiunea� u_C2 la bornele capacita�ii C₂ si curentul I₂ care trece prin capacitatea respectiv� exist� rela�iile:

�nlocuind �n expresia (31) valoarea� lui u_C2 din rela�ia (30) rezult�:

Pentru curentul I₁ se pastreaz� rela�ia I₁*К₁=u₁-u_1i �i �in�nd cont de u_1i≈0 se ob�ine:

�nlocuind expresiile (32), (33) �n rela�ia I₁≈I₂ se ob�ine:

Din rela�ia (34) se constat� c� amplificatorul opera�ional cu schema din fig.9 realizeaza o lege de tip I, intruc�t expresia (34) corespunde rela�iei de defini�ie a unei legi I de forma:

Din expresiile (33) si (34) rezult� pentru schema considerat�:

4.4 Amplificatorul opera�ional de tip PI

Ca s� ob�inem un A.O. de tip PI, �n circuitul reac�iei negative din fig.5 trebuie s� introducem, �n serie cu rezisten�a�� ,� capacitatea� . Rezult� astfel schema din fig.10, care reprezint� un A.O. de tip PI sau fac�nd o analogie �n automatic�, putem spune c� schema din fig.10 reprezint� un regulator de tip PI cu amplificator opera�ional.

�n acest caz tensiunea� u_C2 la bornele capacita�ii� C₂ este similar� cu cea redat� �n expresia (31). Iar dac� tensiunea u_R2 pe rezisten�a R₂ are expresia:

Atunci �nsum�nd tensiunile u_C2 si� u_R2 se ob�ine diferen�a tensiunilor de la bornele circuitului de reac�ie, respectiv:

�i av�nd �n vedere u_1i≈0, rezult�:

Pentru curentul� I₁ se pastreaza valoarea din expresia (33), intruc�t �n circuitul de intrare se gase�te aceea�i rezisten�� R₁, ca �n figurile 5 �i 9, rezult�:

�nlocuind� �n (40) se ob�ine:

Expresia (41) atesta c� schema din figura 10 realizeaza o lege de reglare de tip PI, �ntrucat, fac�nd abstrac�ie de semnul (-), de care se �ine seama la realizarea conexiunilor electrice la ie�irea regulatorului, aceasta� corespunde rela�iei care define�te legea de tip PI:

Dac� dorim s� modific�m parametrii� K_R �i T_i ai regulatorului cu A.O., atunci rezisten�ele R₁ �i R₂ vor trebui s� fie reglabile. Din rela�iile (41) si (41) se constata c� dac� valoarea rezisten�ei�� este modificat� pentru a ob�ine o varia�ie a valorii�� , atunci se ob�ine �i o modificare nedorit� a valorii� , deci intervine o interdependen�� a acordarii parametrilor regulatorului.

Din rela�iile 41 si 42 rezult� pentru schema din fig.10:

4.5 Amplificatorul opera�ional de tip proportional – derivativ (PD)

Pentru ob�inerea unui amplificator opera�ional de tip PD, care s� fie caracterizat de legea de tip proportional – derivativ, �n circuitul de intrare trebuie s� introducem �n paralel o rezistenta� �i o capacitate� , a�a cum se arat� �n figura 11.��

�n aceasta schem� curentul� I₁, care intra �n nodul M, este egal cu suma curen�ilor� I_1R �i� I_1C prin rezisten�a R₁ �i capacitatea C₁. Pentru curentul I_1C rezult� expresia:

Deoarece u_1C=u₁+u_1i �i considerand rela�ia u_1i≈0 rezult�:

Pentru curentul I_R1 �i I₁ se ob�ine:

Pentru curentul I₂ avem: I₂=(u_1i-u₃)/R₂ �i av�nd �n vedere: u_2i≈u_1ise ob�ine:

�nlocuind expresiile curen�ilor I₁ �i� I₂ se ob�ine:

Aceasta expresie atesta faptul c� schema din fig.11 realizeaza o lege de reglare PD, intruc�t aceasta expresie corespunde rela�iei ce define�te legea PD:

Rezult�:

4.6 Amplificatorul opera�ional de tip PID

Pentru ob�inerea unui amplificator opera�ional de tip PID, circuitul de intrare trebuie sa aiba aspectul redat �n figura 12.��

�n schema din fig.11 curentul I₁ este determinat de expresia (46) �ntruc�t circuitele de intrare sunt identice �n figurile 10 �i 11. Pe de alta parte, pentru schema din figura 11 r�m�ne valabil� expresia (39) deoarece circuitele de reac�ie din figurile 10 �i 12 sunt identice.

Din rela�ia (46) se ob�ine:

�i �nlocuind aceasta expresie a curentului I₂ (39) rezult�:

Expresia (51) atesta faptul c� schema din figura 12 realizeaza o lege de reglare de tip PID, �ntruc�t aceasta expresie corespunde rela�iei care define�te legea PID:

5. Influen�a reac�iei negative asupra parametrilor amplificatorului

5.1 Influen�a reac�iei negative asupra amplificatorului operațional

Reac�ia negativ� mic�oreaz� amplificarea dar m�re�te stabilitatea ei. �ntr-adev�r s� consider�m c� dintr-o cauz� oarecare (de exemplu varia�ia temperaturii) s-a produs o varia�ie� ΔA<<A a amplificatorului f�r� reac�ie. �n acest caz, �n rela�ia A^'=A/(1-β·A), care reprezint� rela�ia amplificatorului cu reac�ie, A devine A+ΔA �i A^' devine A^'+ΔA^':

sc�z�nd cele dou� rela�ii se ob�ine:

�mp�r�ind prin A’� �i �in�nd seama ca�� se ob�ine

Rapoartele ΔA/A, respectiv ΔA^'/A^' dau stabilitate amplific�rii f�r� reac�ie, respectiv cu reac�ie. �n cazul reac�iei negative K>1, deci ΔA^'/A^'<ΔA/A, stabilitatea se �mbun�t��e�te.

5.2 Influen�a reac�iei negative asupra caracteristicilor amplitudine-frecven��

�n cazul aplic�rii unei reac�ii negative, caracteristica de frecven�� se modific� dup� cum se observ� din figura 13 ob�in�ndu-se o l�rgire a benzii de frecven�e. Se poate demonstra c� frecven�ele limit� superioare �i inferioare devin:

5.3�� Influen�a reac�iei negative asupra distorsiunilor liniare

S� presupunem c� la intrarea amplificatorului se aplic� un semnal sinusoidal, iar la ie�ire datorit� caracteristicii neliniare a tranzistorului, semnalul apare distorsionat. Prin circuitul de reac�ie negativ�, este aplicat din nou la intrare �n opozi�ie de faz�, deci cu o deformare contrar� celei de la ie�ire. �n consecin�� semnalul rezultat va fi mai pu�in deformat prin compensare. Factorul de distorsiuni �n cazul amplificatorului cu reac�ie negativ�, este dat de formula:

5.4 Influența reac�iei negative asupra impedan�elor de intrare �i de ie�ire ale amplificatorului

�n cazul amplificatorului cu reac�ie serie, impedan�a de intrare cre�te fa�� de cazul amplificatorului f�r� reac�ie. �ntr-adev�r plec�nd de la formulele:

�i folosind rela�ia β=U₁/U₂ referitoare la coeficientul de reac�ie� β �i tensiunea de intrare �n amplificatorul cu reac�ie �i faptul c� I₁=I_1’ rezult�:

Se poate demonstra ca impedan�a de ie�ire scade �n cazul folosirii reac�iei negative, dup� formula:

�n general, dac� se folose�te o reac�ie negativ� foarte puternic� 1- βA>>1, �nlocuind �n rela�ia A^'=A/(1-β·A) rezult� A^'=-1/β, adic� amplificarea cu reac�ie devine independent� de parametri amplificatorului, ob�in�ndu-se astfel amplificatoare de mare stabilitate.
Aceste consecin�e ale aplic�rii reac�iei negative �n amplificatoare este justificat� din simplu motiv c� este nelipsit� din amplificatoare.

6 M�suri de protecție și echilibrare a amplificatoarelor operaționale

Funcționarea corect� și sigur� a amplificatoarelor operaționale depinde de respectarea datelor maxim admisibile indicate de firma produc�toare. M�surile de protecție care trebuie luate se refer� la tensiunile de alimentare, supratensiunile care pot ap�rea la intrarea și ieșirea amplificatorului și la curentul furnizat de amplificator sarcinii. Prin echilibrarea amplificatoarelor se �nțelege �n mod uzual compensarea curenților și tensiunilor de decalaj sau offset.

6.1 Tensiunile de alimentare

�n datele de catalog se indic� de regul� valorile maxime ale tensiunilor de alimentare, valori mai mari dec�t valorile nominale. Deși amplificatoarele operaționale pot lucra la tensiuni mai mici dec�t cele indicate, caracteristicile amplificatoarelor se modific�. Tensiunile de alimentare pot varia la conectarea și deconectarea sarcinilor, precum și la variația tensiunii rețelei. Aplicarea tensiunilor cu polaritatea indicat� este obligatorie, schimbarea polarit�ții put�nd duce la distrugerea amplificatorului. Un rol bun pentru buna funcționare a amplificatorului il joac� rezistența intern� a surselor care trebuie s� fie c�t mai mic�. Deoarece amplificarea �n tensiune este foarte mare chiar la frecvențe ridicate, se recomand� legarea �n paralel cu sursele de alimentare a unor condensatoare de decuplare cu valori cuprinse �ntre 10...100nF (vezi fig.14).

6.2 Protecția la supracurenți si supratensiuni
La amplificatoarele operaționale care nu au o protecție intern� se recomand� legarea la ieșire a unei rezistențe R egal� cu rezistența intern� a amplificatorului. Aceast� rezistenț� este indicat� �n special c�nd sarcina este de natur� capacitiv�. �n cazul �n care sarcina este de natur� inductiv�, la conectare și deconectare pot ap�rea tensiuni periculoase. Protecția contra supratensiunilor se poate face cu circuitele prezentate �n fig.15.

6.3 Limitarea tensiunii de intrare și a tensiunii de ieșire
Tensiunea diferențial� V_D=V₁⁺-V₁^- nu poate dep�și anumite valori indicate de produc�tor. Pentru a limita tensiunea de intrare la valori mici (+/-0,6V) se utilizeaz� montajul din figura 16a. Dac� amplificatorul operațional admite tensiuni mai mari se utilizeaz� diode Zener montate �n opoziție ca �n figura 16b.

Pentru limitarea tensiunii de ieșire se pot utiliza intre punctele A si B a� amplificatorului operațional (fig.17g), circuitele prezentate �n figura 17. Aceste circuite se individualizeaz� printr-un caracter neliniar, intr�nd �n acțiune numai atunci c�nd tensiunea de ieșire dep�șește o anumit� valoare. Spre exemplu, circuitul din fig.17a limiteaz� tensiunea asimetric conform caracteristicii diodei Zener. Evident, dioda poate fi conectat� și invers, ea fiind �n paralel cu rezistența RN (fig.17g). �n cazul circuitului din fig.17b, tensiunea de ieșire este limitat� simetric la valori ceva mai mari dec�t tensiunile diodelor Zener. �n fig.17c, se limiteaz� simetric tensiunea la aprox. +/-0,6V; rezistența R de valoare mare av�nd rolul de a permite scurgerea curenților reziduali. Circuitele din fig.17e și 17f permit �n funcție de alegerea rezistențelor sau a diodelor, limit�ri simetrice sau asimetrice ale tensiunii de ieșire. Spre exemplu, �n fig.17d, valoarea tensiunii limitate pentru fiecare alternanț� se calculeaz� cu ajutorul formulelor:

6.4 Echilibrarea amplificatoarelor operaționale. �n general, prin echilibrarea amplificatoarelor operaționale se �nțelege compensarea tensiunii de offset, a curentului de repaus și a curentului de offset.

Pentru compensarea tensiunii de offset se disting dou� posibilit�ți:
-amplificatorul operațional are terminale speciale, caz �n care trebuiesc respectate indicațiile din catalog;
-amplificatorul operațional nu are astfel de terminale. �n acest caz compensarea tensiunii se face �n funcție de circuit.

�n figura 18a se prezint� un circuit pentru compensarea tensiunii de offset la un amplificator inversor, iar �n figura 18b un circuit pentru compensarea tensiunii de offset la un amplificator neinversor.

La ambele circuite se leag� la mas� borna de intrare (u1=0) și se acționeaz� semireglabilul (sau potențiometrul) p�n� c�nd tensiunea de ieșire se anuleaz�. Rezistența intern� a circuitului de compensare depinde de poziția semireglabilului și apare legat� �n paralel cu rezistența R_P (fig.18a) sau R₁(fig.18b). �n cazul circuitului din figura 18b, odat� cu modificarea rezistenței R₁ are loc și o modificare a amplific�rii. Pentru ca modificarea amplific�rii s� fie c�t mai mic� este necesar ca rezistența R s� se adopte mult mai mare dec�t R₁.

Deși curentul și tensiunea de offset se pot compensa, compensarea este eficace numai pentru un domeniu de temperatur� și numai pentru un anume regim de funcționare. Din acest motiv, �n cazul unor circuite mai complexe de la care se stoarce ultima pic�tur� de performanț�, se introduc circuite specializate �n anularea offset-ului �n regim staționar și dinamic de funcționare.

Deriva curentului de offset se menține relativ mic� dac� se dimensioneaz� circuitul astfel �nc�t rezistențele s� fie de valoare mic�. Curenții de repaus deși �ncarc� sursele de semnal sunt necesari pentru funcționarea amplificatorului, ei constituind curenții de polarizare a tranzistoarelor din circuitul de intrare a amplificatorului operațional. �n cazul ideal, curenții de intrare de pe bornele inversoare și neinversoare sunt egali. �n realitate, datorit� c�derilor de tensiune pe rezistențele de intrare acești curenți nu sunt egali, fapt ce conduce la apariția unei tensiuni diferențiale �ntre bornele inversoare și neinversoare, tensiune care este amplificat� și apare la ieșire. Pentru a compensa influența curenților se aleg astfel rezistențele astfel �nc�t c�derile de tensiune pe acestea s� fie egale.

OBS! �n cazul montajului inversor, introducerea unui curent de offset se mai poate face și prin ad�ugarea unei rezistențe la intrarea neinversoare conectat� la mas�. Pentru condiții optime de funcționare, valoarea acestei rezistențe, pe care o voi nota cu R, va trebui s� respecte relația: R=R₂R₁/(R₂+R₁), unde R₂ și R₁sunt rezistențele din figura 5. Din acest motiv, �n diferite scheme electronice cu AO, se utilizeaz� numai anumite valori ale componentelor electronice externe, performanțele ne mai fiind 100% aceleași, �n cazul �n care se modific� tipul amplificatorului operațional.

7 Aplicații cu amplificatoare operaționale

7.1 Sursa ideala de curent comandata prin tensiune
Sursa ideala de curent comandata prin tensiune este foarte utila �n toate aplica�iile care cer surse ideale de tensiune cu varia�ie liniar� �n func�ie de timp �i cu pant� controlat� (acesta este cazul convertizoarelor analog� – numerice, a multiplicatoarelor, a generatoarelor de functii triunghiulare – ramp� etc.). Una din posibilit��ile eficiente de realizare a unei astfel de surse de curent este aratat� �n figura 19.
Dac� se pune condi�ia de egalitate �ntre valorile absolute aplicate celor dou� intr�ri, adica: :|U₁|=|-U₂|=U �i se aleg rezistoarele astfel �nc�t R₅ <<R₄ �i R₄/R₂=R₃/R₁, atunci rezult� I_R<<I₅ �i I_E=I_E’+I_R ≈ I_E’ ≈ U_E’/R₅ iar:

7.2 Convertizorul de impedanta negativa (CIN)
�n figura 20 este reprezentat� schema unui dipol activ, cu amplificator operational diferen�ial, capabil s� realizeze conversia unei impedan�e Z (conectata ca sarcina a amplificatorului) �ntr-o impedan�a “negativ�”: Z_J= – KZ. Acest circuit este utilizat, �n special, la sinteza filtrelor active RC.

7.3 Filtre active RC
Asocierea unor amplificatoare operationale cu filtre pasive RC duce la realizarea unor filtre active RC cu func�ii de transfer din cele mai diverse, convenabile unor anume aplicatii, si de foarte buna calitate (eficienț�). Filtrele active RC sunt folosite, �n cazul masurarilor electronice, �n distorsiometre, filtre audio, �n voltmetrele selective de joasa frecven�� (5 Hz la 1 MHz), �n oscilatoarele interferen�iale din generatoarele de semnale etc.
Cu ajutorul filtrelor active� se pot ob�ine o larga clasa de caracteristici de frecven�� necesare �n practica (de tipul caracteristicilor filtrelor TJ, TB si TS ) cu minimizarea elementelor active �i pasive.

7.4 Inductan�e simulate

La frecven�e joase, unde bobinele ar rezulta de dimensiuni prea mari, sau �n cazul circuitelor integrate (unde bobinele� – adica acele componente de circuit ce au parametrul de circuit inductanta L – nu se pot realiza fizic), inductan�ele (inductivit��ile) L trebuie “simulate”, opera�ie care se poate� realiza cu etaje numite adesea �i giratoare. �n desenul din fig.21a este reprezentat un girator cu amplificator operational a carui schema echivalenta (fig.21b) este aceea a unei bobine LS cu inductivitatea CR₁R₂ �i cu pierderile� date de rezisten�a serie R₁+R₂.

7.5 Comparatorul
Comparatorul este un etaj care fiind atacat de doua semnale diferite (de exemplu doua tensiuni U₁ si U₂) furnizeaz� un raspuns atunci c�nd �ntre cele doua semnale de intrare exista o anumit� rela�ie (de exemplu de egalitate).

�n figura 22 este reprezentat un comparator cu histerezis.� Prezen�a histerezisului este util� dac� se dore�te ca cele dou� tensiuni s� nu fie afectate de perturba�ii. Cele dou� nivele de tensiunii sau de compara�ie determin� starea de ie�ire: U_eP sau U_eN.
Efectul de histerezis este dat de rela�ia:

Eroarea de compara�ie, exprimat� ca o abatere fa�� de valoarea U₁, cu care se compar� U₂=const., este:

unde u_d1 este decalajul de tensiune raportat la intrare, termenul al doilea al rela�iei – zona de incertitudine, iar al treilea termen al rela�iei, semnalul pe nod comun incomplet rejectat.

7.6 Amplificatoare autobasculante la iesire cu modulatie �n durata
Cu ajutorul amplificatoarelor opera�ionale se pot realiza generatoare simple de semnale dreptunghiulare, cu o perioada constanta, dar cu o durata a t₁+t₂ a impulsului pozitiv (v. fig.23) reglabil� – deci cu un factor de umplere t₁/t₁+t₂ ce se poate regla �ntre 0 si 1 – adica un amplificator autobasculant cu tensiunea de iesire modulat� �n durat�. Astfel, prezen�a reac�iei pozitive – introdusa de circuitul R₃ R₄, face ca tensiunea de la ie�irea amplificatorului s� ia numai una din valorile limit� +U_e sau –U_e.

7.7 Oscilatoare sinusoidale

Cu ajutorul amplificatoarelor opera�ionale se pot ob�ine �i autooscilatoare sinusoidale, dac� se realizeaz� un montaj cu reac�ii ca cel din figura 24, care con�ine un circuit selectiv pe bucla de reac�ie pozitiv� �i o reac�ie negativ� prin dou� rezistoare R₃ �i R₄. Not�nd cu β(ω)=U_N/U_E func�ia de transfer (atenuarea) blocului (re�elei) de reac�ie pozitiv�, condi�ia de �ntre�inere a oscila�iilor la pulsa�ia de acord ω0. Deci, condi�ia de autooscila�ie este:

Pentru asigurarea func�ion�rii autooscilatorului (oscila�ii sinusoidale �ntre�inute) este necesar ca, pe l�ng� sadisfacerea condi�iei de mai sus, s� se men�in� egalitatea atenu�rilor celor dou� re�ele de reac�ie, ceea ce �nseamn� realizarea unor c�tiguri egale �n cele dou� bucle de reac�ie.

7.8 Detectoare de amplitudine
Detectoarele de amplitudine sunt etaje electronice care transforma o tensiune variabila �ntr-o tensiune continua (acesta fiind cazul mutatorului de tip : convertor alternativ – continuu) sau �ntr-o tensiune de joasa frecventa (cazul mutatorului de tip:� convertor de anvelopa, folosit pentru semnalele armonice cu modula�ie de amplitudine). Detectoarele de amplitudine sunt utilizate �n voltmetrele electronice de curent alternativ (care, �n fond, sunt formate dintr-un etaj detector de amplitudine, urmat de un voltmetru electronic de curent continuu), �n generatoarele de semnal, �n blocurile electronice pentru determinarea nivelului sau a gradului de modulatie (�n modulometre) etc.

Exist� doua tipuri de detectoare de amplitudine, denumite: detectoare de valoare medie (fig.25) �i detectoare de v�rf (fig.26). Dac� �n fig.26 se inverseaz� diodele, se ob�ine un detector de v�rf pentru valorile negative ale tensiuni de intrare U1.

7.9 Discriminatoare de faz� �i de frecven��
Exist� o mare varietate de discriminatoare de faz�, �n func�ie de scopul utiliz�rii lor. Un exemplu de scop este acela al masur�rii fazei, ceea ce se poate face prin a�a-numitul detector sensibil la faz�.
Discriminatoarele de frecven�� se folosesc pentru m�surarea devia�iei de frecven�� n cazul semnalelor modulate �n frecven�� sau pentru m�surarea analogic� a frecven�ei (�n� frecven�metrele electronice analogice, aceste discriminatoare produc o tensiune continua propor�ional� cu frecven�a semnalului de m�surat, astfel ca – �n fapt – aceste discriminatoare de frecven�� sunt convertoare numeric -analogice de frecventa-tensiune). Discriminatoarele de frecventa mai sunt utilizate si �n generatoarele de curent alternativ �n scopul reglarii automate a frecven�ei, caz �n care functioneaza tot ca un convertor frecven�� – tensiune.

7.10 Multiplicatoare electronice
Multiplicatoarele electronice sunt niste etaje care prezint� la ie�ire o tensiune propor�ional� cu produsul a dou� tensiuni analogice aplicate la intr�ri. Etajele� cu� func�ie� de� multiplicator electronic sunt folosite �n multe aparate utilizate �n masur�rile electronice, printre care: voltmetrele electronice de valoare eficace, wattmetrele electronice, contoarele electronice (de energie activa� �i� reactiv�),� modulometrele, generatoarele modulate �n amplitudine, oscilatoarele interferen�iale , sintetizatoarele de frecven��, detectoarele sincrone, fazmetrele electronice, precum si �n circuitele cu calare de faz�, �n circuitele pentru controlul automat al amplific�rii, �n circuitele de calcul analogic, �n circuitele pentru obtinerea de impedante comandate prin tensiune (reglabile) si multe altele.

Cu ajutorul amplificatoarelor operationale se mai poate realiza �i sinteza unor retele sau semnale �n domeniul frecventelor sau a timpului cu erori minime, multe din acestea cu aplicatii reg�sindu-se �n aparate de masur� electronice, ca de exemplu: convertizorul de impedante negative, filtrele active , RC, circuitele comparatoare – cu sau fara histerezis, inductantele simulate, divizoarele analogice, detectoarele de v�rf, detectoarele de valori medii, discriminatoarele de frecventa, discriminatoarele de faza, amplificatoarele auto-basculante, analizoarele de corelatie, transformatorul Fourier s.a.m.d..

8. Scheme practice cu amplificatoare operaționale

�n figura 27 este reprezentat un montaj simplu cu amplificator opera�ional tip 741 �n capsul� DIP8. Pentru alte tipuri de capsule se recomand� studierea datasheet-urilor circuitelor integrate, pentru a identifica func�iile pinilor. �n capsula DIP8 se pot reg�si �i dou� amplificatoare opera�ionale (vezi NE5532). Rezisten�a R_S reprezint� rezisten�a de sarcin� a amplificatorului opera�ional.

�n fig.28 este prezentat un corector de ton Baxandall realizat cu amplificatorul operațional OPA134.

Bibliografie:

[1] – http://elearning.algonquincollege.com
[2] – HANDBOOK OF OPERATIONAL AMPLIFIER APPLICATIONS – Texas Instruments
[3] – Edmond Nicoalu, Beli� Mariana – „M�sur�ri electrice �i electronice” - Editura Didactic� �i Pedagogic�, Bucure�ti 1984
[4] – Theodor D�nil�, Monica Ionescu-Vlad – „Componente �i circuite electronice” - Editura Didactic� �i Pedagogic�, Bucure�ti 1984
[5] – G. Vasilescu, Ș. Lungu – „Electronic�” - Editura Didactic� �i Pedagogic�, Bucure�ti 1981
[6] – Miron C. – „Introducere in circuite electronice” – Editura Dacia, Cluj Napoca, 1983.

Cum controleaz� electronica eficien�a combustibilului ?

Fri, 04 Sep 2009 08:59:27 -0700

Transportul reprezint� �n prezent aproximativ 25% din emisiile de CO2 la nivel mondial. Ceea ce a fost considerat �n urm� cu c��iva ani un vis vizionar este acum �n centrul aten�iei: vehicule hibride si electrice au intrat pe pia��. Nivelul de cerere la nivel mondial pentru vehiculele electrice hibride (HEV) este prognozat s� avanseze �ntr-un ritm rapid. S-ar putea ajunge la peste 5 milioane de unit��i, �n 2013, reprezent�nd aproximativ 6% din cererea de vehicule la nivel mondial (except�nd camioane).

Pe de alt� parte, acest lucru �nseamn� c� restul de 94% din totalul vehiculelor u�oare vor rula pe "clasicile motoare cu ardere intern�". Cu toate acestea ma�inile hibride vor rula �n majoritatea timpului pe (diminuatele) motoare cu benzin�. Acest lucru justific� u�or efortul imens luat pentru �mbun�t��irea eficien�ei consumului motoarelor, inclusiv a sistemelor proprii de suport, cum ar fi r�cirea �i alimentarea cu combustibil.

Introducerea de sisteme de injec�ie direct� de �nalt� presiune folosind� "o cale comun�" pentru distribu�ia carburan�ilor, la mai mult de 1000 de bar, a fost un reper major �n evolu�ia motoarelor diesel. Motoarele au c�p�tat astfel o performan�� mai bun� �i emisii reduse la un nivel de zgomot mai redus. Bobina injectoarelor permite trei-cinci injec�ii pe ciclu, ceea ce contribuie la o distribu�ie controlat� a presiunii �n cilindru, cu scopul de a realiza un motor mai silen�ios.

�n figura urm�toare este reprezentat un etaj de putere simplificat de solenoid care folose�te “dou� bancuri” ale sistemului CRDI (common rail direct injection). �n timp ce injectorul este ac�ionat pe partea de �nalt� de comutatoarele statice QH1A… QH2B, cilindrul individual este selectat de comutatoarele de pe partea de joasa QL1…QL6. Deschiderea rapid� a injectorului este executat� de c�tre VS2 prin intrarea �n conduc�ie a comutatoarelor statice aferente. Dup� activarea injectorului cu QH1A/2A, QH1B/2B, men�inerea �n stare DESCHIS a injectorului se efectueaz� cu ajutorul VS1 de la o baterie. Utilizarea a dou� "bancuri" �n dou� etaje independente de putere, a�a cum se arat� �n figura 1, permite o flexibilitate mai mare �n ceea ce prive�te momentul inject�rii combustibilului �n cilindri, cu scopul de a ob�ine performan�e mai ridicate. �n ma�inile de dimensiuni medii �i compacte, sistemele cu un singur banc sunt folosite doar pentru a reduce costurile.

Cu toate acestea, evolu�ia continu�. �nlocuirea injectoare solenoid cu tehnologie piezo are mai multe avantaje semnificative. Injectoarele piezo sunt mult mai rapide, reduc timpii mor�i �i permit un control mult mai riguros a cantit��i de combustibil injectat. De asemenea, reac�ia rapid� va permite mai multe injec�ii pe ciclu (p�n� la 15 �i chiar mai mult) prin reducerea varia�iilor rapide de presiune �n cilindru �i eliminarea aproape �n totalitate a zgomotul tipic diesel.

La �nceputul lans�ri �n produc�ie, injectoarele piezo au avut probleme de fiabilitate cu corpul ceramic, dar toate aceste probleme au putut fi �n cele din urm� rezolvate prin optimizarea materialului. Astfel, injectoarele piezo au ajuns la maturitate.

�n figura 2 este exemplificat arhitectura general� a unui modul piezo cu injec�ie direct�. �n acest caz, este vorba de o semi-arhitectura rezonant� unde sarcina capacitiv� a injectorului �i bobina serie formeaz� un circuit oscilant. Aceasta arhitectura este �n produc�ie ridicat� de ani de zile. Multe sisteme de pe pia�a de ast�zi utilizeaz� arhitectura CRDI, pentru injectoare piezo, care au nevoie de mai multe componente, dar sunt mai u�or de controlat �i necesit� o complexitate mai sc�zut� �n ceea ce prive�te software-ul.

�in�nd seama numai de p�r�ile componente, diferen�a major� dintre sistemele cu injec�ie direct� �i piezo este �n mod semnificativ o tensiune mai mare de operare. �n timp ce sistemele cu solenoid func�ioneaz� p�n� la 120V (tensiune boost VS2), sistemul piezo are nevoie de impulsuri de 250V…350V. Pentru ambele arhitecturi Fairchild Semiconductor ofer� comutatoare statice de putere �n tehnologie planar� �i trench, precum �i redresoare.

Din punct de vedere arhitectural, unit��ile de control (ECU) a motoarelor pe benzin� �i motorin� sunt foarte asem�n�toare. La motoarele pe benzina, orificiu sistemului de injec�ie clasic a fost �nlocuit cu injec�ia direct� de �nalt� presiune. Diferen�a major� �ntre ECU pentru motoarele diesel �i benzin� este puterea necesar� de ie�ire �n etajul driver a injectorului �i sistemul de operare. Controlul foarte precis a cantit��i combustibilului injectat prin injec�ie direct� Piezo permite o stratificare definit� a amestecului de aer-combustibil �n cilindru. Rezultatul este nesemnificativ dar reduce consumul de combustibil. Pe de alt� parte, este destul de dificil s� se aprind� un amestec foarte slab de aer-carburant �i exist�, de asemenea, riscul ca arderea s� fie incomplet� (combustie neomogen�). Pentru a dep�i aceast� provocare, este necesar� multi-aprinderea prin sc�nteie care trebuie efectuat� mai ales la rota�ii sc�zute sau c�nd motorul e rece. La adresa acestor provoc�ri Fairchild a dezvoltat familia de tranzistoare IGBT EcoSPARK (Ignition IGBTs), care pot oferi o tensiune de satura�ie mic� la cea mai mare capacitate de energie disipat� pe unitatea de suprafa�� din industrie.

Dar care comutator static (MOSFET sau IGBT) este mai bun f�r� o interfa�� corespunz�toare �ntre circuitul de control �i comutator? Din acest motiv Fairchild a creat familia de drivere de �nalt� tensiune FAN708x, care pot fi direc�ionate spre aplica�ii de control a injec�iei directe. Ace�tia au construit HDG4, un proces dedicat de �nalt� tensiune, cu izolarea galvanic�. Folosind un brevet de inven�ie au pus la punct o metod� de realizare a unor drivere mai pu�in sensibile la zgomot dec�t dispozitivele concurente, admit tensiunii tranzitorii negative mai mult de -10V �i prezint� cel mai mic curent rezidual (repaus) din industria caracteristica. �n plus, timpul de �nt�rziere �i pragurile sunt aproape independente de temperatur� elimin�nd eventualele varia�ii �n ciclul de execu�ie a aplica�iei, care pot cauza varia�ii ale cantit��i de combustibil injectat.

Pentru a evita suprapunerea comuta�iei �n etajul de putere, FAN7080 include o func�ie programabila a timpului mort. Suprapunerea comuta�iei �n etajul de putere nu numai va reduce eficien�a acestuia ci este �i un poten�ial risc pentru comutatoarele statice, care vor trebui s� evite acest regim �i din motive EMI. Cu toate acestea, timpul mort controleaz� doar direc�ia curentului �n etajul de putere �i evit� cre�terea puterii disipate de tranzistoare peste cea maxim� admis�, contribuind astfel la men�inerea, �n limite admise, a mediei timpului de bun� func�ionare a etajului. Datorit� dispersiei caracteristicilor tranzistoarelor, prezen�a timpului mort este inevitabil� iar cea mai mic� valoare a sa poate fi comb�tut� prin includerea in etajul de putere, �n drena sau sursa tranzistoarelor, a unor rezisten�e de valoare ohmic� sc�zut�. Dac� nu sunt luate �n considerare aceste m�suri, inclusiv diminuarea timpului mort, se poate compromite sau chiar reduce drastic fiabilitatea tranzistoarelor. Re�ine�i, de asemenea, c� tensiunea de autoinduc�ie generat� de bobinele injectorului genereaz� un curent invers prin corpul tranzistorului �i ca atare, �i acest aspect va trebui luat �n considerare! O aten�ie special� trebuie acordat� �i PCB-ului. Experien�a arat� c�, �n cele mai multe cazuri, atunci c�nd clien�ii se pl�ng de fiabilitate nesadisf�c�toare a etajului de putere �i e�ecurile neexplicabile ale pornirii motorului, o dispunere necorespunz�toare a componentelor pe circuitul imprimat (PCB) �i un management termic defectuos, sunt de cele mai multe ori cauza principal�.

�n figura 3 este prezentat un exemplu de circuit H-bridge conectat pe sarcina inductiv�. Dac� Q2 �i Q3 sunt �n satura�ie atunci curentul de sarcin� parcurge aceste tranzistoare. Curentul se anuleaz� prin aceste tranzistoare atunci c�nd Q1 �i Q4 sunt saturate. Tranzistoarele impun direc�ia curentului prin inductan��. Pe parcursul timpului mort, curentul (IOFF) se scurge de la sol prin diodele tranzistoarelor Q1 �i Q4. �n clipa c�nd Q2 �i Q3 intr� din nou �n satura�ie, un supracurent va circula prin corpul diodei tranzistorului Q1 �i Q3. Acest curent invers reprezint� un stres semnificativ pentru Q3, pentru c� trebuie s� absoarb� tensiunea invers� tranzitorie apropiat� de poten�ialul VBIAS. Altfel spus, �n acest timp, tranzistorul Q3 spunem c� este solicitat �n tensiune.

Presupun�nd c� tranzistorul Q3 poate tolera aceste supratensiuni, exist� un alt risc: dac� curentul invers se �ntrerupe brusc, nodul A se apropie de poten�ialul p�m�ntului �i va fluctua fa�� de mas� ca rezultat a parazit�rii circuitului. Aceast� fluctua�ie poate distruge etajul de ie�ire, �n cazul �n care este permis s� dep�easc� valorile maxime admise. Controlul corespunz�tor a layout-ului PCB-ului, prin realizarea unor planuri de masa de impedan�� sc�zut�, trasee separate de mas� pentru driver �i partea de for��, precum �i ad�ugarea unor rezistoare �n grila tranzistoarelor (RGATE) �i pe linia de referin�� a sursei (RSOURCE), va rezolva aceast� problem�.

Un proiect PCB bun va avea poarta driver-ului amplasat� c�t mai aproape de grila tranzistoarelor de putere prin intermediul unui traseu de cel mult 1 inch lungime. Atunci c�nd se utilizeaz� placi separate pentru etajul de putere �i de control, traseele de comand� pe poart� a tranzistoarelor nu vor trece NICIODATA prin aceea�i conectori (ideal ar fi sa nu avem comanda prin conectori). �n cazuri extreme, introducerea unui circuit snubber poate fi necesar pentru a preveni suprasolicitarea aparatului.

De asemenea, o contribu�ie semnificativ� la consumul de combustibil este legat� �i de func�iile suplimentare ale motorului. Prin �nlocuirea componentelor mecanice cu sisteme electrice randamentul ar putea fi �n continuare �mbun�t��it. Folosirea unui ventilator cu motor brushless pentru r�cirea motorului, un control precis �i cre�terea debitului de aer, va permite reducerea volumului lichidului de r�cire a motorului termic. Acest lucru va conduce la o varia�ie �n limite mult mai str�nse a temperaturii de func�ionare a motorului termic. Mic�orarea varia�iei temperaturii de func�ionare va reduce emisiile �i va cre�te durata de via�a a motorului. O alt� contribu�ie vine de la utilizarea unui sistem electric pentru controlul pompei de r�cire. Doar introducerea ventilatoarelor cu tura�ie reglabil�, optimizate pentru r�cirea motorului, poate reduce consumul de carburant al unui automobil de dimensiune medie cu circa 3% [1].

�n cele din urm�, ce �mbun�t��iri globale s-au realizat sau se pot ob�ine pentru gestionarea corect� �i �ngrijit� a motorului termic ?

Noul motor diesel Citroen C6 DPFS240 dezvolt� 177kW la 3800rpm, �n cre�tere cu 18%. Cuplul este de 422Nm la 1500rpm, care este cu 17% mai mare dec�t la motorul de genera�ia anterioar�. �n acela�i timp, consumul de carburant �i emisiile de CO2 sunt reduse cu 15% [2] Motorul E240CGI de la Mercedes-Benz �n noul E-Class produce 150kW �i 310Nm, cu 26% mai mult fa�� de unit��ile V6 produse anterior, cu un consum de combustibil �i a emisiilor de CO2 redus cu mai mult de 20% [3]. Acest fapt conduce la concluzia c� eforturile �ntreprinse de inginerie nu au fost �n zadar. Automatizarea electronic� a sistemului de control �i a func�iilor direc�iei, cum ar fi puterea si controlul temperaturii, sunt reperele prezente �i viitoare pentru �mbun�t��irea randamentului total general.

Bibliografie:

[1] Automobilindustrie, No.6, 1998 (1) Automobilindustrie, nr.6, 1998
[2] ATZ online, June 2009, www.atzonline.com (2) ATZ online, iunie 2009, www.atzonline.com
[3] Automotive engineering, June 2009, p.7 (3) Engineering Automotive, iunie 2009, p.7
[4] http://www.automotivedesignline.com

Tiristorul

Fri, 10 Jul 2009 23:52:10 -0700

1. Generalit��i
Tiristorul este realizat dintr-un cristal de siliciu cu patru zone alternate ca polaritate PNPN (fig.1). Aceste zone dau na�tere la trei jonc�iuni (J₁, J₂, J₃), lucru care face ca tiristorul s� aib� ca schem� echivalent� dou� tranzistoare, unui PNP �i altul NPN.

Zonele extreme P₁ �i N₂ reprezint� anodul (A - "anode") respectiv catodul (K – "cathode"). Zona P₂ apropiat� de catod se conecteaz� la electrodul de comand� numit gril� sau poart� (G - gate). Datorit� acestei configura�ii, tiristorul se mai nume�te �i diod� redresoare comandat�. Caracteristica de func�ionare a tiristorului este prezentat� �n figura 2.

Asignarea pinilor pe diferite tipuri de capsule in care se prezint� tiristoarele este reprezentat� �n figura 3.

2. Semnifica�ia parametrilor de catalog

Principalii parametri electrici ai tiristorului sunt:

tensiunea de strapungere in direct, V_BR[V] (V_DRM [V]);
tensiunea de poarta, de amorsare, V_GT[V];
tensiunea inversa continua: V_R, V_RM sau V_RRM [V];
curentul continuu direct de poarta, de amorsare, I_GT[A];
curentul anodic direct mediu, I_FAV [A].

Pentru aplicatii sunt importanti si urmatorii parametri:

curentul continuu direct de mentinere, I_H(I_HOLD)[A];
curentul de acrosaj, I_L (I_LATCH)[A];
viteza critica de crestere a curentului anodic, di/dt [A/µs];
viteza de crestere a tensiunii anodice, dv/dt [V/µs];
timp de dezamorsare prin comutarea circuitului, t_q [s].

a. Parametrul I_H caracterizeaza trecerea tiristorului din starea de conduc�ie �n starea de blocare. Daca se mic�oreaz� curentul anodic printr-un tiristor amorsat, exista o valoare critica a acestuia pentru care tiristorul iese din conductie �i se blocheaza. Valoarea critica a curentului anodic pentru care tiristorul dezamorseaz� se numeste curent de men�inere. Dac� tensiunea aplicat� �ntre anod �i catod este alternativ�, iar poarta este atacat� �n impulsuri sincrone cu frecven�a tensiunii anodice, atunci tiristorul amorseaz� pentru fiecare semialternant� pozitiv� a tensiunii anod-catod �i dezamorseaza pentru semialternan�ele negative. Cunoscand I_H se poate determina momentul de tip din semialternanta pozitiva in care tiristorul dezamorseaza.

b. Parametrul I_L caracterizeaza trecerea tiristorului din starea de blocare in starea de conductie. La aplicarea unui impuls pozitiv pre poarta, curentul anodic incepe sa creasca de la 0 la valoarea maxima pe care i-o ing�duie� rezisten�a circuitului exterior. Dac� impulsul pe poarta se �ntrerupe inainte de a ajunge curentul anodic la o valoare critica, atunci tiristorul nu amorseaza. Valoarea critica a curentului anodic pentru care tiristorul amorseaza chiar daca se intrerupe semnalul pe poarta se numeste curent de acrosaj.

Observatie: Cunoasterea lui I_L este necesara pentru determinarea duratei minime a impulsului pe poarta.

c. Viteza critica de cre�tere a curentului anodic (di/dt). La amorsarea unui tiristor, tensiunea la bornele sale nu cade instantaneu la zero �i curentul creste dupa o lege care depinde de impedan�a circuitului exterior. Puterea disipat� de tiristor este cu at�t mai mare cu c�t curentul anodic cre�te mai repede. �n momentul amors�rii, conduc�ia se face �ntr-o zon� mic� �n jurul por�ii. Ca urmare, densitatea de curent e mare. Daca puterea necesara disipata dep�e�te puterea disipat� maxima a dispozitivului, acesta se distruge.

d. Viteza de crestere a tensiunii (dv/dt). O viteza excesiva de cre�tere a tensiunii anodice poate duce la deschiderea tiristorului in absen�a semnalului de poarta la o valoare mai mica decat V_BO. Acest fenomen se datoreaza capacitatii interne a tiristorului, care se incarca la un curent i=c·dV/dt. Acest curent poate fi suficient, daca dV/dt e mare, pentru a declansa amorsarea.

Daca viteza de variatie a tensiunii anodice este mare (de exemplu cea data de bobina de inductie de la automobile pentru un circuit de aprindere electronica cu tiristor), atunci tiristorul se deschide prin efect dV/dt si se poate distruge prin efect dI/dt. Valoare curentului de acrosaj, I_L, este mai mare decat valoarea curentului de mentinere, I_H, pentru un tiristor dat.

3. Func�ionarea tiristorului

Modul de functionare al tiristorului este ilustrat de caracteristica tensiune anodica-curent anodic (fig.2). �n func�ie de polarizarea anod-catod, exist� doua regimuri de func�ionare. Daca se aplica o tensiune continua �ntre anod si catod, tiristorul ramane blocat, indiferent de sensul acesteia. M�rind tensiunea aplicata, at�t �n polarizare directa (anodul pozitiv), c�t �i �n polarizare inversa (catodul pozitiv), tiristorul ramane blocat p�n� la o anumita valoare la care se str�punge, curentul prin el cresc�nd foarte mult. Valoarea tensiunii anodice la care tiristorul se strapunge atunci c�nd este blocat invers se nume�te tensiune invers� continu�.

Astfel, regimul invers este caracterizat de aplicarea unei tensiuni cu minus pe anod �i plus pe catod (UR). Jonc�iunile J1 J3 sunt polarizate invers iar J2 direct. Curentul care circul�, este un curent invers IR foarte mic. Dac� UR atinge un prag URg, va avea Ioc un fenomen de avalan�� care duce la str�pungerea jonc�iunilor J1, J3 �i prin tiristor va curge un curent mare (J2 este polarizat� direct). Acesta, pentru ca tiristorul s� nu se distrug�, va trebui s� fie limitat de circuitul exterior.

Dac� tensiunea de polarizare se aplic� cu plusul pe anod �i minusul pe catod, tiristorul va func�iona �n regim polarizat direct. Jonc�iunile J1, J3 sunt polarizate direct iar J2, invers. C�nd tensiunea UAK este sub o anumit� limit�, curentul direct (Id) care circul� este foarte mie �i tiristorul este blocat. Prin amorsarea tiristorului se �n�elege procesul de trecere de la starea de blocare la starea de conduc�ie.

Acesta poate avea loc �n mai multe moduri (fig. 2):
— Amorsarea prin cre�terea- tensiunii U_AK. Dac� tensiunea U_AKcre�te peste o valoare U_BO jonc�iunea central� J₂ se str�punge prin multiplicarea �n avalan�� a purt�torilor de sarcin�. Prin tiristor va. curge un curent mare, numit curent direct de conduc�ie (I_F) care pentru a nu se distruge tiristorul, va trebui limitat de circuitul exterior. Odat� amorsarea produs�, tensiunea U_AK va sc�dea. Din motive termice, amorsarea prin cre�terea tensiunii U_AK nu se utilizeaz� �n practic�.
— Amorsarea prin curent de poart�. Dac� �ntre poart� �i catod se aplic� o tensiune UGK care polarizeaz� direct jonc�iunea J_3, atunci are loc o injec�ie de curent IG, prin electrodul de comand�. Tranzistorul T₂intr� �n conduc�ie inject�nd electroni �n baza tranzistorului T₁care va �ncepe �i el s� conduc�. Din fig.1 �i 2 se vede c� I_C1 este o component� a curentului de baz� al tranzistorului T₁. Dac� acesta dep�e�te o anumit� valoare, el poate con�ine singur tiristorul amorsat chiar dac� se suprim� curentul de poart� I_G. Amorsarea tiristorului prin curent de poart� este amorsarea normal� utilizat� �n practic�. Cu c�t curentul de poart� este mai mare, cu at�t deschiderea tiristorului are loc la tensiuni U_AK mai mici.
— Amorsarea prin varia�ia rapid� a tensiunii U_AK. Const� �n aplicarea unei tensiuni U_AK mai mic� ca U_B0 dar cu o varia�ie foarte rapid� �n timp. Jonc�iunea central� J₂, fiind o jonc�iune polarizat� invers, prezint� o capacitate de barier�. Dac� se presupune c� tensiunea anodic� variaz� �n timp cu viteza ∆U_AK/∆t (regim de impulsuri) atunci aceast� capacitate se �ncarc� cu un curent i=C_b∙∆U_AK/∆t. La viteze excesiv de mari ale tensiunii anodice, curentul prin tiiristor poate deveni suficient de mare pentru a produce amorsarea �n absen�a semnalului de poart� chiar dac� U_AK < U_BO. �n cataloage este specificat� valoarea (∆U_AK/∆t) max. �i ea reprezint� o valoare limit� absolut�. Protec�ia la varia�ii rapide ale tensiunii se face practic prin montarea in paralel de circuite RC cu valorile uzuale: R = 50...1000 Ω si C = 0,1...5μF.
— Amorsarea prin cre�terea temperaturii. Pe baza schemei echivalente din fig.1 putem observa c� datorit� cre�terii excesive a temperaturii jonc�iunilor, curen�ii reziduali I_CB01 �i I_CBO2 se pot m�ri p�n� la o valoare suficient� pentru o amorsare chiar �n absen�a curentului de poart� I_G.

Un parametru important este curentul de men�inere I_H. Acesta caracterizeaz� trecerea tiristorului din starea de conduc�ie �n starea de blocare. Astfel dac� la un tiristor odat� amorsat, curentul direct (I_F) scade de la o valoare I_F1 la o valoare critic� I_H, el va r�m�ne �n aceast� stare. Sc�z�nd �ns� sub valoarea Iui I_H, el se dezamorseaz�. Din acest punct de vedere trebuie f�cut� observa�ia c� un tiristor amorsat, poate fi trecut �n starea de blocare prin inversarea polarit��ii tensiunii U_AK (f�r� a fi dep�it� tensiunea invers� admis� U_Rs) sau prin anularea ei. La utilizarea tiristoarelor �n regim de comuta�ie, pentru amorsare se pot aplica pe poart� impulsuri cu fronturi abrupte. Tensiunea la borne �ns� nu scade brusc aproape de zero, iar curentul va cre�te dup� o lege care depinde de configura�ia circuitului exterior. �n acest timp tranzitoriu, puterea disipat� este mare fiind propor�ional� cu viteza de varia�ie a curentului ∆i/∆t. De aceea �n cataloage se define�te un alt parametru limit� numit viteza critic� de cre�tere a curentului anodic: (∆i/∆t)max. Reducerea vitezei de cre�tere a curentului se face �n mod concret prin montarea de inductan�e �n serie.

Tiristorul reprezint� un dispozitiv semiconductor cu mare fiabilitate fiind utilizat in industrie la comanda �i reglarea tensiunilor �i curen�ilor.

4. Circuite de reducere a gradientului de curent

Gradientul de cre�tere sau descre�tere a curentului printr-un semiconductor este, �n general, determinat de sarcin�. Exist� o limit� a valorii maxime a gradientului din motivele expuse anterior. Se consider� circuitul din fig.4 alimentat de la o surs� de c.c., U.

Consider�nd L_S = 0, varia�ia curentului prin circuit la intrarea �n conduc�ie a tiristorului T este furnizat� de ecua�ia diferen�ial�:

a c�rei solu�ie este:

unde constanta de timp a circuitului:

Forma de varia�ie a curentului �i gradientul de curent sunt prezentate �n fig.5, curbele 1 �i 1’.

Mic�orarea gradientului de curent se poate atinge numai prin m�rirea inductivit��ii din circuit, respectiv prin introducerea inductivit��ii suplimentare LS. �n acest caz, proced�nd ca mai sus, rezult� un gradient de curent:

noile varia�ii fiind reprezentate prin curbele 2 �i 2’ din fig.5.

Introducerea bobinei suplimentare L_S are �ns� unele inconveniente:

av�nd �i o rezisten�� proprie aceasta conduce la diminuarea randamentului conversiei, prin pierderile de putere pe care le produce;
prezen�a ei �n circuit conduce la mic�orarea tensiunii disponibile pe sarcina R+L;
la varia�ii ale curentului i(t) produce supratensiuni de forma:
care solicit� suplimentar semiconductorul (tiristorul).

�

Pentru limitarea acestor suprasarcini se prevede circuitul de desc�rcare a energiei acumulate format din dioda n_S �i rezistorul R_S. Dimensionarea acestui circuit se face �n func�ie de nivelul supratensiunii admise. �n general sarcinile acestor convertoare sunt de tipul R+L �i limiteaz� gradientul de curent la valori sub cele admisibile. Totu�i se impune, pentru fiecare aplica�ie, verificarea valorii gradientului maxim �i prevederea, dac� este cazul, a circuitului de protec�ie.

5. Circuite de protec�ie la supratensiuni interne

Supratensiunile interne sunt produse �n procesul de comuta�ie din starea de conduc�ie �n starea blocat, fiind materializate prin tensiunea V_R. Pentru tiristoare este important �i gradientul de tensiune dv/dt, aplicat �n sens direct sau invers, care produce de asemenea efecte nedorite, mai ales �n capacit��ile parazite ale jonc�iunilor. Urmare a varia�iei gradientului de curent di/dt la momentul t₀, fig.6, supratensiunea produs� de inductivitatea L are o valoare apreciabil�, V_RM, �i un gradient �nsemnat, ambele fiind inadmisibile pentru diod� sau tiristor.

Reducerea tensiunii V_RM c�t �i a gradientului se realizeaz� prin plasarea �n paralel cu semiconductorul a unui circuit serie R – C (fig.6). Anterior momentului t₀, ca urmare a faptului c�:

condensatorul C este practic ne�nc�rcat, de�i tensiunea de alimentare are valoarea de regim sta�ionar U < 0.

�n momentul t₀ , ca urmare a cre�terii tensiunii u_T(t) , �ncepe �nc�rcarea condensatorului C prin circuitul serie R,L,C. �nc�rcarea este descris� de ecua�ia:

unde:

Ecua�ia� (7) poate fi analizat� din punct de vedere al varia�iei curentului i_R(t) �i a tensiunii u_T(t).
Pentru primul caz, utiliz�nd (8), ecua�ia (7) devine prin derivare:

cu condi�ia ini�ial� nenul�:

Varia�ia curentului i_R(t) depinde de polinomul caracteristic al ecua�iei (9), care este de forma

cu solu�ii de forma:

Cea mai convenabil� form� de varia�ie este de tipul aperiodic, c�nd:

care conduce la:

�

oferind o rela�ie pentru calculul rezisten�ei circuitului de protec�ie.

Pe de alt� parte, sarcina stocat� �n straturile tiristorului sau diodei, Q_s, care �n ultim� instan�� provoac� curentul I_RRM �i supratensiunea V_RM , trebuie, pentru a evita o valoare mare a tensiunii de autoinduc�ie a bobinei, s� fie preluat� de capacitatea C la un nivel de tensiune admisibil, de exemplu:

Preluarea sarcinii Qs� la nivelul de tensiune UM� conduce la determinarea valorii capacit��ii:

Varia�ia tensiunii la bornele tiristorului va fi dat� de ecua�ia:

ceea ce �nseamn� c� polinomul caracteristic al acestei ecua�ii este cel dat de rela�ia (11) �i forma de varia�ie a tensiunii de asemenea aperiodic� (curbele 1 din fig.7).

Se constat� c� odat� cu reducerea valorii maxime a supratensiunii la nivelul:

se produce �i o diminuare considerabil� a gradientului de tensiune.

�n func�ie de nivelul dorit pentru U_M precum �i a valorii gradientului de tensiune, se poate utiliza �i un r�spuns de tip periodic amortizat cu un grad de amortizare:

dorit. �n acest caz condi�ia pentru ecua�ia caracteristic� devine:

La reaplicarea tensiunii de alimentare cu polaritate pozitiv�, �n vederea unei noi intr�ri �n conduc�ie a tiristorului, tensiunea u_T(t) va cre�te exponen�ial cu constanta de timp:

Cre�terea cu �nt�rziere a tensiunii poate provoca ratarea intr�rii �n conduc�ie a tiristorului. Pentru a se evita acest lucru, uneori, se prevede dioda n �n paralel cu rezistorul R, care asigur� �nc�rcarea condensatorului C cu polaritatea invers� fa�� de cea din fig.7, practic instantaneu. La intrarea �n conduc�ie a tiristorului capacitatea�� C� se va desc�rca prin rezistorul R, dioda n fiind blocat�. �n acest fel se limiteaz� curentul de desc�rcare al capacit��ii, care suprapun�ndu-se peste curentul de sarcin�, poate conduce la cre�terea exagerat� a gradientului di(t)/dt, precum �i la o suprasolicitare termic�.

Circuitele de protec�ie la supratensiuni de comuta�ie se prev�d �ntotdeauna pentru tiristoare �i numai uneori pentru diode, condi�ionat de V_RRM diodei utilizate �i supratensiunile produse �n circuit.

6. Conectarea serie �i paralel a tiristoarelor

Pentru realizarea unor convertoare de curent mare se utilizeaz� diode �i tiristoare conectate �n deriva�ie, iar pentru tensiuni mari conexiune de tipul serie.

6.1 Conexiunea serie

Un circuit av�nd dou� tiristoare conectate �n serie este prezentat �n fig.8. Problema principal� a acestei conexiuni const� �n repartizarea egal� a c�derilor de tensiune pe cele dou� tiristoare, indiferent de regimul de func�ionare, adic�:

�n stare blocat� rezisten�a� anod-catod a tiristoarelor este de odinul M �i poate diferi destul de mult, chiar pentru tiristoare din aceea�i serie. Acest lucu poate conduce la dep�irea tensiunii inverse V_RRM pentru unele din tiristoare, �n timp ce altele sunt mai pu�in solicitate.

�n regim sta�ionar evitarea acestui inconvenient se realizeaz� prin montarea �n paralel a rezistoarelor de valoare egal� R_p, av�nd o rezisten�� de ordinul� KΩ, rezistoare care asigur� egalitatea din rela�ia (22).

Intrarea �n conduc�ie este caracterizat� prin aceea�i valoare a curentului I. Dac� unul dintre tiristoare are un timp de �nt�rziere t_dmai mare, evident c� puterea disipat� �n acesta va cre�te �i solicitarea termic� va fi inegal�. Simultaneitatea intr�rii �n conduc�ie este favorizat� dac� comanda este identic�, produs� de acela�i “generator”, iar impulsurile sunt de tip tare. Av�nd �n vedere valoarea mic� a timpului de intrare �n conduc�ie, t_ON, de ordinul μsec, efectul termic produs de nesimultaneitatea� intr�rii �n conduc�ie este neglijabil, nefiind necesare m�suri suplimentare de protejare.

Ie�irea din conduc�ie poate fi nesimetric� ca urmare a timpilor de recombinare diferi�i:

�n acest caz este posibil ca unul din tiristoare s� se blocheze mai repede prelu�nd �ntreaga tensiune U de alimentare, ca urmare a faptului c� al doilea tiristor se afl� �nc� �n intervalul de stocare. Av�nd �n vedere �i supratensiunea de comuta�ie V_RM , solicitarea este mult peste limitele admisibile. Pentru a se evita acest lucru se prev�d dou� m�suri:

circuite de protec�ie individuale R-C, dimensionate c�t mai riguros cu putin��;
prevederea bobinei L �n serie cu tiristoarele pentru a �nt�rzia sc�derea curentului prin circuit, astfel �nc�t s� existe timpul necesar pentru lucrul circuitelor de protec�ie R-C �i a favoriza recombinarea purt�torilor.

Se realizeaz� �n mod frecvent re�ele cu mai multe tiristoare �n serie pentru convertoarele de �nalt� tensiune din energetic�.

6.2 Conexiunea deriva�ie

Problema principal� a conexiunii deriva�ie, fig.9, const� �n echilibrarea reparti�iei curentului prin cele dou� tiristoare, adic�:

Problema este relativ dificil� ca urmare a dispersiei caracteristicilor curent-tensiune a tiristoarelor, precum �i a varia�iei acestora cu temperatura.

Astfel �n fig.10 sunt prezentate aceste caracteristici pentru dou� tiristoare. Func�ion�nd la aceea�i tensiune anod-catod, V_ON, datorit� diferen�ei �ntre caracteristici curen�ii prin cele dou� tiristoare sunt diferi�i, av�nd valorile I₁ �i I₂. Curentul I₁ fiind mai mare dec�t� I₂ , tiristorul T₁ se �nc�lze�te mai mult �i caracteristica lui se modific� dup� T1’, put�nd produce o dezechilibrare mai mare a curen�ilor, de la I₁ la I₁’ , fenomenul conduc�nd la amorsarea termic� a tiristorului T₁.

Pentru a se dimunua acest efect se iau mai multe m�suri:

alegerea unor tiristoare cu caracteristici c�t mai apropiate, utiliz�nd a�a numita �mperechere;
plasarea tiristoarelor pe radiatoare comune pentru a evita varia�ia diferit� a caracteristicilor cu temperatur�;
realizarea conexiunilor �ntre punctele A �i B, fig.11,� de rezisten�� egal�.

Chiar �i �n aceste condi�ii r�m�ne posibilitatea unor dezechilibre, motiv pentru care la dimensionarea tiristoarelor se adopt� un curent mai mare dec�t cel real. Dezechilibrele pot apare �i �n regimurile dinamice de intrare �i ie�ire din conduc�ie, efectele fiind tot de natur� termic�. Solu�ia cea mai utilizat� �n prezent const� �n conectarea tiristoarelor prin divizoare anodice, solu�ie exemplificat� pentru dou� tiristoare �n paralel prin fig.11. Divizorul anodic este format din dou� bobine L, identice �i av�nd cuplajul mutual� M < 0.

7. Dispozitive semiconductoare �nrudite cu tiristorul

Dispozitive semiconductoare �nrudite cu tiristorul sunt triacul �i diacul. Triacul este un dispozitiv analog cu dou� tiristoare montate �n paralei �i �n antifaz� realizate pe acela�i cristal de siliciu. Are o singur� poart� �i poate fi amorsat at�t prin impulsuri pozitive c�t �i negative. Spre deosebire de tiristor, triacul conduce curentul �n ambele sensuri �i de aceea se utilizeaz� cu prec�dere �n circuite de ca. neredresat.

Diacul reprezint� o diod� cu conduc�ie �n ambele sensuri. Caracteristica curent-tensiune se aseam�n� cu aceea a dou� tiristoare montate �n paralel �i �n antifaz� f�r� poart�. Amorsarea curentului se face prin dep�irea pragului (U_BR) de �ntoarcere al caracteristicii. Se utilizeaz� la comanda tiristoarelor si triacelor.

Tiristorul GTO

Tiristorul obi�nuit, ca urmare a propriet��ilor sale de a suporta tensiuni �i curen�i mari, este comutatorul static aproape ideal pentru convertoarele de mare putere. Inconvenientul esen�ial al acestui dispozitiv const� �n imposibilitatea de a comanda pe poart� blocarea conduc�iei. Plec�nd de la tiristorul obi�nuit s-a dezvoltat tiristorul GTO, cu blocare pe poart�, care preia o serie din avantajele tiristorului obi�nuit, introduc�nd �ns� �i o serie de compromisuri.

8. Aplica�ii practice

Una dintre aplica�iile cele mai frecvente ale tiristorului este redresarea comandat�. �n fig.12 este prezentat� o schem� simpl� pentru aceast� aplica�ie. La intrarea circuitului se aplic� o tensiune alternativ� periodic�, u, a c�rei amplitudine este mai mic� dec�t tensiunea de str�pungere. Pe poart� se aplic� impulsuri pozitive, u_c, cu aceea�i perioad� ca �i a semnalului comandat.

Dac� �n momentele aplic�rii impulsurilor exist� corela�ia corespunz�toare �ntre m�rimea tensiunii comandate �i amplitudinea impulsului de comand�, tiristorul se va deschide �i prin circuit va �ncepe s� circule curentul i care urm�re�te forma tensiunii u (admitem faptul ca nu avem elemente reactive care s� produc� defazaj). La schimbarea polarit��ii tensiunii de intrare curentul se va “stinge”. Apoi, procesul se repet� periodic. Formele de und� ale celor trei semnale sunt prezentate �n fig.12b. Curentul prin circuit va avea forma unui semnal redresat monoalterna�� cu un factor de umplere sub 50%. M�rimea factorului de umplere poate fi modificat� at�t prin modificarea defazajului dintre semnalul de comand� �i semnalul redresat c�t �i a amplitudinii sale, astfel �nc�t �n momentul aplic�rii unui impuls de aprindere s� fie �ndeplinit� condi�ia de amorsare.

9. Exemplu practic:

10. C�teva exemple de tiristoare:

Bibliografie
[1] – "Diode si tiristoare de putere - Performante" - Bodea; Dan; Iosif, Editura Tehnica, Bucuresti, 1989
[2] – "Ini�iere in tiristoare" - J.H.Bernhard B.Knuppertz, Editura Tehnica, Bucuresti, 1974
[3] – “Electronica de Putere”, Note de curs.

Automate programabile

Wed, 20 May 2009 09:37:06 -0700

1.�� Introducere

Sistemele automate de control a proceselor sunt un conglomerat de dispozitive electronice� care confer� stabilitate, acurate�e �i performan��. Sistemele de operare pot avea diverse forme de implementare pornind de la surse de alimentare �i p�n� la ma�ini. Fiind un rezultat rapid a progresului tehnologic, cele mai complexe opera�ii au fost rezolvate prin conectarea �n sistem a unor automate programabile �i unit��i centrale de proces. Aceste automate programabile (PLC - Programabille Logic Controller), a�a cum le vom denumi �n continuoare, pe l�ng� conexiunile cu instrumentele de m�sur� �i senzorii din procesul de automatizare, va trebui s� permit� comanda intregului proces �i ceea ce este �i important, s� comunice operatorului st�rile procesului prin semnale vizuale �i sunet �i/sau printr-o re�ea de comunica�ie la un computer local. Aceste caracteristici permit exploatarea automatiz�ri la un �nalt grad de flexibilitate, prin schimbarea �i monitorizarea mult mai comod� a parametrilor de baz� a procesului.

Fiecare component� din sistemul de control a procesului joac� un anumit rol, �n concordan�� cu importan�a sa. Spre exemplu, f�r� niciun senzor, PLC-urile nu ar putea �tii modul de varia�ie �n timp a parametrilor principali ai procesului (considera�i parametri de intrare). �n sistemele automate, PLC-urile sunt partea central� a sistemului de control sau a automatiz�rii.

Prin executarea programului �nregistrat �n memorie, PLC-ul monitorizeaz� �n mod continuu st�rile sistemului prin recep�ia semnalelor de la dispozitivele de intrare (senzori). Pe baza logici implementat� �n program PLC-ul determin� ce ac�iune trebuie executat� pentru a c-da un instrument. Pentru a comanda mai multe procese simultan este posibil s� conect�m mai multe PLC-uri la o unitate central� (un calculator). Un astfel de sistem este prezentat �n fig.1.

2. Panouri de automatizare clasice

La �nceputul revolu�iei industriale, �n special �n perioada anilor ’60, ’70, releele electromagnetice erau folosite la automatizarea proceselor sau a panourilor de automatizare, lucru ce necesita o densitate de cabluri foarte mare pentru interconectarea releelor. �n anumite cazuri panoul de automatizare acoperea un perete �ntreg. Descoperirea unei erorii �n sistemul de automatizare necesita foarte mult timp, cu at�t mai mult cu c�t cre�te �i complexitatea instala�iei de automatizare.

�n topul cauzelor defect�rii sistemului de automatiz�re este releul electromagnetic, cu o durat� de via�� limitat� datorat� construc�iei �i modului de operare. Deci, deranjamentele survenite �n instala�iei erau cu preponderen�� cauzate de fiabilitatea sc�zut� a releelor din panoul de automatizare, fapt ce se concluziona prin �nlocuirea frecvent� a acestora. �nlocuirea frecvent� a releelor conduce �i la oprirea produc�iei. �ntre�inerea era costisitoare, suprasolicit�nd �i cei mai dibaci electricieni �n depistarea �i �nl�turarea defectului.

De regul�, un panou de automatizare era folosit pentru conducerea unui singur proces �i nu putea fi adaptat pentru cerin�ele noi tehnologii de lucru. �ntr-un cuv�nt, panourile de automatizare conven�ionale se dovedesc inflexibile, deoarece �mbun�t��irea parametrilor de lucru a sistemului de automatizare se realiza prin schimbarea topologiei de func�ionare a panoului �i chiar a unor piese componente (lucru de altfel costisitor). Un exemplu tipic de panou de automatizare conven�ional este prezentat �n fig.2.

�n fig.2 o s� observa�i un num�r destul de larg de cabluri �i conductoare electrice, relee (de timp, intermediare…) �i alte elemente dintr-un panou de automatizare din perioada respectiv�.� Panoul de automatizare din fig.2 nu este foarte complex a�a cum sunt sau au fost unele panouri conven�ionale �n perioada respectiv�, dar cred c� v� pute�i imagina unul mult mai complex!

Cele mai importante dezavantaje ale panourilor de automatizare conven�ionale sunt:

manopera costisitoare pentru interconectarea conductoarelor;
dificult��i �n schimbarea sau �nlocuirea componentelor;
dificult��i �n g�sirea erorilor – necesit� for�� de munc� cu experien�� vast� �i calificat�;
atunci c�nd survine o problem�, timpul pentru remediere nu se poate stabili cu exactitate, acesta fiind �n majoritatea cazurilor lung.

3. Panouri de automatizare cu automate programabile

Odat� cu inven�ia automatului programabil, s-au schimbat foarte multe �n proiectarea sistemelor de control automate. Au ap�rut mai multe avantaje. Spre exemplu, �n fig.3 este prezentat un panou modern de automatizare cu automat programabil (PLC).

Avantajele panourilor de automatizare cu automate programabile se pot prezenta �n c�teva subpuncte:

�n compara�ie cu un panou de automatizare clasic, num�rul necesar de conductoare este redus cu 80%;
Consumul este foarte mult redus deoarece PLC-ul consum� mult mai pu�in dec�t releele din panoul de automatizare conven�ional;
Func�ia de detectare a erorilor din automatul programabil este foarte rapid� �i foarte u�or de utilizat;
Schimbarea secven�elor de operare din cadrul aplica�iei este diferit� de la proces la proces �i poate fi f�cut� foarte u�or �nlocuind sau modific�nd programul scris �n automatul programabil cu ajutorul unui PC (aceasta ac�iune nu necesit� schimbarea conductoarelor sau recablarea panoului de automatizare – a�a cum se �nt�mpla la panourile de automatizare clasice – ci se rezum� doar la interconectarea dispozitivelor necesare la intrarile �i/sau ie�irile PLC-ului);
Panourile de automatizare cu PLC necesit� c�teva piese de schimb;
Este mult mai ieftin �n compara�ie cu un sistem de automatizare clasic, deoarece fiind dotat cu un num�r larg de intr�ri-ie�iri, se poate conecta un num�r mare de periferice atunci c�nd se dore�te realizarea unor func�ii complexe;
Repunerea �n func�ie a unui PLC se face mult mai repede �i u�or dec�t orice releu electromecanic sau de timp.

Dintre dezavantajele lucrului cu automate programabile putem men�iona:

aplica�ii ‘fixe’: unele aplicatii nu au nevoie de automat programabil datorita gradului foarte mic de complexitate neexistand astfel necesitatea achizitionarii unui automat programabil relativ sofisticat;
probleme de mediu: in unele medii exista temperaturi ridicate sau alte conditii care pot duce la deteriorarea automatelor programabile astfel ca acestea sunt greu sau chiar imposibil de utilizat;
func�ionare ‘fixa’: daca nu apar schimbari in cadrul procesului de multe ori folosirea automatului poate fi mai costisitoare.

4. Etapele proiect�rii sistemelor de control automate

a). Mai �nt�i, va trebui s� adopta�i un instrument sau un sistem pe care dori�i s�-l automatiza�i.� Sistemul automatizat poate s� fie o ma�in� sau un proces mai mult sau mai pu�in complex. La intr�rile sistemului va trebui sa conecta�i dispozitivele de intrare (senzori �i/sau traductoare) care vor trebui sa transmit� semnalele corespunz�toare la un automat programabil (PLC). Ca r�spuns la aceste semnale, PLC-ul expedieaza un semnal, ca rezultat, la un dispozitiv extern (numit �i de execu�ie), care controleaz� func�ionarea sistemului sau procesului dup� diagrama de func�ionare dorit�. Aceast� diagram� poate con�ine unul sau mai multe cicluri de func�ionare a procesului.

b). �n al doilea r�nd, va trebui s� specifica�i toate instrumentele de intrare �i ie�ire care vor fi conectate la automatul programabil. Dispozitivele de intrare sunt comutatoare diverse, senzorii de temperatura, presiune �i alte tipuri de traductoare. Dispozitivele de ie�ire pot fi: bobine, valve electromagnetice, motoare, relee, instrumente de lumin� �i sunet etc. Urm�nd identificarea tuturor intr�rilor �i ie�irilor, dup� aceea acestea pot fi foarte u�or implementate �n programul PLC-ului. Alocarea intr�rilor �i ie�irilor este o etapa important� �n realizarea propriu-zis� a programului. Pentru a u�ura identificarea acestora, fiec�rei intr�rii �i ie�iri i se alege o denumire �n corela�ie cu func�ia preluat� sau executat� de automatul programabil.

c). Aceast� etap� const� �n elaborarea programului ce urmeaz� s� fie implementat �n memoria automatului programabil. Cea mai simpl� metod� const� �n elaborarea programului �n mediul ladder diagram. Dar ca s� face�i acest lucru va trebui pentru �nceput s� v� alege�i un automat programabil �i un program de dezvoltare a aplica�iilor ce permite lucrul �n modul ladder diagram. De regul�, orice produc�tor de automate programabile ofer� propria solu�ie software pentru programarea PLC-ului produs. Nu o s� pute�i folosi un soft de la un produc�tor ca s� programa�i un PLC de la un alt produc�tor. Mai intervine aici �i incompatibilitatea solu�iei de interconectare a echipamentelor (PC-PLC), diferit� de la produc�tor la produc�tor de automate programabile. Dup� realizarea programului acesta este scris �n memoria PLC-ului. De regul�, �n cazul proceselor industriale complexe, inainte s� fie implementat �n automatizare, dup� ce este programat, PLC-ul este testat pe un stand independent. Pe acest stand sunt depistate eventualele erori �i apoi eliminate. Aceast� metod� este �nt�lnit� cu prec�dere �n cazul “automatiz�rilor prototip”.

5. Generalit��i privind construc�ia �i func�ionarea PLC-urilor

Industria a �nceput s� recunoasc� necesitatea �mbun�t��irii �i cre�terea productivit��ii �n perioada anilor ’60, ’70. Flexibilitatea a devenit de asemenea o preocupare major� (capacitatea de a schimba rapid starile procesului �i a remedia deranjamentul a devenit o cerin�� foarte important� pentru sadisfac�ia clientului).

�ncerca�i s� v� imagina�i o linie de produc�ie automatizat� din anii ’60, ’70. Aceast� automatizare con�ine un num�r destul de mare de cabluri electrice pentru controlul automatiz�rii �i �n multe cazuri, acoper� o suprafa�� mare. Panoul clasic de automatizare con�ine un num�r semnificativ de relee electromagnetice care realizeaz� munca �ntregului sistem. Totu�i, metoda clasic� de cablare a panoului sau panourilor de automatizare implica existen�a un personal de �ntre�inere �i punere �n func�ie foarte calificat, personal care ar trebui s� cunoasc� schema de automatizare �i s� interconecteze, cu ajutorul cablurilor, releele.

Un inginer trebuia s� conceap� logic schema iar un electrician, av�nd schema �n fa��, trebuia s� o implementeze cabl�nd corespunz�tor releele. Unele scheme con�ineau peste o sut� de relee electromagnetice de diferite tipuri. Planul dup� care executa cablarea panoului de automatizare electricianul se numea schem� monofilar� sau "ladder schematic". �n schema monofilar� era afi�ate toate componentele: comutatoare, senzori, valve, relee etc, pe care le g�sim �n sistemul de automatizare. Jobul electricianul era acela de interconectare a acestor componente.

Cea mai mare problema a acestei scheme de control o reprezenta releele electromagnetice. Instrumentele mecanice sunt cele mai predispuse uzurii datorit� p�r�ilor componente �n mi�care. Dac� un releu se defecta, electricianul trebuia s� verifice sau s� examineze �ntregul sistem (�ntregul sistemul trebuia oprit p�n� se depista �i �ndep�rta cauza deranjamentului). Deci, o alt� problem� a acestui tip de automatizare era timpul relativ mare a �ntreruperii func�ion�rii sistemului �n caz de deranjament. �n plus, dac� se dorea schimbarea ciclurilor de func�ionare a sistemului (chiar �i o schimbare minor�), acest lucru se realiza cu costuri majore �i pierderi mari de timp p�n� c�nd sistemul era din nou func�ional.

Nu este chiar a�a greu de imaginat ce se poate �nt�mpla dac� un inginer a f�cut c�teva gre�eli minore pe parcursul realiz�rii proiectului. Este de asemenea imaginabil ce se va �nt�mpla dac� electricianul ar gre�i �n c�teva puncte cablarea sistemului de automatizare. La final v� pute�i imagina c�teva componente defecte. Dup� aceea, ca s� afl�m dac� sistemul func�ioneaz�, va trebui s� test�m func�ionarea acestuia. Cum ini�ial �n proiect au fost strecurate gre�eli, �nclusiv de execu�ie, cu siguran�a sistemul de automatizare nu va func�iona. A�adar, aceast� solu�ie “clasic�” de execu�ie a sistemelor automate era foarte mult predispus� la conceperea unui lot de panouri de automatizare cu multe exemplare rebut. Introducerea automatelor programabile a eliminat din start acest dezavantaj.

5.1 Primul automat programabil

"General Motors" a fost prima companie care a recunoscut nevoia �nlocuirii tehnicii de cablare clasic� a panourilor de automatizare. �nlocuirea vechi tehnologii de cablare a panourilor de automatizare a sporit competi�ia produc�torilor de autoturisme prin cre�terea productivit��ii �i calit��i. Nu numai industria auto a avut de c�tigat de pe urma noii tehnologii. Flexibilitatea, �ntre�inerea ieftin� �i u�oar�, dar �i posibilitatea schimb�rii rapide a ciclurilor de produc�ie a devenit o necesitate crucial� �n actual� evolu�ie a economie de pia��.

Ideea companiei "General Motors" a constat �n implementarea logicii cablate �ntr-un microcalculator, logic� care a �nlocuit tehnica clasic� de cablare a releelor. �n majoritatea aplica�iilor, microcalculatorul are la baz� solu�ii cu microcontrolere pe 8 sau 16bi�i, �n func�ie de complexitatea sistemului de automatizare. Deci, calculatorul avea s� ia locul blocurilor sau panourilor de automatizare cu numeroase relee. Orice schimbarea a ciclurilor de operare sau de produc�ie se poate face foarte u�or modific�nd… programul scris �n automatul programabil. Deci, �n prezent, schimbarea schemei de comanda este mult mai comoda.

Totul a fost bine p�n� la punerea �n aplicare a tehnologiei, c�nd o nou� problem� a ap�rut �i anume aceea de a-i face pe electricieni s� accepte �i s�-�i �nsu�easc� func�ionarea sistemului de automatizare cu noile dispozitive. Sistemele sunt de regul� complexe �i necesit� cunoa�terea anumitor tehnici de programare. A fost un mare semn de �ntrebare dac� electricieni ar putea s�-�i �nsu�easc� tehnici de programare pe l�ng� atribu�iile ini�iale de serviciu. Divizia Hidromatic de la General Motors a recunoscut necesitatea implement�rii noii tehnologii �i astfel a pus bazele primului proiect cu automat programabil (au mai fost c�teva companii �n lume care au creeat dispozitive capabile s� controleze procese industriale, dar aceste dispozitive electronice erau ni�te simple controlere secven�iale �i nu PLC-uri a�a cum le cunoa�tem noi ast�zi).

Noile dispozitive trebuia s� aib� anumite caracteristici: s� func�ioneze corect �n medii industriale (vibra�ii, temperaturii ridicate, praf…), s� fie flexibile �i de dimensiuni reduse ca un computer �i s� permit� reprogramarea acestora daca se dorea realizarea altor opera�ii. Ultimul criteriu �i cel mai important era acela ca noile dispozitive s� poat� fi programate �i �ntre�inute u�or de c�tre electricieni �i tehnicieni. Dup� ce cerin�ele au fost trasate, General Motors a c�utat companii interesate care pot s� proiecteze aceste dispozitive �n corela�ie cu aplica�iile unde urma s� fie implementate.

"Gould Modicon" a dezvoltat primul dispozitiv care respecta aceste specifica�ii. Cheia succesului a fost aceea c� pentru programare nu era necesar �nv��area unui limbaj de programare. Programare se efectua �ntr-un limbaj asemenea schemelor clasice monofilare (ladder diagram), cu particularit��ile proprii. Din acest motiv electricieni �i tehnicieni puteau foarte u�or s� �nve�e programare deoarece schema logic� trasat� �n program era foarte asem�n�toare cu schema clasic�.

Ini�ial, PLC-urile s-au numit PC Controllers sau controlere programabile. Aceast� denumire se confunda de multe ori cu numele de calculator personal (PC). Pentru a elimina aceast� confuzie, denumirea “PC” a fost atribuit� doar calculatoarelor personale iar controlerele programabile s-au denumit “programmable logic controllers” sau simplu: PLC.

La �nceput PLC-urile au fost dispozitive simple. La intr�rile acestora erau conectate comutatoare, senzorii digitali etc, iar la ie�iri se comanda pornirea �i oprirea func�ion�rii altor dispozitive. C�nd au ap�rut primele PLC-uri acestea nu erau capabile s� controleze procese mai complexe, cum ar fi: controlul temperaturii, a pozi�iei, presiunii etc. Cu toate acestea, odat� cu trecerea anilor, au ap�rut �i PLC-uri care au fost capabile s� realizeze aceste func�ii. �n prezent, automatele programabile sunt capabile s� controleze procese foarte complexe, inclusiv controlul pozi�iei. Modul de realizare �i programare a acestora a fost mult �mbun�t��it. Au fost concepute module speciale care ata�ate PLC-ului pot l�rgi aria de operabilitate a acestuia. Un exemplu �n acest sens este modulul de comunica�ie, care permite interconectarea mai multor automate programabile. �n prezent este foarte greu s� ne imagin�m un proces care s� nu fie controlat de un automat programabil!

5.2 Componentele automatelor programabile

PLC-ul este actualmente un sistem industrial cu microcontroler (ini�ial a fost numit procesor �n loc de microcontroler) care se compune dintr-o partea hardware �i software specific� �i adaptat� s� func�ioneze �n medii industriale. Schema bloc este prezentat� �n fig.4. O aten�ie deosebit� trebuie acordat� separ�rii galvanice a microcontrolerului fa�� de partea de for�� i execu�ie din mediul industrial.

Componentele pot diferi ca numar de la un exemplar la altul dar elementele care se regasesc in general sunt urmatoarele:

unitatea centrala: reprezinta partea cea mai importanta a automatului programabil si este compusa din 3 parti importante: procesor, memorie si sursa de alimentare. Prin intermediul acesteia se realizeaza practic conducerea intregului proces;
unitatea de programare: la ora actuala este reprezentata in multe cazuri de catre un calculator prin intermediul caruia pot fi scrise programe care apoi sunt incarcate pe unitatea centrala si rulate. In cazul in care se doreste o unitate mai usor de manevrat sunt puse la dispozitia programatorilor(de catre majoritatea firmelor) console(sisteme de gen laptop) prin intermediul carora pot fi scrise programe pentru automate;
modulele de intrare/iesire: permit interconectarea cu procesul primind sau transmitand semnale catre acesta. Acestea pot cuplate direct cu unitatea centrala sau prin control la distanta (daca este cazul pentru un anumit proces);
sina: dispozitivul pe care sunt montate unitatea centrala, modulele de intrare/iesire si alte module functionale aditionale (daca este cazul).

5.3 Unitatea centrala de procesare – CPU

Unitatea central� de procesare (CPU) este creierul automatului programabil. CPU este �n mod uzual un microcontroler. Odinioar�, aceste microcontrolere erau pe 8 bi�i, cum ar fi 8051, iar actualmente sunt microcontrolere pe 16 sau 32 de bi�i. �n automate programabile de marc�, cum ar fi Siemens, Hitachi �i Fujitsu, o s� reg�si�i diferite tipuri de microcontrolere produse de diferite firme, cum ar fi Motorola. Modulul de comunica�ie este ata�at� la unul din porturile microcontrolerului. Automatele programabile au diferite rutine pentru verificare memoriei, asta din motive de siguran��. La modul general vorbind, unitatea general� de procesare efectueaz� o serie �ntreag� de rutine de verificare a st�rii tehnice a PLC-ului. Pentru semnalizarea diferitelor erori sau st�ri de func�ionare PLC-urile sunt dotate cu indicatori optici (diode luminiscente sau leduri).

5.4 Memoria

Memoria sistemului - actualmente de tip FLASH - este utilizat� de automatul programabil pentru stocarea programului folosit la controlul automatiz�rii. �nainte s� fie scris �n memorie, programul trebuie compilat, cu ajutorul altui program cu ajutorul c�ruia a fost scris� logica automatiz�rii �n leader diagram. Reprogramarea sau rescrierea memoriei se realizeaz�, de regul�, cu ajutorul unui cablu serial.
Memoria utilizat� este �mp�r�it� �n diferite blocuri cu diferite func�ii. Anumite p�r�i ale memoriei sunt folosite pentru a �nregistra st�rile porturilor (intrare sau ie�ire). Fiecare stare a memoriei este stocat� printr-un bit: 1 sau 0. Fiecare intrare sau ie�ire �i corespunde un bit din memorie. Alte p�r�i ale memoriei stocheaz� variabilele pe care le folose�te programul. Spre exemplu, perioada de temporizare ori valoarea num�rat� pot fi stocate �n aceast� parte a memoriei.

5.5 Programarea automatelor programabile

PLC-ul poate fi reprogramat cu ajutorul unui computer (cea mai comod� cale), dar poate fi programat �i manual cu ajutorul unei console. Acest lucru �nseamn� c� fiecare automat programabil poate fi programat cu ajutorul unui computer care are instalat un program special pentru opera�ia asta. Ast�zi calculatoarelor pot utiliza linii de transmisie pentru interconectarea PLC-urilor �i programarea lor. Este un avantaj enorm pentru industrie. Odat� ce PLC-ul este conectat la PC, pentru �nceput se poate citi programul deja scris �n acesta (asta daca am mai fost programat anterior). Comunica�ia cu PLC-ul este foarte importanta deoarece, pe l�ng� celelalte avantaje care le aduce, permite monitorizarea procesului de automatizare de la distan��, inclusiv verificarea st�rii PLC-ului.

Aproape fiecare program pentru programarea automatelor programabile include diferite op�iuni utile ca: trecerea din ON in OFF a intrarilor si iesirilor, simularea programului �n timp real �.a.m.d. Aceste op�iuni sunt necesare pentru determinarea erorilor sau a func�ion�rii defectuoase a programului. Programatorul poate adaoga comentarii, nume intr�rilor �i ie�irilor, foarte utile �n �ntre�inerea sistemului. Spre exemplu, adaogarea comentariilor ajuta electricienii �i tehnicieni s� �n�eleag� mult mai bine schema de comand� schi�at� �n mediu de programare ladder diagram. Aceste comentarii ajuta foarte mult la �ntre�inerea �i depanarea automatiz�rii.

5.6 Sursa de alimentare

Sursa de alimentare are rolul de a alimenta cu energie electric� automatul programabil. Majoritatea PLC-urilor lucreaz� cu tensiunii de 24Vdc sau 230Vac. Unele automate programabile se alimenteaz� printr-un modul separat. PLC-urile cu surs� de alimentare separat� sunt automate programabile mari. Pentru a determinarea puterea electric� a sursei de alimentare va trebui s� cunoa�tem consumul PLC-urilor, determinat �n mare parte, de c�tre necesarul de curent al ie�irilor. Sursa de alimentare trebuie s� �ndeplineasc� anumite cerin�e de compatabilitate electromagnetic�, ca de exemplu: s� fie imun� la perturba�ii electromagnetice,� medii corozive, �nt�lnite cu preponderen�� n mediul industrial.

5.7 �ntr�rile automatului programabil

Inteligen�a unui sistem de automatizare depinde �n mare m�sur� de capabilitatea automatului programabil s� citeasc� semnalul provenit de la diferi�i senzori �i dispozitive de intrare. Taste, kepad-uri, comutatoare cu �i f�r� automen�inere, sunt c�teva din elementele care au facut leg�tura dintre om �i ma�ina. Pe de alt� parte, pentru a verifica piesele care sunt �n mi�care, pentru a verifica presiunea sau nivelul de fluid, ve�i avea nevoie de traductoare care s� transmit� la ie�irea lor un semnal unificat (0…5V sau 4…20mA), recunoscut de automatul programabil. Sunt diferite metode s� ob�ine�i un senzor. Spre exemplu, a�i putea folosi un optocuplor sau un transformator.

5.8 Ie�irile automatului programabil

Un sistem de automatizare este incomplet dac� la ie�irile sale nu este conectat niciun dispozitiv. Cele mai �nt�lnite dispozitive sunt: motoare, bobine, relee, indicatoare, sunete de semnalizare �.a.m.d. Pentru a porni un motor sau alimenta un releu, PLC-ul transmite “1” logic la ie�irea aferent� – �n func�ie de caracteristicile programului. �n acest caz spunem c� ie�irea automatului programabil este digital�. Totu�i, ie�irile pot fi �i analogice. O ie�ire analogic� este utilizat� pentru a genera un semnal analogic (ex. un motor func�ioneaz� cu o anumit� vitez� care corespunde unei anumite tensiuni).

5.9 Extensia num�rului de intr�ri / ie�iri

Orice automat programabil are un num�r limitat de intr�ri / ie�iri. Num�rul de intr�ri sau ie�iri poate fi m�rit prin conectarea unui modul extern. Acest modul este o extensie de intrari si iesiri, extensie care difer� de la PLC la PLC (ex. Dac� ie�irea este un releu, atunci tranzistorul care ac�ioneaz� releul poate fi un mode extensie).

6.� Arhitectura automatelor programabile

6.1 Generalit��i
Reamintesc c� acest articol trateaz� per ansamblu construc�ia �i func�ionarea PLC-urilor. �n acest punct, datorit� multitudinii de automate programabile existente pe pia��, este imposibil s� descriem arhitectura fiec�rui PLC �n parte. Nu este nici spa�iu dar nici scopul acestui articol. �n plus, schema bloc este aproximativ aceea�i, fiecare firm� produc�toare de PLC-uri f�c�nd varia�iuni pe l�ng� aceasta. De aceea, �n cadrul acestui punct al articolului, voi lua ca reper doar un singur model de PLC. Celelalte tipuri de PLC-uri, comercializate de celalalte firme, sunt mai mult sau mai pu�in identice cu acesta, principiul de func�ionare r�m�n�nd acela�i.

6.2 De ce OMRON?
De ce, nu? Este o companie mare care produce la un �nalt standard de calitate, automate programabile, asemenea altor firme de renume din domeniu, cum ar fi Siemens, Mitsubishi sau Hitachi. Ast�zi putem s� spunem cu siguran�� c� automatele programabile produse de aceste companii sunt ni�te dispozitive excelelente pentru realizarea unor automatiz�ri de �nalt� fine�e �i calitate. Totu�i, pentru o aplica�ie specific� trebuie s� adopt�m �i s� cunoa�tem caracteristicile PLC-ului.

Automatul programabil se adopt� de abia dup� ce s-a trasat schema de c-d� “clasic�” �i se cunoa�te cu exactitate num�rul de intr�ri/ie�iri �i senzori sau traductoare necesare. Pentru a creea ni�te exemple mult mai u�or de �n�eles �i aplicat practic, am ales, spre descriere, automatul programabil produs de compania OMRON, micro class CPM1A. Adjectivul “micro” semnific� existen�a unui num�r minim de op�iuni ata�ate automatului programabil. Dar chiar �i a�a, modelul pe m�rginea c�ruia vom discuta �n cele ce urmeaz�, este suficient pentru �n�elegerea modului de func�ionare �i implementare practic� a automatelor programabile.

6.3 OMRON CPM1A PLC controller

Fiecare PLC este �n esen�� un sistem cu microcontroler - unitatea centrala de procesare a automatului programabil se bazeaz� pe un microcontroler, sau mai recent, pe un procesor PC de genera�ie mai veche – care are conectate diferite periferice: intr�ri ie�iri digitale sau relee ca �n cazul nostru. Oricum, acesta nu este un sistem cu microcontroler obi�nuit. O �ntreag� echip� a lucrat pentru perfec�ionarea microcontrolerului �i dezvoltarea programului folosit la programarea lui. Ini�ial s-a utilizat programarea �n ansambler, care se mai utilizeaz� �i �n prezent la programarea microcontrolerelor. Firmele produc�toare de PLC-uri a trebuit s� dezvolte acest mod de programare pentru a fi mult mai u�or �n�eles de electricieni �i tehnicieni, �i bine�n�eles, pentru a se aprofunda �ntr-un timp c�t mai scurt. Astfel s-a n�scut programarea “�n ladder” despre care vom vorbi �n punctul 6 al acestui articol.

O imagine de ansamblu cu PLC-ul OMRON CPM1A se poate vedea �n figura 5. Pe panoul din fa�� sunt 4 indicatoare cu LED �i conectorul RS232 pentru interfa�a cu PC-ul. �n afar� de acestea, se mai pot vedea terminalele de intrare �i ie�ire. Cu ajutorul acestor terminale (cu �uruburi) se poate conecta PLC-ul �n schema de automatizare. Din clemele L1 �i L2 se alimenteaz� PLC-ul, �n acest caz cu 230VAC. Automatele programabile lucreaz� de obicei la 24Vdc, deci pentru controlul lor prin intermediul senzorilor va trebui sa avem acces la masa sursei de tensiune continu� care le alimenteaz� intern. �n acest sens, orice PLC trebuie prev�zut cu o clem� de acces la mas� sau GND. �n cazul nostru aceast� clem� este notat� “COM”. Microcontrolerul PLC-ului este alimentat printr-o referin�� intern� de tensiune sau regulator dc de tensiune la 5Vdc. Ie�irile automatului programabil sunt la 24Vdc, de unde se poate intui u�or la ce putem folosi aceste ie�iri (spre exemplu: pentru comanda unor relee intermediare aflate �ntre PLC �i partea de execu�ie a procesului). PLC-ul OMRON mai cuprinde dou� g�uri pentru prinderea acestuia �n tabloul de automatizare sau se poate monta, mult mai u�or, pe un rack industrial sau binecunoscuta �in� omega.

Automatul programabil prezentat are doar 8 cm �n�l�ime �i se divide vertical �n dou� p�r�i: o parte cu un convertor 230/24Vdc �i alta cu CPU-ul, memoria, intr�rile digitale �i releele de ie�ire aferente. Dac� o s� �ndep�rta�i por�iunea de plastic din partea st�ng� o s� descoperi�i conectorul RS232, adica interfa�a serial� cu PC-ul. Aceast� interfa�� este utilizat� pentru programarea automatului programabil cu ajutorul calculatorului. Atunci c�nd instala�i PLC-ul nu este neaparat necesar s� instala�i interfa�a dar este recomandat s� face�i lucru asta pentru a schimba anumite set�ri ale programului pe parcursul efectu�rii �ncerc�rilor �i opera�iilor de punere �n func�ie a automatiz�rii.

Pentru o informare mai bun� a programatorilor asupra st�rii automatului programabil, pe panoul frontal al acestuia sunt dispuse 4 indicatoare cu led-uri (Power, Run, Comm �i Error / Alm). Pe l�ng� aceste leduri, mai exist� �i indicatoarele de stare pentru fiecare intrare �i ie�ire a automatului programabil. Aceste leduri le g�si�i �n imediata vecin�tate a �uruburilor de fixare (ex. D0….D5). Spre exemplu, dac� o ie�ire este activ�, atunci ledul aferent lumineaz� �i viceversa.

6.4 Ie�irile automatului programabil OMRON CPM1A
Cu excep�ia tranzistorului de ie�ire �n conexiune NPN sau PNP, automatul programabil poate avea la ie�ire �i relee. Prin existen�a la ie�irile automatului programabil a releelor se pot conecta mult mai u�or dispozitivele externe. Modelul CPM1A con�ine exact la ie�ire� aceste relee. CPM1A are �n total 4 relee ale c�ror contacte se reg�sesc la terminalele de ie�ire ale automatului programabil. �n realitate, schema intern� a unei ie�iri a PLC-ului arat� ca �n figura 6.

Odat� cu activarea optocuplorului, prin trecerea �n zero logic a ie�iri microcontrolerului, bobina releeului este alimentat� iar contactele A �i B se �nchid. �n cazul nostrul contactele A �i B pot s� �nchid� sau s� �ntrerup� un circuit extern. Deci starea acestor contacte este determinat� de starea porturilor de ie�ire a microcontrolerului. �n figura 7 este exemplificat cazul �n care portul de ie�ire �� corespunde un anumit �ir de cifre binare, �ir notat cu IR010. A�a cum se �nt�mpla �i la programarea individual� a microcontrolerelor �i �n cazul PLC-urilor va trebui s� set�m starea porturilor de ie�ire la �nceputul scrieri programului. Folosind programarea �n ladder a PLC-ului putem foarte u�or s� definim st�rile de intrare �i ie�ire. Daca nu defini�i starea ie�irilor, se poate �nt�mpla ca atunci c�nd pune�i �n func�ie automatul programabil, acest� s� porneasc�, spre exemplu, un motor, c�nd de fapt ar fi trebui s� a�tepte s� primeasc� o comand� pe o intrare ca s� fac� acest lucru.

6.5 Intr�rile automatului programabil OMRON CPM1A
Diferi�i senzori, chei, comutatoare �i alte elemente asemenea se pot conecta la intr�rile PLC-ului. Pentru a putea s� conect�m senzorii men�iona�i la intr�rile PLC-ului va trebui s� folosim o sursa de alimentare care s� activeze circuitele de intrare. Este necesar s� facem acest lucru deoarece porturile de intrare a microcontrolerului care echipeaz� PLC-ul sunt izolate galvanic, cu ajutorul unor optocuploare, de partea propriu zis� de c-d� a automatului programabil. Cum pentru activarea unui optocuplor avem nevoie de o sursa de tensiune extern�, pentru func�ionarea corect� a senzorilor de intrare, va trebui s� intercal�m ace�ti senzori pe traseul de alimentare a intr�rii optocuploarelor. Cea mai simpl� metod� este aceea s� utiliz�m sursa de tensiune de 24Vdc a PLC-ului. O astfel de metod� este aratat� �n figura 9.

Dac� adopta�i metoda din figura 9 trebuie s� �ine�i cont de curentul maxim pe care �l poate da sursa intern� a automatului programabil. PLC-ul CPM1A permite un maxim 0,2A. Atunci c�nd conecta�i senzori pe intrare va trebui s� �ine�i cont de consumul total al acestora. Acest consum trebuie s� fie mai mic sau egal cu valoarea maxim� a sursei interne a automatului programabil. Daca un senzor are un curent mai mare atunci se pot utiliza o alt� surs� extern� pentru alimentarea lui sau cu alte cuvinte, va trebui f�cut� o adaptare.

6.6 Cum func�ioneaz� PLC-ul ?
Func�ia de baz� a unui automat programabil este aceea de scanare continu� a st�rilor programului. Prin scanare se �n�elege verificarea continu� a condi�iilor programului �ntr-o perioad� de timp. Acest proces de scanare a st�rilor se compune din trei pa�i:

Testarea intr�rilor. Pentru �nceput PLC-ul testeaz� fiecare intrare cu inten�ia de a depista care este �n starea “ON” �i care este �n starea “OFF”. Cu alte cuvinte, PLC-ul verific� dac� este conectat vreun senzor sau comutator la intr�ri. Dup� aceea, acest pas este memorat �i va fi folosit �n urm�torul pas.

Executarea programului. Aici PLC-ul execut� programul, instruc�iune cu instruc�iune. Cunosc�nd starea intr�rilor ob�inut� din pasul precedent, atunci programul va executa pa�ii necesarii. Reac�ia execut�rii unui pas se poate observ� prin activarea unei ie�iri, care poate fi memorat� �i utilizat� �n pasul urm�tor.

Verific� �i corecteaz� starea ie�irilor. �n pasul final, PLC-ul verific� starea ie�irilor �i corecteaz�, dac� este cazul, aceste erori, utiliz�ndu-se de logica programului.

7.� Ladder diagram

�n decursul timpului, �nc� de la apari�ia PLC-urilor, s-au prezentat mai multe solu�ii de programare a automatelor programabile - cea mai popular� solu�ie fiind programarea �n “ladder diagram”. Ca atare, �n prezent, majoritatea automatelor programabile sunt programate �n “ladder diagram” (schema de relee), ceea ce nu este altceva dec�t desenarea unei scheme clasice de comand� cu relee dar cu o simbolistic� aparte.� Acest mod de programare era mult mai u�or de �n�eles at�t de electricieni c�t �i de tehnicieni, Pentru c� simbolurile aparatelor �i contactelor acestora erau foarte similare cu cele din schemele clasice de automatizare.

Ladder diagram const� dintr-o linie vertical�, pe care o reg�si�i �n partea st�ng� a programului, �i una sau mai multe linii orizontale, pe care se �nseriaz�, spre exemplu: contactele de intrare, ie�ire �i anumite elemente logice de program (fig.11). Linia din partea st�ng� se nume�te “bus bar” iar linia orizontal� este linia de instruc�iuni. Pe linia de instruc�iuni se dispun elementele logice ale programului (contacte normal-inchise, normal-deschise, porti logice, contactoare etc). Combin�nd mai multe conditii sau elemente logice pe linie, se poate determina care instructiune urmeaz� s� se execute �i �n final care element de ie�ire �l poate comanda.

Cele mai multe instruc�iuni se pot realiza cu ajutorul unui singur operand iar altele cu mai mul�i operanzi. Acest operand poate s� fie o cifr� binar� dintr-o anumit� loca�ie a memoriei sau un numar. �ntr-un exemplu precedent am prezentat operandul 0 din locatia de memorie IR000. �n acest caz, c�nd ve�i dori s� apela�i acest operand, atunci folosi�i semnul „#” sub cifra scris� (precizarea asta e foarte important� pentru un compilator, ca s� poat� fac� diferen�a dintre o constant� �i o adres� de memorie).

Deci, a�a cum se poate observa din fig.11, ladder diagram const� dintre o parte condi�ional� (partea st�ng�) �i una instruc�ional� (partea dreapt�). C�nd condi�ia este realizat�, instruc�iunea este executat�.

�n fig.12 este prezentat un exemplu de program in ladder diagram unde releul IR010.00 este ac�ionat c�nd intrarea microcontrolerului� este �n “00”. Condi�ia poate fi activa (ON) sau inactiv� (OFF). Condi�ia poate simula practic un comutator. C�nd comutatorul este �nchis, releul este ac�ionat �i viceversa. Daca utiliz�m un comutator f�r� automen�inere, c�nd vom apasa prima oar� comutatorul, releul va fi ac�ionat, iar c�nd vom apasa a doua oar� comutatorul, releul va reveni �n pozi�ia ini�ial�.

Acesta este doar un exemplu simplu. Se poate foarte bine implementa un sistem de alarm� intr-o locuinta. Spre exemplu, condi�ia poate fi reprezentat� de u�ile de la intrarea �n casa. Pute�i privi aceste u�i ca fiind ni�te comutatoare conectate la intrarile PLC-ului. Daca alarma este armat� �i o u�� este deschis� neautorizat, comutatorul aferent condi�ioneaz� intrarea aferent� a PLC-ului in “ON” iar ie�irea aferent� va cap�ta aceea stare. Se poate astfel ac�iona un circuit sonor de alarmare.

8. Un exemplu practic cu PLC-ul OMRON CPM1A

�n exemplu de mai jos este trasat un program simplu. Exemplu const� �ntr-un dispozitiv de intrare (comutator) �i unul de ie�ire (bec). Intrarea 000.00 reprezint� condi�ia de executare a instruc�iunii 010.00. Daca anul�m intrarea sau altfel spus “�nchidem comutatorul”, ie�irea aferent� va comuta �i va aprinde becul. Pentru o func�ionare corespunz�toare a programului va trebui s� �nchidem instruc�iunea aferent� printr-o alt� linie de program “END”.

�n imaginea urm�toare este prezentat schema de interconexiuni a aplica�iei realizate pe baza programului de mai sus.

Bibliografie:

[1] - Nelson, V.P., Nagle, H.T., Digital Logic Circuit Analysis and Design, Prentice Hall, NJ, 1995.
[2] - Petruzella, F., Programmable Logic Controllers, Second ed., McGraw Hill, New York, 1996.
[3] - Mange, D., Microprogrammed Systems. An Introduction to Firmware Theory, Chapman & Hall, London, 1992.
[4] - Moise, A. Automate Programabile. Proiectare. Aplica�ii, Ed. MatrixRom, Bucure�ti, 2004.
[5] - Hugh Jack, Automating Manufacturing Systems with PLCs, (Version 5.0, May 4, 2007)

Proiectarea �i construc�ia transformatoarelor toroidale

Thu, 09 Apr 2009 10:31:28 -0700

Transformatoarele toroidale de joas� frecven��, aflate �n componen�a diferitelor receptoare electronice �i electrocasnice, sunt mult mai compacte �i mai eficiente dec�t transformatoarele clasice, cum ar fi cele realizate pe tole E+I sau U+I.� O sec�iune transversal� printr-un transformator toroidal este prezentat� �n imaginea al�turat�.

Transformatoarele toroidale de joas� tensiune �i frecven��, se construiesc �n general pentru tensiuni primare de 230V sau 400V �i pentru una sau mai multe tensiuni secundare, �n func�ie de aplica�ie. Principala func�ie a transformatorului r�m�ne �i �n cazul transformatoarelor toroidale aceea de modificare a parametrilor energiei electrice astfel �nc�t consumatorul s� fie alimentat optim la tensiunea �i curentul alternativ necesar.

Avantajele transformatoarelor toroidale sunt:

Eficien�� ridicat�
Dimensiuni constructive reduse
�n�l�ime redus�
Zgomot redus
C�mp magnetic de dispersie redus
Pierderi mici la func�ionarea �n gol
Un singur punct de montare

1. Generalit��i teoretice

Principiul de func�ionare a transformatorului toroidal se bazeaz� pe legea induc�iei electromagnetice: tensiunea electromotoare care apare la bornele unei bobine cu miez feromagnetic este egal� numeric cu viteza de varia�ie �n timp a fluxului magnetic care se �nchide prin circuitul feromagnetic a bobinei. Altfel spus:

unde: E – tensiunea electromotoare �i dΦ/dt – fluxul magnetic variabil prin miezul feromagnetic al bobinei. Minusul din rela�ia precedent� semnific� opozi�ia de faz� dintre tensiunea electromotoare �i fluxul magnetic. Totu�i, legea induc�iei magnetice mai prezint� �i o “reciproc�”: un flux magnetic variabil poate fi produs de o bobin� cu miez feromagnetic alimentat� de la o surs� alternativ� de energie electric�.

Deci un transformator electric trebuie s� aib� minim dou� �nf�ur�ri. Dac� aplic�m �nf�ur�rii primare o tensiune, la bornele �nf�ur�rii secundare reg�sim aceasta tensiune defazat� cu 180 grade fa�� de tensiunea �nf�ur�rii secundare �i cu 90 grade fa�� de fluxul magnetic.

Transformatoarele electrice pot fi ridic�toare sau cobor�toare de tensiune. Puterea electric� transmis� este dependent� de valoarea de sarcin� a consumatorului. Caracterizarea transformatorului toroidal din punctul de vedere a puteri transmise se face �n func�ie de puterea aparent�, deoarece aceast� putere caracterizeaz� global nivelul de putere activ� �i reactiv� tranzitat la un moment dat de transformator.

�n electrotehnic� avem:

Puterea electric� activ�: P=U•I•cosφ
Putere electric� reactiv�: Q=U•I•sinφ
Putere electric� aparent�: S=U•I

Formula matematic� a tensiunii electrice alternative este:

unde: u(t) – tensiunea alternativ�, U_M – valoarea maxim� a tensiunii alternative, ω=2πf – pulsa�ia tensiunii alternative; t – variabila timp. Din electrotehnic� dar �i din articolul despre teoria transformatorului electric, prezentat �n cadrul revistei Tehnium Azi, extragem rela�ia caracteristic�:

unde: N – num�rul de spire, f – frecven�a tensiunii electrice, B – induc�ia magnetic�, A_FE – sec�iunea miezului feromagnetic �i U – valoarea efectiv� a tensiunii “suportate” sau “generate” de orice bobin�.

Din rela�ia (3) rezult� rela�ia general valabil� pentru transformatoare electrice:

unde: U₁, U₂ – valoarea tensiuni primare, respectiv secundare; N₁, N₂ – num�rul de spire a �nf�ur�rii primare, respectiv secundare. Rela�ia (4) reprezint� defini�ia raportului de transformare.

Dac� not�m cu e=f•B•A_FE, atunci vom ob�ine:

�nlocuim rela�ia (4) �n (5) �i ob�inem:

Din ultima rela�ie se poate deduce u�or c� pentru o putere electric� transmis�, un num�r mai redus de spire al �nf�ur�rii secundare N₂, implic� automat posibilitatea de a livra un curent I₂ mai mare impedan�ei de sarcin�.

Totu�i, un transformator electric nu poate livra �n secundar aceea�i putere electric� pe care o absoarbe �nf�urarea primar� la un moment dat. Deci, transformatorul electric nu poate transfera energia electric� f�r� pierderi.

Aceste pierderi sunt de trei tipuri �i anume:

Pierderi �n miezul feromagnetic P_FE , cuprind pierderile prin efectul de histerezis, prin efectul FOUCAULT �i pierderile prin magnetostric�iune;
Pierderi �n cupru (�n bobine sau pierderi rezistive) – se refer� la pierderile din bobinajul transformatorului – P_Cu =P_W=r₁•I₁₂+ r₂•I₂₂;
Pierderi suplimentare P_S – datorate armonicilor tensiunii �i curentului electric livrat de transformator.

Ca urmare a celor prezentate, rezult� c� tensiunea livrat� de transformatorul electric �n gol (f�r� sarcin�) nu mai prezint� practic aceea�i valoare cu tensiunea “�n sarcin�”. Spre exemplu, �n figura 1 sunt prezentate varia�iile tensiunii secundare de la situa�ia practic� “�n gol” la cazul practic “�n sarcin�”. Se observ� c� �n cazul sarcinii rezistive, tensiunea �n sarcin� scade cu c��iva vol�i. Ea scade �i mai mult �n cazul sarcinii rezistiv-inductive �i cre�te �n cazul sarcinii rezistiv-capacitive (condensatorul electric este practic un rezervor de energie electric�).

Din diagramele prezentate �n figura 1 rezult� c� proiectantul unui transformator trebuie s� cunoasc�:

valoarea puterii electrice active transmise impedan�ei de sarcin� (tensiunea �i curentul);
tipul impedan�ei de sarcin�: inductiv�, rezistiv�, capacitiv� (care prive�te energia electric� preluat� de consumator).

2. Considerente practice

Realizarea practic� a unui transformator “bun” const� �n adoptarea unei solu�ii constructive care s� minimizeze pierderile enumerate anterior �i gabaritul fizic a transformatorului. Nu este suficient o proiectare “foarte �ngrijit�” ci �i utilizarea unor materiale electrotehnice care s� conduc� la ob�inerea unor pierderi minime. Constructiv, un transformator toroidal se prezint� ca �n imaginea al�turat�.

�n decursul timpului s-au realizat diferite solu�ii constructive ale miezului feromagnetic (ex. de tipul E+I). Aceste tole sunt realizate din tabl� silicioas�, av�nd un nivel de pierderi constant, indiferent de direc�ia fluxului util. Momentan acest� solu�ie tehnic� de realizare a tolelor este �nvechit� deoarece:

transformatorul conven�ional prezint� un num�r destul de mare de spire, ceea ce implic� cre�terea pierderilor rezistive;
pierderile feromagnetice limiteaz� drastic valoarea induc�iei magnetice de lucru �i practic se ajunge la un miez magnetic de dimensiuni mari, cu pierderi PFe apreciabile;
un miez magnetic cu sec�iune mare implic� automat o carcas� bobinat� cu sec�iune mare, deci o lungime mare a conductoarelor de bobinaj, deci rezisten�e electrice echivalente mari, ce implic� P_Cu apreciabile;
fluxul magnetic de dispersie (din afara miezului feromagnetic) este apreciabil odat� cu m�rirea induc�iei magnetice, fapt care mic�oreaz� �n final randamentul transformatorului.

Din cele expuse anterior rezult� faptul c� numai utiliz�nd un miez feromagnetic cu pierderi c�t mai mici putem realiza practic un transformator electric performant. Un miez feromagnetic cu pierderi reduse implic� automat:

posibilitatea de a lucra cu o induc�ie magnetic� mult mai mare dec�t la transformatorul conven�ional (B_SAT = 1T);
sec�iunea miezului magnetic va fi mult mai redusa;
lungimea conductorului de bobinaj va fi mult mai mic�, deci automat am mic�orat pierderile rezistive PCu.

Solu�ia tehnic� const� �n realizarea unui miez feromagnetic� toroidal sau altfel spus a unui transformator electric cu miez magnetic toroidal.

Un miez magnetic performant nu se poate realiza dec�t folosind o tabl� silicioas� cu pierderi c�t mai reduse. Tabla silicioas� cu un nivel de pierderi foarte redus este denumit� de toate standardele interna�ionale „tabl� silicioas� cu gr�un�i orienta�i”. Fabricarea ei reprezint� una dintre cele mai complexe tehnologii metalurgice moderne.

Benzile din tabl� silicioas� cu gr�un�i orienta�i sunt materiale feromagnetice care prezint� �n compozi�ie cca 3,25% siliciu, special concepute pentru realizarea miezurilor feromagnetice ale transformatoarelor electrice cu pierderi c�t mai reduse. Propriet��ile magnetice speciale (ce implic� pierderi minime), al�turi de posibilitatea utiliz�rii unei induc�ii magnetice de valori ridicate (B = 1,6T), sunt realizate printr-un procedeu metalurgic deosebit de complex.

Utilizarea tolelor din tabl� silicioas� cu gr�un�i orienta�i care permit induc�ii de satura�ie mult mai mari dec�t la miezurile feromagnetice conven�ionale, merg�nd p�n� la 1,6T, �i adoptarea unei solu�ii toroidale de realizare a miezului (prin rotirea �ntr-un perimetru circular a tolei),� conduce la realizarea unui transformator toroidal u�or, de putere �i eficien�� ridicat�.

OBS! Pentru tole din tabla din fier-siliciu laminat� la cald , de grosime 0,35 [mm], valorile lui Bm sunt cuprinse �ntre 0,9 si 1,45 [T] iar pentru miez spiralizat din tole de tabla de fier-siliciu de grosime 0,35 [mm], laminat� la rece valorile lui Bm sunt cuprinse �ntre 1,2 si 1,75 [T].

Este binecunoscut� formula aproximativ�:

unde S_T reprezint� puterea aparent� dorit� a transformatorului. Pe baza acestei rela�ii se poate determina u�or sec�iunea miezului feromagnetic a transformatorului. Totodat�, rela�ia (7) ne poate ajuta s� determin�m �i puterea aparent� a transformatorului av�nd cunoscut� sec�iunea miezului feromagnetic A_FE.

Valoarea coeficientului k=(1,2…1,3) din rela�ia (7) se determin� din figura 2 unde se cunoa�te deja puterea aparent� a transformatorului: S_T=U₁•I₁.

3. Exemplu de calcul

S� se dimensioneze un transformator toroidal av�nd cunoscute urm�toarele date de calcul:

U₁ – tensiunea de re�ea sau altfel spus, tensiunea electric� primar� a transformatorului;
U₂₁ – prima tensiune secundar�;
U₂₂ – a doua tensiune secundar�;
I₂₁ – primul curent secundar;
I₂₂– al doilea curent secundar.
Mijloace de r�cire: r�cire natural� �n incinta �nchis�;
Impedan�a de sarcin�: rezistiv – inductiv.

SOLU�IE:

1). Determinarea puterii aparente secundare:

2). Calculul puterii aparente primare consider�nd pierderile egale cu 5% (ceea ce corespunde unui randament de 95%):

3). Calculul curentului nominal din �nf�urarea primar� I₁:

4). Determinarea sec�iunii miezului feromagnetic:

5). Determinarea sec�iunii utile a miezului feromagnetic:

6). Se adopt� induc�ia magnetic� �n miez B=(1,2…..1,6)T.
7). Se determin� num�rul de spire ale infasur�rilor primare �i secundare, av�nd definite: f=50Hz, B �i A_Fe[m²]:

Obs. Numarul de spire, de data aceasta, pe volt, se pot determina aplic�nd o alt� formula aproximativa binecunoscut�:

K_m=N/U₁≈10000/4,44•f•B;

sau K_m=N/U₁=10000/2•π•f•B

rela�ie rezultat� �n urma consider�rii A_FE [m²].

Coeficientul K_m este de multe ori confundat cu frecventa re�elei de alimentare a transformatorului, lucru de altfel incorect. Coeficientul K_m are valoarea 50 atunci c�nd induc�ia magnetic� �n miezul feromagnetic a transformatorului este aprox 0,6T. Aceasta valoare a induc�iei magnetice se adopt� la transformatoarele clasice cu miez E+I unde datorit� geometriei si calit��i tolelor, acestea nu permit �n calcule adoptarea unor induc�i mai mari de un tesla.

Modul de realizare a transformatoarelor toroidale coroborat cu utilizarea unor tole de �nalte calitate permite adoptarea unor inductii magnetice aproximativ de doua ori mai mari ca �n cazul transformatoarelor “clasice. Acest lucru conduce la utilizarea unei cantit��i de cupru mai mici, ceea ce implic� automat ob�inerea unui transformator cu pierderi rezistive mai mici. Ca urmare, f�r� a comite o eroare, deoarece lucr�m cu induc�ii aproximativ de dou� ori mai mari ca la transformatoarele clasice, putem determina cu o anumit� eroare puterea aparent� a transformatorului toroidal ridic�nd la p�trat ambele sec�iuni A_FE (din partea dreapta �i st�ng� a figuri 3).

8). Calculul diametrelor conductoarelor.

Pentru o �nc�lzire optim� a �nf�ur�rilor, densitatea de curent trebuie s� se situeze �n jurul valorilor: J=2,5…3,5A/mmp. Dac� adopt�m J = 3A/mmp at�t pentru primar c�t �i pentru secundar, diametrele �nf�ur�rilor se determin� cu rela�iile:

Obs. Dac� �nf�ur�rile secundare sunt dispuse complet peste �nf�urarea primar� atunci se va adopta o densitate de curent mai mic� pentru �nf�urarea primar�. Diametrele �nf�ur�rilor se pot adopta �i din tabelul 1.

9). Determinarea sec�iunii bobinajului:

10). Calculul diametrului interior a bobinajului miezului feromagnetic:

unde D_INT diametrul interior al miezului feromagnetic (vezi fig.3):

11). Determinarea perimetrului interior a torului:

12). Calculul grosimii straturilor de bobinaj pentru fiecare bobin�:

13). Determinarea grosimii totale a bobinajului:

14). Calculul lungimii �nf�ur�rilor:

4. Caracteristicile conductoarelor CuEm utilizate la realizarea bobinajelor

Deoarece �n calcule adopt�m induc�ii, de regul� �ntre 1,2...1,6T , uneori chiar merg�nd p�n� la 1,8T, �n schema echivalent� a transformatorului toroidal, rezisten�a echivalent� a primarului r₁ are o valoare mult mai mic� �i reactan�a aferent� o valoare mult mai mare, dec�t la un transformator clasic obi�nuit. Aceast� �nseamn� c� curentul de pornire, la punerea sub tensiune a primarului, este mult mai mare, �i din aceast� motiv, la dimensionarea siguran�ei electrice trebuie s� se �in� cont �i de acest aspect. �n plus, o reactan�� primar� mare va conduce la absor�ia unei energii reactive ceva mai mari dec�t �n cazul transformatorului classic, dar acest lucru nu afecteaz� eficien�a transformatorului. Aceast� observa�ie este cu at�t mai pregnant� �i mai important�, cu c�t puterea transformatorului toroidal este mai mare (�n general peste 1kVA).

�n concluzie, daca nu sunte�i sigur de calitatea miezului feromagnetic a transformatorului, atunci c�nd demara�i opera�ia de dimensionare a sa, adopta�i sau lucra�i cu induc�i mai mici (1,2...1,4T). Totodat�, rela�iile prezentate mai sus se pot utiliza �i la dimensionare altor tipuri de transformatoare, cum ar fi cele folosite in sursele �n comuta�ie.

�n imaginile de mai jos sunt prezentate dou� ma�ini automate cu una �i dou� suveici pentru bobinarea automat� a transformatoarelor toroidale.

Materiale magnetice. Magne�i.

Thu, 12 Mar 2009 11:10:55 -0700

1. Generalit��i

Un magnet (din greac�: µαγνητης�λιΘος - „piatr� magnetic�") este un material sau un obiect care creeaz� un c�mp magnetic (fig.1). Acest c�mp magnetic este invizibil dar este r�spunz�tor pentru� cele mai remarcabile propriet��i ale unui magnet – spre exemplu, for�a�i trecerea magnetului prin fa�a unor materiale feromagnetice �i o s� observa�i fenomenul de atragere sau respingere a acestora. Un magnet permanent este un material deja magnetizat, ca de exemplu un magnet obi�nuit. Materiale care pot fi magnetizate sunt acele materiale care pot fi atrase de magne�i (sau pot deveni magne�i). Aceste materiale se numesc materiale magnetice.�

Din punct de vedere al st�rii de magnetizare, materialele magnetice se �mpart �n: diamagnetice, paramagnetice, feromagnetice, antiferomagnetice �i ferimagnetice.

Materialele diamagnetice au λ_m<0 deci µ'< 1. Valorile lui λ_msunt foarte mici �n valoare absolut� (de ordinul 10^-6) �i sunt independente de temperatur�. Materialele cu comportare diamagnetic� sunt: hidrogenul, carbonul, argintul, aurul, cuprul, plumbul, zincul, germaniul, seleniul, siliciul, etc.

Materialele paramagnetice au �n absen�a c�mpului magnetic un moment magnetic propriu. Momentele magnetice, orientate haotic datorit� agita�iei termice, tind s� se orienteze �n direc�ia c�mpului aplicat. Materialele paramagnetice au deci λ_m > 0 �i µ'> 1, dac� valorile absolute ale susceptivit��ii sunt mici (de ordinul 10^-6). Materialele cu comportare paramagnetic� sunt: oxigenul, aluminiul, platina, cromul, manganul, potasiul, etc.

Materialele feromagnetice au, ca �i cele paramagnetice moment magnetic propriu, dar momentele magnetice ale atomilor vecini sunt orientate identic, form�nd domenii de magnetizare spontan�. Diversele domenii sunt orientate diferit, dar sub influen�a unui c�mp magnetic exterior se orienteaz� �n acela�i sens, ceea ce se materializeaz� la nivel macroscopic prin valori foarte mari ale permeabilit��ii magnetice, �i prin dependen�a liniar� cu histerezis a induc�iei de intensitatea c�mpului.

Se noteaz�:
H_C – intensitatea c�mpului coercitiv
H_S – intensitatea c�mpului de satura�ie
B_r – induc�ia remanent�
B_S – induc�ia de satura�ie

Pentru caracterizarea materialului �n jurul unei anumite st�ri (definit� printr-o pereche de valori B, H) se utilizeaz� urm�toarele permeabilit��i magnetice relative:

permeabilitatea static� µ_st = B/µ₀* H
permeabilitatea diferen�ial� µ_dif=lim_ΔH›0(ΔB/µ₀*ΔH)_{�n sens direct} care este propor�ional� cu panta curbei B=B(H) cu cre�terea lui H.
permeabilitatea dinamic� µ_d=(ΔB/µ₀*ΔH)_{H›Ho,B›Bo} care este propor�ional� cu panta medie a ciclului deschis de material �n jurul st�rii H₀, B₀.
permeabilitatea reversibil� µ_rev = lim_ΔH›0 (ΔB/µ₀*ΔH)_{Ho, Bo} care este propor�ional� cu panta ciclului reversibil descris �n jurul st�rii H₀, B₀.
permeabilitatea ini�ial� µ_i=lim_ΔH›0(ΔB/µ₀*ΔH)_H›0,B›0 caracterizeaz� panta �n primul domeniu de reversibilitate (�n jurul st�rii H₀, B₀).

Materialele feromagnetice se transform� �n paramagnetice la temperaturi mai mari dec�t temperatura Curie (Tc). Materialele cu comportare feromagnetic� sunt: fierul, cobaltul, nichelul, gadolinul �i aliajele lor.

Materialele antiferomagnetice au �n structura lor dou� subretele magnetice cu momente magnetice egale �i orientate antiparalel. Materialele antiferomagnetice (cele mai cunoscute fiind MnO, FeO) nu au importan�� practic� deosebit�.

Materialele ferimagnetice au de asemenea dou� (sau mai multe) subretele magnetice cu momente opuse dar acestea sunt recompensate. Dependen�a B=B(H) are forma unei curbe de histerezis ca la materialele feromagnetice. Materialele ferimagnetice au rezistivit��i ridicate care determin� pierderi reduse prin curen�i turbionari, ceea ce le avantajeaz� fa�� de materialele feromagnetice (bune conductoare electrice).

Materialele metalo-ceramice cu propriet��i ferimagnetice se numesc ferite. Dup� metalul caracteristic din structura lor acestea poart� denumirea de ferite de cobalt, de nichel, etc.

2. Clasificarea materialelor magnetice

Dup� forma ciclului histerezis materialele fero �i ferimagnetice se clasific� �n dou� grupe:

materiale magnetice moi, pentru care c�mpul coercitiv este cel mult de 80A/m;
materiale magnetice dure, pentru care c�mpul coercitiv este mai mare de 4000A/m.

Materialele magnetice moi se �mpart la r�ndul lor �n trei tipuri, dup� raportul B_r/B_m.

B_r/B_m<0,5 – permeabilitatea relativ mic� dup� constanta cu intensitatea c�mpului; sunt utilizate pentru miezurile bobinelor cu conductivitate constant� cu c�mpul;
0,5<B_r/B_m<0,8 – permeabilitate mare dar puternic dependent� de c�mp; se utilizeaz� pentru miezuri de bobine �i pentru transformatoare
B_r/B_m>0,8 – sunt denumite materiale cu ciclu histerezis dreptunghiular (CHD); sunt utilizate la fabricarea miezurilor pentru memorie �i comuta�ie.

Materialele magnetice dure se clasific� de asemenea dup� raportul B_r/B_m (fig.4):

B_r/B_m<0,4 – se utilizeaz� pentru �nregistrarea magnetic� a informa�iei;
B_r/B_m>0,4 – materiale pentru magne�i permanen�i; se prefer� cele cu induc�ia remanent� c�t mai mare deci cele care se apropie de forma dreptunghiular� a ciclului histerezis.

3. Pierderi �n materialele magnetice

Prin materiale magnetice se �n�elege de obicei materialele fero- sau ferimagnetice. Pierderile de energie ale c�mpului magnetic �n material sunt de mai multe tipuri. Pierderile prin curen�i turbionari se datoreaz� curen�ilor indu�i �n material �i sunt invers propor�ionale cu rezistivitatea acestuia. �ntr-un material feromagnetic introdus �n c�mp magnetic variabil se induc, conform induc�iei electromagnetice, tensiuni electromotoare, care genereaz� curen�i turbionari.

Se arat� c� pentru a mic�ora pierderile prin curen�ii turbionari este necesar ca:

grosimea materialului s� fie mic� (materialul utilizat sub form� de tole sau pulbere);
rezistivitatea s� fie c�t mai mare (utilizarea materialelor ferimagnetice);
sc�derea conductivit��ii materialului.

Pierderile prin histerezis sunt invers propor�ionale cu aria ciclului histerezis. Pierderile prin histerezis depind numai de forma curbei de histerezis, reducerea lor fiind determinat� de utilizarea unor materiale cu un ciclu histerezis de suprafa�� c�t mai mic�. Pierderile prin magnetizare provin din r�m�nerea �n urm� a induc�iei la varia�ii rapide ale intensit��ii c�mpului magnetic, fenomen de natura unei v�scozit��i termice.

Deci, pierderile magnetice inglobeaza pierderile prin hiserezis si pierderile prin curenti turbionari. Ele sunt date in wati pe kilogram (W/kg) si se determina cu aparatul Epstein, la o anumita induc�ie �i la o anumit� frecven��. Pierderile prin hiserezis ,care sunt proportionale cu suprafat inchisa a ciclului de histerezis,au un rol important in current alternative.

4. Func�iile materialelor magnetice

Propriet��ile materialelor fero �i ferimagnetice le confer� acestora o larg� aplicabilitate practic� �n �ndeplinirea unor func�ii specifice, ca suport material al utiliz�rii tehnice a fenomenelor electromagnetice. Principalele func�ii sunt:

Func�ia de miez magnetic. O bobin� cu miez magnetic este echivalenta unei bobine cu vid cu inductivitate de r µ ori mai mare. Se utilizeaz� �n special la circuitele magnetice ale ma�inilor �i aparatelor electrice, ale bobinelor �i transformatoarelor etc.
Func�ia de generare a c�mpului magnetostatic. Un circuit magnetic cu �ntrefier, al c�rui miez magnetic a fost �n prealabil magnetizat p�n� la satura�ie, reprezint� un magnet permanent �ntre polii c�ruia exist� un c�mp magnetostatic.
Func�ia de �nregistrare magnetic� a informa�iei. Aceast� func�ie se bazeaz� pe proprietatea c� magnetizarea remanent� s� depind� univoc de c�mpul magnetic de excita�ie. Materialele utilizate �n acest scop trebuie s� aib� un c�mp coercitiv mare care s� �mpiedice efectul de �tergere a informa�iei sub influen�a unor c�mpuri perturbatoare.
Func�ii neliniare �i parametrice. Caracterul neliniar al caracteristicii de magnetizare a materialelor magnetice �n special al celor cu ciclu histerezis dreptunghiular, permite realizarea unor func�ii de circuit neliniare �i parametrice.
Func�ia de ecran magnetic. �n vederea �nl�tur�rii ac�iunii perturbatoare a unor c�mpuri electromagnetice exterioare unele dispozitive �i elemente electronice se ecraneaz�.
Func�ia de traductor piezomagnetic. Materialele fero- �i ferimagnetice sufer� modific�ri ale dimensiunilor exterioare sub influen�a varia�iei st�rii de magnetizare, fenomen denumit piezomagnetism. De regul� materialele piezomagnetice �ndeplinesc func�ia de traductor piezomagnetic, invers, transform�nd energia electromagnetic� �n energie mecanic� (generatoare sonore �i ultrasonore).
Func�ia de traductor de temperatur�. Varia�ia cu temperatura, la c�mp constant, la permeabilit��i relative cu preponderen�� n apropierea temperaturii Curie, permit utilizarea acestora ca traductoare de temperatur�.

5. Magne�i

Totul a �nceput c�nd am plecat s� cump�r�m un magnet pentru o demonstra�ie despre armura lichid� a corpului. Am vrut s� ar�t�m faptul c� unele lichide, sub influen�a unui c�mp magnetic, se comport� ca �i solidele. L�ng� capsula Petri �i pilitura de fier de care am avut nevoie, catalogul de �tiin�� a lui Steve Spangler a avut nevoie de un magnet de neodim desris ca „super puternic”. Am cump�rat un magnet de acest tip sper�nd c� acesta va fi destul de puternic pentru a crea un efect semnificativ ce care s� �l putem �nregistra pe pelicul�.

Magnetul nu doar transform� fluidul nostru din pilitur� de fier �i ulei �n solid – uneori, el trage fluidul �n cr�p�turile capsulei Petri �in�ndu-l acolo. O dat�, un magnet a „zburat” nea�teptat din m�na cameramanului �ntr-un vas plin cu pilitur� de fier uscat�, necesit�nd o mare ingeniozitate pentru a putea fi �ndep�rtat� de pe magnet. De asemenea s-a lipit at�t de ferm de fa�a inferoar� a unei mese metalice, �nc�t a trebuit s� utiliz�m doi paten�i pentru a-l dezlipi. C�nd am decis c� ar fi mai sigur s� �inem magnetul �ntr-un buzunar, oamenii s-au r�nit u�or lipindu-se de mas�, scar� �i de u�a studioului.

5.1 Polii magnetici

Un magnet poate avea mai mul�i poli: sud �i nord. Aces�ti poli apar mereu �n perechi. Nu poate fi un pol nord f�r� un pol sud corespondent �i invers.

�n jurul departamentului, magnetul a devenit un obiect de curiozitate �i subiectul unor experimente improvizate. Este de o putere stranie �i tendin�a de a s�ri nea�teptat �i zgomotos de la locul unde este �mpachetat la o suprafa�� metalic� apropiat� ne face s� ne mai g�ndim o dat� a acest obiect „banal”. To�i �tim bazele magne�ilor �i magnetismului – magne�ii atrag metale specifice, �i au unul sau mai mul�i poli sud �i nord. Polii opu�i se atrag �i cei asem�n�tori se resping. C�mpurile electrice �i magnetice sunt „apropiate”, iar magnetismul �mpreun� cu gravita�ia �i for�ele atomice slabe �i puternice reprezint� una dintre cele patru for�e fundamentale �n Univers.

Dar nici unul dintre aceste lucruri nu ne r�spunde la �ntreb�rile noastre principale. De ce magne�ii se lipesc doar de anumite metale? Prin prelungire, de ce nu se lipesc �i de alte metale? De ce se atrag sau se resping, �n func�ie de pozi�ia lor? De ce magne�ii de neodinium sunt mult mai puternici dec�t cei ceramici cu care ne jucam �n copil�rie?

Pentru a r�spunde la aceste �ntreb�ri, va trebui s� ne �nsu�im teoria de baz� a unui magnet. Magne�ii sunt obiecte care produc c�mpuri magnetice �i atrag metale precum fierul, nichelul sau cobaltul. Liniile de for�� ale c�mpului magnetic ies din acesta pe la polul nord �i intr� pe la polul sud. Magne�ii permanen�i sau puternici �i creeaz� propriul c�mp magnetic tot timpul. Magne�ii temporari sau slabi produc c�mpuri magnetice �n prezen�a unui alt c�mp magnetic �i la pu�in timp dup� ie�irea acestuia din c�mpul magnetic al magnetului temporar. Electromagne�ii produc c�mpuri magnetice doar c�nd curentul circul� prin bobin� lor.

P�n� de cur�nd, to�i magne�ii erau f�cu�i din elementele metalice sau aliaje. Aceste materiale produc magne�i de puteri diferite. De exemplu:

Magne�ii ceramici, precum cei utiliza�i la refrigeratoare �i la experimentele din �coli. Ei con�in oxid de fier �ntr-un compozit ceramic. Magne�ii ceramici sunt uneori cunoscu�i ca magne�i ferici, �i nu au o putere ie�it� din comun.
Magne�ii alinco sunt f�cu�i din aluminiu, nichel �i cobalt. Ei sunt mai puternici dec�t magne�ii ceramici, dar nu destul de puternici pentru a fi introdu�i �ntr-o clas� de elemente cunoscut� ca clasa metalelor rare de pe p�m�nt.
Magne�ii de neodinium con�in fier, bor �i metalul rar numit neodiniu.
Magne�ii samariu-cobalt con�in cobalt combinat cu elementul rar samariu. �n ultimii ani, cerect�torii au descoperit polimerii magnetici. Unii dintre ace�tia sunt flexibili �i modelabili. Totu�i, unii dintre ace�tia func�ioneaz� doar la temperaturi foarte joase, iar al�ii ridic� materiale foarte u�oare, precum pilitura de fier.

Pentru transformarea acestor materiale �n magne�i este necesar un mic efort. Vom vedea cum se �nt�mpl� acest lucru �n sec�iunea urm�toare.

5.2 Bazele fabric�rii magne�ilor

Multe dintre dispozitivele electronice din ziua de azi au nevoie de magne�i pentru a func�iona. Cel mai puternic magnet natural, este o form� a magnetitei. Acesta poate atrage obiecte mici, precum agrafele sau pionezele.

�n secolul XX, oamenii au descoperit c� pot utiliza magne�ii naturali pentru a magnetiza o bucat� de fier, cre�nd o busol�. Frec�nd repetat magnetul natural de un cui de fier �ntr-o direc�ie, cuiul se va magnetiza. Apoi, prin suspendare, el se va alinia pe linia nord-sud. �n cele din urm�, cercet�torul Wiliam Gilbert a explicat c� acest aliniament al cuiului pe linia nord-sud se �nt�mpl� datorit� faptului c� P�m�ntul se comport� ca un magnet enorm cu polii la nord �i sud.

Un ac de busol� nu este nici pe departe la fel de puternic ca magne�ii permanen�i din ziua de ast�zi. Dar procesul fizic care magnetizeaz� acele de busol� �i buc��ile de aliaj din neodinium este �n principiu la fel. Acest proces las� regiuni microscopice cunoscute ca domenii magnetice, care sunt p�r�i ale structurii fizice a materialelor feromagnetice, precum fierul, cobaltul �i nichelul. Fiecare domeniu este �n esen�� un mic magnet cu polii nord �i sud. �ntr-un material feromagnetic nemagnetizat, au polii acestor mici magne�i �ndreptate direc�ii diferite. Domeniile magnetice care sunt orientate �n direc�ii opuse se anuleaz� reciproc, a�adar materialul nu produce c�mp magnetic.

�n magne�i, majoritatea polilor domeniilor magnetice sunt �ndrepta�i �n aceea�i direc�ie. Prin aliniament, microscopicii magne�i nu se mai anuleaz� reciproc, ci �i combin� c�mpurile magnetice pentru a forma un c�mp magnetic mare. Cu c�t sunt mai multe domenii magnetice �ndreptate �n acea�i direc�ie, cu at�t c�mpul magnetic general va fi mai puternic. Fiecare domeniu magnetic se extinde de la polul nord la polul sud al domeniului din fa�a sa.

Fig.9b explic� de ce prin „ruperea” unui magnet �n dou� se formeaz� doi magne�i mai mici cu polii nord �i sud proprii. Aceasta explic� �i de ce polii opu�i se atrag – liniile c�mpului magnetic las� polul nord a unui magnet �i „intr�” �n magnetul respectiv �n mod natural un pol sud, cre�nd astfel un magnet.� Polii asem�n�tori se resping datorit� faptului c� liniile de for�� magnetice circul� �n direc�ii opuse.

5.3 Fabricarea magne�ilor

Pentru a face un magnet, tot ce trebuie s� face�i este s� �ncuraja�i domeniile magnetice dintr-o bucat� de metal s� se �ndrepte �n aceea�i direc�ie. Acest lucru se �nt�mpl� atunci c�nd freca�i un ac de un magnet – expunerea la un c�mp magnetic �ncurajeaz� alinierea domeniilor magnetice. Alte c�i de a alinia domeniile magnetice dintr-o bucat� de metal sunt:

A�ez�ndu-l �ntr-un c�mp magnetic puternic pe direc�ia nord-sud a acestuia
�in�ndu-l pe direc�ia nord-sud �i lovindu-l repetat cu un ciocan, vibra�iile for��nd domeniile magnetice s� capete un aliniament slab;
Trec�nd prin el un curent electric.

Dou� dintre aceste metode sunt printre teoriile �tiin�ifice despre cum s-au format magne�ii naturali. Unii cercet�tori au speculat c� magnetita devine magnetic� dup� ce este lovit� de un fulger. Al�ii au sugerat c� aceste buc��i de roc� au devenit magnetice c�nd s-a format P�m�ntul, domeniile magnetice, aliniindu-se cu c�mpul magnetic terestru atunci c�nd fierul era �nc� lichid.

Cea mai comun� metod� de fabricare a magne�ilor de ast�zi implic� pozi�ionarea unui metal �ntr-un c�mp magnetic. C�mpul exercit� o for�� pe material, �ncuraj�nd alinierea domeniilor. Acolo exist� �i o mic� �nt�rziere, cunoscut� sub numele de histerez�, �ntre introducerea matalului �n c�mpul magnetic �i alinierea domeniilor – durez� c�teva momente pentru ca domeniile s� �nceap� s� se mi�te. Mai jos ve�i vedea ce se �nt�mpl�.

Domeniile magnetice se rotesc, aliniindu-se de-a lungul liniei nord-sud a c�mpului magnetic la care au fost supuse.
Domeniile deja aliniate pe aceast� direc�ie devin mai mari, �n timp ce domeniile din jurul lor devin mai mici.
Zidurile domeniului, sau marginile dintre domeniile apropiate se mi�c� fizic pentru a se adapta la m�rirea domeniului. �ntr-un c�mp magnetic foarte puternic, unele ziduri dispar �n �ntregime.

Puterea magnetului rezultat depinde de for�a cu care domeniile au fost mi�cate, altfel spus, de puterea c�mpului magnetic la care a fost supus metalul. Permanen�a sau retentivitatea sa depinde de c�t de greu a fost pentru a �ncuraja domeniile s� se alinieze. Materialele puternic magnetizate re�in magnetismul lor pe perioade lungi de timp, pe c�nd materialele u�or magnetizate revin adesea la starea lor original�, nemagnetic�.

Pute�i reduce puterea unui magnet sau s� �l demagnetiza�i total expun�ndu-l la un c�mp magnetic �n direc�ie opus� cu aliniajul domeniilor magnetice. Pute�i de asemenea demagnetiza un magnet �nc�lzindu-l aproape de punctul curie, sau temperatura la care �i pierde magnetismul. C�ldura deformeaz� materialul �i excit� particulele magnetice, cauz�nd distrugerea aliniamentului.

Acum vom vedea de ce materialele magnetizate atrag anumite metale.

5.4 De ce se lipesc magne�ii?

Se stie c� un curent electric care circul� printr-un conductor creeaz� un c�mp magnetic. Mi�carea sarcinilor electrice este responsabil� �i pentru c�mpul magnetic al magne�ilor permanen�i. Dar c�mpul unui magnet nu provine de la un curent electric puternic ce trece printr-un conductor – el provine de la mi�carea electronilor.

Mul�i oameni �i imagineaz� electronii ca mici particule care orbiteaz� �n jurul unui nucleu a�a cum planetele orbiteaz� �n jurul Soarelui. Fizica cuantic� explic� faptul c� mi�carea electronilor este ceva mai complicat� de at�t. �n esen��, electronii umplu �nveli�ul orbital al atomilor, unde ei se comport� �i ca particule, �i ca unde. Electronii au o sarcin� �i o mas�, �i o mi�care pe care fizicienii o descriu ca rota�ie �n direc�ie ascendent� sau descendent�.

�n general, electronii umplu orbitele atomilor �n perechi. Dac� unul dintre electronii unei perchi se rote�te �n sus, celelalt se va roti �n sens opus. Este imposibil ca electronii unei perechi s� se roteasc� �n aceea�i direc�ie. Aceasta este o parte a cuantului mecanic cunoscut ca principiul excluziunii Pauli.

Chiar �i c�nd electronii nu se mi�c� foarte departe, mi�carea lor este suficient� pentru a crea un mic c�mp magnetic. Deoarece electronii �n perechi se mi�c� �n direc�ii opuse, c�mpul lor magnetic se anuleaz� reciproc. Atomii materialelor feromagnetice, pe cealalt� parte, au c��iva electroni f�r� pereche care au aceea�i mi�care. Fierul, de exemplu, are patru electroni f�r� pereche care au aceea�i mi�care. Deoarece ei nu au electroni pereche care s� produc� c�mpuri magnetice opuse, ace�ti electroni au un moment orbital magnetic. Momentul magnetic este un vector – are o magnitudine �i o direc�ie. Este raportat la puterea torsiunea exercitat� de ambele c�mpuri magnetice. Un �ntreg moment magnetic al unui magnet apare atunci c�nd to�i atomii s�i au un moment magnetic.

�n metalele ca fierul, momenul orbital magnetic �ncurajeaz� atomii din apropiere s� se alinieze de-a lungul linilor nord-sud a c�mpului magnetic. Fierul �i alte materiale feromagnetice sunt cristaline. Cum se r�cesc dintr-o stare lichid�, grupele de atomi cu orbitale paralele se rotesc aliniate �nauntrul structurii cristaline. Am discutat aceste forme ale domeniilor magnetice �n sec�iunea anterioar�.

Poate a�i observat c� materialele din care se fac magne�i buni sunt acelea�i materiale pe care magne�ii le atrag. Acest lucru se �nt�mpl� deoarece magne�ii atrag materiale care au electroni f�r� pereche care se rotesc �n aceea�i direc�ie. Cu alte cuvine, calitatea care transform� un metal �n magnet, este aceea�i cu aceea care face magnetul s� atrag� acel metal. Multe alte elemente sunt diamagnetice – electronii lor f�r� pereche creeaz� un c�mp magnetic care respinge slab un magnet. C�teva materiale nu rec�ioneaz� deloc la c�mpurile magnetice.

5.5 M�surarea magne�ilor

Aceast� explica�ie �i fizica cuantic� care st� la baza ei sunt foarte complicate, �i f�r� acestea, ideea de atrac�ie magnetic� poate fi mistificat�. A�a c� nu este surprinz�tor faptul c� oamenii au v�zut materialele magnetice cu suspiciunea pentru mult� istorie. �n urm�toarea sec�iune, vom vedea puterea atribuit� magne�ilor.

5.6 Mituri despre magne�i

De fiecare dat� c�nd utiliza�i un computer, utiliza�i magne�i. Un hard-drive utilizeaz� magne�i pentru a stoca date, iar unele monitoare utilizeaz� magne�i pentru a crea imagini pe ecran. Dac� ave�i o sonerie la u��, aceasta utilizeaz� probabil un electromagnet pentru a lovi o pies� de metal de alta. Magne�ii sunt de asemenea componente vitale �n televiziunea CRT, difuzoare, microfoane, generatoare, transformatoare, motoare electrice, casete audio/video sau benzi de magnetofon, compase �i vitezometre de ma�ini.

�n plus la utiliz�rile lor practice, magne�ii au �i multe propriet��i distractive. Ei pot induce curent electric �n conductoare pentru a m�ri cuplul motoarelor. Un c�mp magnetic destul de puternic poate face obiectele mici s� leviteze. Trenurile Maglev utilizeaz� propulsia magnetic� pentru a c�l�tori la viteze foarte mari, iar fluidele magnetice ajut� la umplerea motoarelor de rachet� cu combustibil. C�mpul magnetic terestru, cunoscut ca magnetosfer�, ne protejeaz� de v�ntul solar. Conform revistei Wired, unii oameni chiar �i-au implantat mici magne�i de neodim �n degete pentru a-i ajuta s� detecteze c�mpurile magnetice.

Scanarea cu Rezonan�� Magnetic� (MRI) utilizeaz� c�mpuri magnetice pentru a ajuta doctorii s� examineze tri-dimensional oraganele interne ale pacien�ilor. Doctorii utilizeaz� c�mpuri magnetice pulsative pentru a trata fracturile care nu s-au vindecat corect. Aceast� metod�, aprobat� de administra�ia american� a m�nc�rii �i drogurilor �n anii ’70, poate �ndrepta oasele care nu au r�spuns la alt tratament. Pulsa�ii similare de energie electromagnetic� poate ajuta la oprirea degrad�tii oaselor �i mu�chilor astronau�ilor care stau �n medii lipsite de gravita�ie pentru perioade lungi.

Magne�ii pot de asemenea proteja �i s�n�tatea animalelor. Vacile sunt susceptibile de reticulopericardit� traumatic�, cauzat� de �nghi�irea obiectelor metalice. Obiectele metalice pot perfora stomacul unei vaci �i afecta diafragma sau inima. Magne�ii pot preveni acest lucru. O practic� include tracera unui magnet peste m�ncarea vacilor pentru a elimina obiectele metalice. Alta este de a hr�ni vacile cu magne�i. Ace�ti magne�i alinco pentru vaci atrag obiectele metalice �i previn lezarea stomacului sau a altor organe interne. Magne�ii ingera�i ajut� la protec�ia vacilor, dar este de preferat ca m�ncarea acestora s� nu con�in� obiecte metalice. Pe cealalt� parte, oamenii nu ar trebui s� m�n�nce magne�i deoarece ei se pot lipi de pere�ii intestinali, bloc�nd fluxul de hran� �i ucig�nd �esutul. La oameni, magne�ii �nghi�i�i necesit� intrerven�ie chirurgical� pentru a fi elimina�i.

Unii oameni sus�in utilizarea magne�ilor pentru a trata o larg� varietate de boli �i afec�iuni. Comform speciali�tilor, bran�urile, br��rile, colierele, saltelele �i pernele magneice pot �nl�tura sau alina orice afec�iune, de la artrit� la cancer. Unii speciali�ti au sugerat c� consumul de ap� magnetizat� poate trata sau preveni boli variate. Americanii cheltuiesc 500 de milioane de dolari pe an pentru tratamente magnetice, iar la nivel global, oamenii cheltuiesc anual 5 miliarde de dolari pe aceste tratamente.

Speciali�tii ofer� c�teva explica�ii pentru aceste contribu�ii ale magne�ilor �n vindecarea unor boli �i afec�iuni. Una este aceea c� magnetul atrage fierul din hemoglobina din s�nge, m�rind circula�ia sanguin� �ntr-o anumit� zon�. Alta este c� �n prezen�a unui c�mp magnetic, celulele din apropiere sufer� modific�ri. Totu�i, studiile �tiin�ifice nu au confirmat c� utilizarea magne�ilor statici au vreun efect asupra durerii sau bolilor. Probele clinice au sugerat c� efectele benefice acordate magne�ilor pot fi de fapt datorit� scurgerii timpului, cu bran�uri magnetice sau br��ri, sau vindecarea poate fi datorit� efectului placebo. �n plus, apa de b�ut nu con�ine elemente care pot fi magnetizate, pun�nd sub semnul �ntreb�rii ideea de ap� magnetic�.

Al�i sus�in�tori au sugerat de asemenea utilizarea magne�ilor pentru a reduce duritatea apei din case. Conform fabrican�ilor de astfel de produse, magne�ii pot reduce duritatea apei prin eliminarea elementelor feromagnetice din ap�. Totu�i, materialele care fac apa dur� nu sunt feromagnetice.� Chiar dac� magne�ii nu elimin� durerile cronice �i nu vindec� cancerul, ei tot sunt fascinan�i.

Bibliografie

[1] – C�tu�eanu V. – “Materiale pentru electronic�”, Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti, 1982;
[2] – Ileana F. – “Materiale electrotehnice si electronice”, Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti, 1993;
[3] –� Dragomirescu A., Svasta P. – “Materiale �i componente electronice”,� �ndrumar de laborator;
[4] –� www.howstuffworks.com

Tranzistorul bipolar

Fri, 20 Feb 2009 09:08:41 -0800

1. Prezentare general�

Un tranzistor bipolar este constituit din trei zone alternate ca dotare — PNP sau NPN — realizate pe acela�i monocristal. Zona de la mijloc este foarte sub�ire comparativ cu celelalte �i poart� denumirea de baza (B). Zonele extreme sunt denumite �n func�ie de polarizarea extern�, emitor (E) �i colector (C). Cele trei regiuni au contacte ohmice care sunt scoase �n afara capsulei tranzistorului �i se numesc terminale.

�n func�ie de tipul zonelor (N sau P) care sunt alternate, exist� dou� categorii de tranzistoare: NPN si PNP (fig.1). Datorit� modului de realizare, apar dou� jonc�iuni PN: jonc�iunea emitor-baz� (EB) �i jonc�iunea baz�-colector (BC) care pot fi asimilate cu dou� diode semiconductoare. �n practic�, dac� nu de�inem un catalog, se poate �nt�mpla s� g�sim un trazistor c�ruia s� nu �i cunoa�tem structura (NPN sau PNP). �n aceast� situa�ie se apeleaz� la o metod� de identificare a structurii tranzistorului bipolar dup� indica�iile din fig.2. Aceast� metod� presupune existen�a unui aparat de m�sur�, mai exact a unui multimetru digital av�nd comutatorul setat pe pozi�ia “testare diode”.

Dotarea cu atomi donori sau acceptori a emitorului �i colectorului este mult mai mare ca a bazei (de cca. 100 ori). Pentru ca tranzistorul s� func�ioneze, jonc�iunea EB se polarizeaz� �n sens direct iar jonc�iunea BC �n sens invers cu o tensiune mult mai mare ca a jonc�iunii EB.

�n cele ce urmeaz� se va explica func�ionarea unui tranzistor NPN care se utilizeaz� cel mai des (fig.3).

Concentra�ia de purt�tori �n emitor (electroni) fiind mult mai mare dec�t �n baz� �i deoarece jonc�iunea EB este polarizat� direct de la o surs� extern� U_EB (fig.3), are loc o injec�ie masiva de electroni din emitor (reprezentat printr-o s�geat�) �n regiunea bazei unde g�se�te un num�r mult mai mic de goluri. Aceste goluri se recombin� cu o mic� parte din electronii injecta�i. Datorit� faptului c� baza este foarte sub�ire majoritatea electronilor str�bat aceast� regiune �i p�trund �n zona colectorului. Jonc�iunea BC fiind polarizat� �n sens invers (pe colector se aplica tensiunea Ucb pozitiv� fa�� de baz�), apare un c�mp electric care accelereaz�, electronii veni�i din baz� spre colector. �n regiunea colectorului electronii veni�i din baz� se recombin� cu golurile sosite de la sursa de alimentare. Se remarc� astfel, c� de�i jonc�iunea BC este polarizat� invers, prin ea trece un curent mare, aproape egal cu curentul direct al jonc�iunii EB.

Aceasta reprezint� principala proprietate a efectului de tranzistor care poate fi enun�at astfel: printr-o jonc�iune polarizat� invers poate trece un curent mare dac� �n imediata vecin�tate (baza are grosime foarte mica) se g�se�te o jonc�iune polarizat� direct. �n cazul �n care grosimea bazei este mare (mai mare ca lungimea de difuzie a purt�torilor din emitor �n baz�) atunci efectul de tranzistor este inexistent �i cele dou� jonc�iuni �nseriate sunt independente.

�n fig.3 se prezint� fluxurile de purt�tori de sarcini prin tranzistor. Curentul de emitor este format din dou� componente:

Curentul I_EN se datoreaz� electronilor majoritari iar curentul I_EP este curentul invers (datorat golurilor) al jonc�iunii BE care este foarte mic �i se poate neglija.

Curentul de colector este format dintr-o frac�iune "α" a curentului de electroni ai emitorului �i din curentul invers de goluri al jonc�iunii BC notat I_CB0:

Factorul α are valori uzuale de ordinul 0,900...0,999. Curentul I_CB0este de dorit a fi c�t mai mic. El reprezint� astfel zis „factorul de calitate" al unui tranzistor. �n majoritate aplica�iilor acest curent se poate neglija pentru tranzistoarele actuale.

Curentul bazei este determinat de curentul invers al jonc�iunii BE (I_EP), de curentul de recombinare ai electronilor cu golurile din baz� (I_RB) �i de curentul I_CB0:

Pe baza considera�iilor de mai sus putem scrie rela�ia fundamental� de func�ionare a tranzistorului:

Pentru tranzistoarele de tip PNP, func�ionarea este identic�, cu observa�ia c� polariz�rile externe sunt de sens invers iar fluxul majoritor de purt�tori este format din goluri. Sensurile curen�ilor precum �i polariz�rile pentru cele dou� tipuri de tranzistoare sunt prezentate �n fig. 1.
Dac� se neglijeaz� I_CB0 se poate defini un coeficient care arat� de c�te ori curentul de colector este mai mare dec�t curentul de baz�.

Acest factor exprim� amplificarea �n curent continuu a tranzistorului �i arat� cum un curent mic de baz� duce la apari�ia unui curent de colector mult mai mare.

Pentru tranzistoarele actuale, a av�nd o valoare foarte apropiat� de 1, rezult� pentru β valori mari cuprinse �n general �ntre 10 �i 1000. Factorul de amplificare �n curent continuu depinde de temperatur� �i de m�rimea curentului de colector. El cre�te odat� cu cre�terea temperaturii �i scade la curen�i de colector mari.

Deci, efectul de tranzistor consta in modificarea� curentului de goluri (care pleac� de la emitor �i ajunge la colector) prin modificarea tensiunii de polarizare a unei jonc�iuni polarizate direct �i anume tensiunea de polarizare a jonc�iunii emitor – baz�.

2. Caracteristicile statice ale tranzistoarelor bipolare

Produc�torul de tranzistoare indic� �n foile de catalog leg�tura grafic� dintre curen�ii prin tranzistor �i tensiunile continue aplicate �ntre terminale. Aceasta reprezint� caracteristicile statice. Ca punct de referin�� al tensiunilor poate fi ales oricare din contactele tranzistorului. �n practic�, cel mai des tensiunile se refer� la emitor sau cu alte cuvinte cel mai uzual mod de conectare �n scheme al tranzistorului, este conexiunea emitor-comun (EC), care se va descrie mai departe.

�n fig.4 se prezint� pentru un tranzistor NPN cu siliciu aceste caracteristici �i montajul cu care se pot determina. M�rimile l_B �i U_BE sunt m�rimi de intrare, iar I_C �i U_CE, m�rimi de ie�ire.

Caracteristica de intrare — reprezint� varia�ia curentului de baza �n func�ie de tensiunea U_BE. Ea se determin� men�in�nd din P₂ o tensiune UCE constant� �i se variaz� cu P1 tensiunea de polarizare a bazei U_BE. Se m�soar� I_B �i U_BE. Aceast� caracteristic� este asem�n�toare cu a unei jonc�iuni PN polarizat� direct (fig.4c). Apari�ia curentului I_B �i implicit a curentului I_C, are loc numai la dep�irea unui prag de tensiune U_D numit tensiune de deschidere. Aceast� tensiune depinde de materialul semiconductor. Astfel pentru tranzistoarele cu Si deschiderea are loc pentru tensiuni U_BE cuprinse �ntre cca 0,5 V �i 0,65 V iar pentru cele cu Ge intre 0,1 V �i 0,2 V.
Caracteristica de ie�ire — exprim� varia�ia curentului de colector I_C �n func�ie de U_CE pentru diferite valori ale curentului de baz� I_B. Pentru determinarea ei, se stabile�te cu P₁ o anumit� valoare a curentului de baz� I_B care se men�ine constant�. Apoi cu P₂ se modific� tensiunea U_CE_C corespunz�tor. Studiul acestei caracteristici arat� c� la un curent de baz� constant, curentul de colector creste foarte pu�in cu U_CE�i de multe ori �n practic� el se consider� ca independent de aceast� tensiune. I_Cdepinde �n mod esen�ial de I_B�i deci de U_BE (fig.4b).
Caracteristica de transfer arat� dependen�a curentului de colector, de curentul de baz�. Ea se determin� regl�nd simultan P1 �i P2 pentru a men�ine U_CE �n acela�i timp se m�soar� varia�ia lui I_C �n func�ie de I_B. Aceast� caracteristic� este o linie dreapt� a c�rei �nclinare depinde de factorul de amplificare �n c.c. (fig.4d).

3. Regimurile de func�ionare ale tranzistoarelor

Din punct de vedere al modului de polarizare al celor trei jonc�iuni exist� trei regimuri de func�ionare:

Regimul activ normal (zona II din fig.4b). Tranzistorul are jonc�iunea BE polarizat� direct, iar jonc�iunea BC �n sens invers. Limitele acestui regim sunt determinate de condi�ia anul�rii uneia din tensiunile de polarizare. Curentul de colector al tranzistorului este controlat de circuitul de baz�.
Regimul de blocare sau t�iere (zona III din fig.4b). Jonc�iunile BE �i BC sunt polarizate �n sens invers. Curentul care trece prin tranzistor este foarte mic (de ordinul nanoamperilor) �i e datorat purt�torilor minoritari genera�i termic. Tensiunea invers� maxim� care poate fi aplicat� jonc�iunii BE �n regim blocat depinde de tipul tranzistorului �i este specificat� �n catalog. Astfel pentru tranzistoarele de �nalt� frecven�� cu Ge este de cca 0,3 V, la tranzistoarele cu Si de 3…7 V iar la tranzistoarele cu Ge aliate de 10…20 V. �n cazul dep�irii acestei tensiuni, jonc�iunea BE se comport� ca o diod� Zener cu o caracteristic� foarte abrupt�, apare un curent important invers �i dac� nu exist� o rezisten�� de limitare, tranzistorul se distruge prin ambalare termic�. Acest efect Zener al jonc�iunii BE este exploatat la unele tranzistoare de construc�ie special� utilizate �n etajele finale de baleiaj orizontal TV (TV CRT).
Regimul de satura�ie (zona I din fig.4b). Jonc�iunile BE �i BC sunt polarizate �n sens direct. Curen�ii care circul� prin tranzistor sunt limita�i �n principal de circuitul exterior. Acest regim poate apare �i la un tranzistor c�ruia i se aplic� sursele de polarizare pentru func�ionare �n regiunea activ� normal�. Astfel, dac� in fig.4a, poten�iometrul P₂ se �nlocuie�te cu rezisten�a R_Cconectat� �ntre colector �i +E_C, se vede c� prin m�rirea tensiunii U_BEse poate ajunge ca la un moment dat curentul Ic s� creasc� la o valoare �nc�t toat� tensiunea de alimentare s� cad� pe Rc. Se va produce astfel o limitare a curentului de colector la valoarea:

unde tensiunea U_CE este foarte aproape de zero �i marcheaz� frontiera dintre regimul activ normal �i regimul de satura�ie. P�n� la atingerea valorii Ics printr-un curent IBS, la un tranzistor �n regim activ normal se poate considera practic:

M�rirea curentului de baz� peste valoarea I_BS nu va mai produce o m�rire propor�ional� a curentului de colector, el r�m�n�nd la valoarea I_CS care nu poate fi dep�it� fiind limitat� de circuitul extern. Curentul de emitor �ns� va cre�te �n continuare cu diferen�a dintre curentul de baz� existent �i valoarea I_BS.

Cu alte cuvinte un curent de satura�ie I_CS printr-un tranzistor a c�rui valoare depinde de m�rimile exterioare R_C �i E_C poate fi ob�inut dac� �n baz� se injecteaz� un curent minim I_BS. Tensiunea colector-emitor ob�inut� se nume�te tensiune de satura�ie — U_CEsat.

4. Regimul dinamic al tranzistoarelor bipolare

Tranzistorul ca element de circuit poate fi considerat ca un cuadripol activ (fig.5). �ntruc�t are numai trei electrozi, unul va fi comun intr�rii �i ie�irii. Acest electrod sau terminal va servi ca punct de referin�� al tensiunilor �i este considerat la poten�ial zero (mas�).
La func�ionarea �n regim dinamic curen�ii �i tensiunile pe contactele tranzistorului sunt m�rimi variabile �n timp.

�n func�ie de terminalul comun ales, exist� trei moduri fundamentale de conectare: cu baza comun� (BC), cu emitor comun (EC) �i cu colector comun (CC) (fig.6).

a). Circuitul cu baz� comun� (BC) se caracterizeaz� prin aceea c� semnalul este aplicat �ntre baz� �i emitor iar rezisten�a de sarcin� R_Ceste montat� �ntre colector �i baz� (din punct de vedere al c.a. sursele E_B �i E₀ se prezint� �n s.c).

Datorit� valorii mari a curentului de intrare care este curentul de emitor, amplificarea �n curent este apropriat� de unitate �i impedan�a de intrare este redus� la zeci sau sute de ohmi. Acest lucru constituie un dezavantaj �n cazul montajelor cu mai multe etaje de amplificare unde impedan�a de intrare mic� amortizeaz� impedan�a de ie�ire a etajului precedent, lucru ce impune utilizarea unor circuite de adaptare complicate. Cu toate acestea montajul BC este larg utilizat �n amplificatoarele de �nalt� frecven�� fiind preferat montajului EC unde capacitatea de reac�ie colector-baz� proprie tranzistoarelor poate produce autooscilarea etajului. �n conexiunea BC, aceast� capacitate apare numai �n circuitul de ie�ire.

Impedan�a de ie�ire este mare, de ordinul sutelor de kOhmi sau MOhmi. Amplificarea de tensiune este de asemenea mare, iar �n cazul particular c�nd �n colector �i emitor exist� rezisten�ele R_C�i R_E este egal� (pentru frecven�e joase) aproximativ cu raportul lor: R_C/R_E.

Faza semnalului de ie�ire este identic� cu a semnalului de intrare. Acesta se poate explica �n modul cel mai simplu astfel: dac� tensiunea de intrare tinde s� creasc�, va cre�te deci poten�ialul emitorului, lucru ce va antrena sc�derea curentului de colector �i deci cre�terea tensiunii de colector (adic� a tensiunii de ie�ire).

b). Circuitul cu colector comun (CC) este caracterizat prin faptul c� semnalul de intrare se aplic� �ntre baz� �i colector iar rezisten�a de sarcin� R_E este conectat� �ntre emitor �i colector (din punct de vedere al ca. E_B �i E_C sunt �n s.c). Dac� schema din fig.6c o redesen�m ca �n fig.6d, observ�m c� doar o frac�iune din tensiunea de intrare U1 se aplic� �ntre baz� �i emitor (U_BE). Aceasta va produce o varia�ie a curen�ilor I_B, I_E �i I_C. Curentul de emitor produce pe rezisten�a de sarcin� R_E o tensiune de ie�ire U₂ mai mic� ca tensiunea de intrare (U₁= U_BE + U₂). De aceea amplificarea �n tensiune este subunitar� (0,09 — 0,95).

Datorit� valorii mici a curentului de intrare (curentul baz�), amplificarea de curent �i impedan�a de intrare sunt mari.

Impedan�a de ie�ire este foarte mic�. Ca valori concrete, impedan�a de intrare este de ordinul zecilor de kiloOhmi, iar impedan�a de ie�ire de ordinul zecilor de ohmi. Ambele impedan�e sunt dependente de β, I_C �i R_E. Datorit� acestei particularit��i a celor dou� impedan�e, conexiunea CC se utilizeaz� �n practic� �n special pentru adaptare.

�ntruc�t amplificarea �n tensiune este aproape unitar�, etajul se mai nume�te �i repetor pe emitor, el reproduc�nd practic la ie�ire semnalul de intrare ca amplitudine �i faz�.

c). Circuitul cu emitor comun (EC). Semnalul de intrare se aplic� �ntre baz� �i emitor iar rezisten�a de sarcin� este conectat� �ntre colector �i emitor. �ntruc�t curentul de intrare, care este curentul de baz�, are valoare mic�, comparativ cu I_E, impedan�a de intrare este mai mare ca la conexiunea BC, ceea ce permite realizarea unor amplificatoare cu mai multe etaje f�r� m�suri speciale de adaptare. De asemenea impedan�a de ie�ire este relativ mare fiind de ordinul zecilor sau sutelor de kiloohmi.

Amplificarea �n tensiune, dac� se consider� �n circuitul de emitor o rezisten�� R_E, este dat� aproximativ, pentru frecven�e joase, de raportul R_C/R_E, iar amplificarea �n curent este factorul �. Este montajul cel mai des utilizat �n practic� ca urmare a celor ar�tate mai sus.

Ca o observa�ie important� trebuie re�inut c� semnalul amplificat �n tensiune la ie�ire este �n antifaz� cu cel de la intrare. Astfel, dac� se presupune o varia�ie a tensiunii de intrare (U_BE) �n sens cresc�tor, aceasta determin� o cre�tere a curentului I_B deci si I_C, lucru ce duce la cre�terea c�derii de tensiune pe R_C �i �n ultim� instan�� la o sc�dere a tensiunii de ie�ire (U_CE).

�n tabelul de mai jos sunt concentrate caracteristicile schemelor de baz� din fig.6.

�n fig.7 se prezint� un etaj amplificator �n conexiune EC cu un tranzistor NPN.

Consider�nd c� tensiunea sursei de semnal US este nul�, observ�m c� sursa de alimentare EC se divide pe Rc �i pe tranzistor �ntre colector �i emitor conform rela�iei:

Aceast� ecua�ie se poate reprezenta �n planul caracteristicilor statice de ie�ire (fig.4b �i fig.7b) printr-o dreapt� AB numit� �i dreapt� de sarcin� ale c�rei capete sunt caracterizate prin:

Prin alegerea unei polariz�ri a bazei (EB) se poate stabili un curent I_BO a c�rui caracteristic� �ntretaie dreapta de sarcin� �n punctul P. Acest punct se nume�te punct de func�ionare �i �n planul caracteristicilor de ie�ire �i corespunde un curent de colector I_CO �i o tensiune U_CE.

Dac� �ns� peste polarizarea bazei se suprapune o component� de tensiune alternativ� U_S, curentul de baz� variaz�: I_B = I_B2 — I_B1. Aceasta va determina �n circuitul colectorului varia�ii ale curentului de colector (A/c) �i tensiunii colector-emiior (U_CE) �n jurul valorii statice I_C0, respectiv U_CE0.

Cu alte cuvinte dac� �n circuitul bazei se aplic� un semnal de ca., �n circuitul colectorului se ob�ine acela�i semnal dar amplificat �i �n antifaz�. Amplificarea depinde de tranzistor �i de m�rimile externe R_B, R_C.

Factorul de amplificare definit anterior, este un parametru care exprim� raportul I_C/I_B �n c.c. sau la frecven�e mici (cca. 1 kHz). Atunci c�nd frecven�a de lucru cre�te, raportul dintre valoarea curentului alternativ de colector �i valoarea curentului alternativ de baz� devine mai mic ca β �i �n aceast� situa�ie se define�te un nou parametru — h_21e— numit �i raport de transfer direct de curent. Acesta scade atunci c�nd frecven�a cre�te. Frecven�a la care el devine egal cu 1 se nume�te frecven�� de t�iere �i se noteaz� cu f_T.

Ca o observa�ie la acest parametru, trebuie men�ionat c� frecven�a de t�iere f_T �n conexiune EC este inferioar� conexiunii BC, unde este de β ori mai mare. Aceasta justific� utilizarea montajului BC �n amplificatoare de frecven�� nalt�.

Amplificarea de tensiune a acestui etaj se poate exprima ca �i �n cazul unei pentode prin:

unde R_C este impedan�a de sarcin� iar S este panta tranzistorului.

Panta este un parametru care arat� cu c�t variaz� curentul de ie�ire (colector) �n mA pentru 1 V varia�ie a tensiunii de intrare (U_BE). Ea se exprim� �n mA/V. O caracteristic� comun� tranzistoarelor bipolare este c� panta cre�te propor�ional aproape liniar cu curentul �i anume cu cca. 35 mA/V pentru fiecare mA al curentului de colector. De exemplu, dac� un tranzistor are I_C = 5mA atunci S = 35 • 5 = 175 mA/V �i dac� R_C = 1K avem o amplificare de tensiune A_u = 175 • 1 = 175.

La curen�i mari, aproape de curentul maxim de colector admis, panta este mai mic� �i nu mai cre�te liniar cu I_C. De asemenea panta depinde de frecven�a de lucru. Legea liniar� este valabil� �n general la frecven�e joase. La frecven�e medii �i �nalte ea scade cu frecven�a ajung�nd s� fie de cca. 25—30% la frecven�e apropiate de T*f_T. Acest lucru se datoreaz� �n principal faptului c� timpul necesar pentru parcurgerea grosimii bazei, la frecven�e de ordinul a (0,1…0,2)*f_T devine comparabil cu perioada frecven�ei �i curentul de colector �nceteaz� de a mai urm�ri prompt varia�iile instantanee ale curentului de baz�. Ca efect are loc o reducere a amplific�rii �i apari�ia unui defazaj �ntre curentul de ie�ire fa�� de cel de intrare.

Pozi�ionarea punctului static de func�ionare — P — (fig.7b) pe dreapta de sarcin� este deosebit de important�. De ei depinde func�ionarea tranzistorului �n regim liniar sau neliniar precum �i timpul cit conduce din totalul unei perioade. �n fig.8 se prezint� c�teva situa�ii particulare de pozi�ionare ale punctului static utilizate �n practic�.

�n cazul �n care se dore�te o func�ionare c�t mai liniar�, punctul static va fi la mijlocul dreptei de sarcin� �n M₂. �n acest caz tranzistorul va conduce toat� perioada semnalului (360� sau 2π). Alternan�ele tensiunii de colector sunt simetrice �i pot avea amplitudinea maxim� aproape egal� cu jum�tate din E_C. Se spune c� tranzistorul func�ioneaz� �n clas� A.

Dac� punctul static este aproape de zona de satura�ie — M₁— atunci una din alternan�e va fi limitat� �i are loc o func�ionare neliniar�. Aleg�nd punctul de func�ionare — M₄ — la intersec�ia dreptei de sarcin� cu axa U_CE se ob�ine o conduc�ie a tranzistorului de o jum�tate de perioad� (180� sau π). Semnalul �n colector va avea o singur� alternan�� i tranzistorul va func�iona �n clasa B. Curentul continuu consumat de la surs� este nul �n absen�a semnalului �i el cre�te pe m�sura cre�terii lui. Acest regim permite ob�inerea de randamente energetice mari (p�n� la 80%).

Dac� �ns� punctul de func�ionare este M₃ adic� aproape de punctul de t�iere al tranzistorului, atunci este posibil ca de la un anumit nivel al semnalului de intrare, tranzistorul s� conduc� mai pu�in de o perioad�. Tranzistorul va func�iona �n clasa AB �i consumul de curent de la surs� c�nd nu se aplic� semnal la intrare este mic. Acest mod de lucru este utilizat �n amplificatoarele audio �n contratimp cu mare randament pentru reducerea distorsiunilor de racordare.

Din punct de vedere practic apare uneori necesitatea ca tranzistorul s� conduc� mai pu�in de o jum�tate de perioad�. �n acest caz punctul de func�ionare va fi M₅ �i tranzistorul va func�iona �n clasa C. Pentru aceasta, circuitul de intrare va avea o polarizare a bazei care va permite ca numai de la un anumit nivel al alternan�ei pozitive a semnalului de intrare tranzistorul s� se deschid�. Acest regim are cel mai mare randament energetic �i se utilizeaz� �n etajele de amplificare RF sau multiplicare de frecven�� (procentul de armonici este mare datorit� formei pulsului curentului de colector) din emi��toare.

O ultim� clas� de func�ionare, este clasa D. �n acest caz tranzistorul lucreaz� �n regim de comuta�ie, blocare — satura�ie. Puterea disipat� de tranzistor �n cele dou� st�ri este minim� �i se pot ob�ine amplific�ri foarte mari cu randamente deosebit de ridicate. Dezavantajul este c� partea de intrare este complicat�.

5. Polarizarea tranzistoarelor

�n cele prezentate mai sus s-a considerat c� jonc�iunile EC �i BC au fost polarizate cu dou� surse separate E_B �i E_C. Acest lucru creeaz� din punct de vedere practic multe dificult��i. De aceea cel mai r�sp�ndit mod de polarizare este acela care utilizeaz� o surs� comun� de alimentare — dup� cum se prezint� �n fig.9 pentru un tranzistor NPN �n conexiune EC �i regim de amplificare clas� A.

Sursa E_C furnizeaz� at�t curentul de colector c�t �i curentul de baz� necesar pozi�ion�rii punctului static de func�ionare pe dreapta de sarcin� �n zona dorit� (fig.9a). Marele dezavantaj al acestei scheme este c� datorit� dispersiei mari a parametrilor tranzistorului (IB, β) pe de o parte, iar pe de alt� parte datorit� varia�iei lor cu temperatura, punctul static de func�ionare nu poate fi controlat �n practic�.

Schema din figura 9b �nl�tur� dispersia curentului de baz� �i deci a lui �, prin montarea unui divizor de polarizare RB1, RB2 prin care se stabile�te un curent de circa (10…20)*I_B. Astfel c� tensiunea bazei este practic stabilizat�. F�r� a avea preten�ia c� nu exist� excep�ii, pentru circuitul din fig.9b (care este cel mai des �nt�lnit) se pot considera drept uzuale urm�toarele domenii pentru rezisten�ele circuitului, dac� tranzistorul este de mic� putere:

Rezisten�a de emitor R_E care introduce o reac�ie negativ�, are un mare rol �n �mbun�t��irea parametrilor schemei din punct de vedere al temperaturii. Astfel, datorit� cre�terii temperaturii, curen�ii I_C �i I_E au tendin�a s� creasc�. Va cre�te �i poten�ialul emitorului fa�� de mas� �i cum baza este men�inut� la o tensiune constant� datorit� divizorului R_B1 �i R_B2, va rezulta o diminuare a tensiunii UBE si deci a curen�ilor IC, IE. Dezavantajul acestei scheme este c� datorit� valorilor relativ mici ale rezisten�elor R_B1�i R_B2 are loc un proces de reducere a impedan�ei de intrare a etajului care �n special �n amplificatoarele cu mai multe etaje este sup�r�tor. Pentru �nl�turarea acestui inconvenient, se poate utiliza pentru polarizarea bazei o conexiune „boostrap" care p�streaz� �i avantajele schemei precedente datorit� existen�ei divizorului de baz� (fig.9c).

�ntruc�t �n conexiunea EC semnalul pe emitor este �n faz� cu cel din baz�, prin condensatorul C se aplic� o reac�ie pozitiv� la intrare (deci o m�rire a semnalului in baz�) care se traduce prin m�rirea impedan�ei din intrare.

6. Tranzistorul �n regim de comuta�ie

Anterior s-au descris regimurile de func�ionare �n starea de blocare �i de satura�ie (pct.3). Prin regim de comuta�ie al unui tranzistor se �n�elege un regim dinamic �n care tranzistorul func�ioneaz� alternativ, saturat-blocat.

�n fig.10 se prezint� schema unui comutator �n conexiune E_Ccu un tranzistor NPN, precum �i pulsurile de curent cu timpii corespunz�tori. Blocarea tranzistorului este caracterizat� pe dreapta de sarcin� de punctul de func�ionare A unde I_C este zero iar U_CE= E_C. De asemenea, satura�iei tranzistorului ii corespunde un punct de func�ionare B, care se ob�ine prin injectarea unui curent minim de baz� I_BSmin.

�n colector se ob�ine un curent I_CS=β•I_BSmin. �n practic� �ns�, pentru garantarea satur�rii tranzistorului se aplic� un curent I_BS > I_BSmin. Curentul de colector nu mai poate cre�te si atunci I_CS < β• I_BS.

Tensiunea de colector �n acest caz va fi foarte mic�: U_CEsat=(0,1..0,5)V. Consider�m c� p�n� la momentul t₀ tranzistorul este blocat de valoarea negativ� U₁ a semnalului de intrare (U_i) aplicat pe baz�. La acest timp, are loc un salt al tensiunii de intrare de la valoarea U₁ la valoarea pozitiv� U₂, urm�rit promt de saltul curentului de baz� de la zero la I_B1> I_BSmin.

Datorit� faptului c� purt�torilor de sarcini (electroni) injecta�i rapid de emitor �n baz� le trebuie un timp ca s� ajung� �n colector, curentul I_Cse va men�ine la zero un timp de �nt�rziere — t_t — dup� care �ncepe s� creasc� Ia valoarea sta�ionar� I_CS.

Timpul �n care curentul cre�te de la zero la 0,9 din valoarea sa final� se nume�te timp de ridicare sau de cre�tere — t_r. Rezult� deci c� de la momentul t₀ c�nd s-a aplicat comanda de comuta�ie �n satura�ie, p�n� la momentul c�nd curentul de colector a atins 0,9 din valoarea maxim� a trecut un timp numit „timp de comuta�ie direct�":

Dac� �ns� la momentul t₃, semnalul de intrare scade brusc de la valoarea U₂ pozitiv la U₁ negativ, curentul de baz� va tinde �i el s� scad� brusc de la I_B1 la I_B2 schimb�ndu-�i sensul datorit� faptului c� in regiunea bazei se g�sesc purt�tori de sarcin� �n num�r mare. Rezisten�a R_B are rol de a limita curentul de baz� la valoarea I_B2 �i a proteja astfel jonc�iunea BE. Surplusul de sarcin� electric� din zona bazei va face ca I_CS s� se mai men�in� un timp — t_S — dup� care acesta �ncepe s� scad�. �n acest timp are loc evacuarea sarcinii stocate �n baz� de unde �i denumirea de timp de stocare.

La momentul t₄ are loc ie�irea din satura�ie a tranzistorului �i punctul de func�ionare se va deplasa din B �n A �ntr-un timp t_C. �n acest interval de timp sarcina din baz� continu� s� se evacueze p�n� la anularea ei aproape complet�. Timpul t_C se nume�te timp de c�dere �i este definit ca timpul �n care curentul de colector scade de la valoarea I_CS la 0,1•I_CS.

Prin „timp de comuta�ie invers�" se �n�elege intervalul de timp din momentul aplic�rii comenzii de blocare p�n� �n momentul �n care curentul de colector scade la 0,1 din valoarea sa maxim� �i este:

Observa�ie: �n cataloagele diver�ilor produc�tori se mai �nt�lnesc pentru unii timpi de mai sus �i urm�toarele nota�ii cu semnifica�ia: t_d = t_i; t_f = t_c.

Din punct de vedere practic este de dorit ca U_CEsat c�t mai mic�, deoarece valoarea mare a curentului I_CS ce trece prin tranzistor va produce o disipa�ie de putere mare. Pentru aceasta curentul I_Bva trebui m�rit considerabil fa�� de I_BSmin. Cre�terea �ns� nu va trebui s� fie exagerat�, �ntruc�t timpul de stocare va cre�te �i �n felul acesta se �nr�ut��esc propriet��ile de comuta�ie ale tranzistorului.

Cazul tipic de func�ionare �n acest regim �l reprezint� etajul final de BO din televizoare.

7. Parametrii limit� ai tranzistoarelor

�n filele de catalog puse la dispozi�ia beneficiarilor de produc�torii de tranzistoare se specific� o serie de parametri care nu trebuie dep�i�i, dup� cum urmeaz�:

Temperatura maxim� a jonc�iunii. Ea depinde de natura materialului semiconductor. Pentru tranzistoarele cu Si avem T_jmax = 125…175�C, iar pentru cele cu Ge, T_jmax= 80…100�C. Acest lucru se asigur� de regul� prin alegerea unor regimuri de curen�i �i tensiuni judicioase iar acolo unde este cazul prin m�suri speciale de r�cire. Trebuie men�ionat c� limita inferioar� de func�ionare pentru toate tipurile de tranzistoare� este� T_jmin = —65�C.
Curentul de colector maxim al unui tip de tranzistor depinde de o serie de factori din care men�ion�m valoarea puterii disipate �n regim de satura�ie, pragul p�n� la care se admite sc�derea factorului de amplificare �n curent. Acest curent corespunde regimului permanent �i se noteaz� �n catalog cu I_Q. Se mai define�te un curent maxim de v�rf — I_CM — care poate fi atins numai �n regim de impulsuri cu o durat� maxim� bine stabilit�. Acesta este limitat de existen�a neregularit��ilor formelor plane ale jonc�iunilor unde �n anumite zone pot ap�rea densit��i mari de curent care produc o �nc�lzire periculoas� �i deci distrugerea tranzistorului.
Curentul maxim de baz� admis �n regim permanent se noteaz� cu I_B, iar �n regim de impulsuri I_BM.
Tensiunea invers� emitor-baz�, reprezint� tensiunea maxim� admisibil� care poate fi aplicat� jonc�iunii EB �n sens de blocare. Importan�a acestui parametru a fost explicat� �n detaliu, la pct.3. �n cataloage este notat� cu U_EB0. Indicele 0 arat� c� ea este determinat� pentru situa�ia cu colectorul �n gol (I_C = 0).
Tensiunea maxim� de colector depinde de modul de conectare al tranzistorului. Astfel �n cataloage se specific� urm�toarele tensiuni:

U_CB0 este tensiunea invers� aplicat� jonc�iunii colector-baz� c�nd emitorul este deschis sau �n gol (I_E = 0). �ntruc�t jonc�iunea emitor-baz� este inert�, tranzistorul se comport� ce o diod� polarizat� invers. Este cea mai mare tensiune pe care o poate suporta tranzistorul.
U_CEX reprezint� tensiunea colector-emitor cu jonc�iunea EB blocat� de o tensiune invers� fa�� de situa�ia normal� c�nd este deschis�. Este mai mic� ca U_CB0.
U_CES este tensiunea colector-emitor c�nd jonc�iunea EB este scurtcircuitat� din exterior. �ntruc�t aceast� jonc�iune va fi pu�in activat�, tensiunea U_CES este ceva mai mic� ca U_CEX;
U_CER reprezint� tensiunea colector-emitor c�nd �ntre emitor �i baz� se g�se�te conectat� o rezisten��. Este �i mai mic� ca U_CES �i U_CEX.
U_CEO reprezint� tensiunea colector-emitor cu baza �n gol (I_B = 0). Este de regul� cea mai mic� tensiune.

Trebuie f�cut� observa�ia c� aceste tensiuni, determin� o polarizare invers� a jonc�iunii colector-baz�, iar jonc�iunea baz�-emitor poate fi �n situa�iile men�ionate. Tensiunilor inverse prezentate le corespund curen�ii inver�i (reziduali): I_CB0, I_CE0, I_CER, I_CES �i I_CEX. Cel mai mare curent rezidual este I_CE0=3•I_CB0. Acesta se dubleaz� la cre�terea temperaturii cu cca. 70⁰C. Ace�ti curen�i sunt curen�ii inver�i limit� care nu trebuie dep�i�i, �n fig.11 este prezentat� comportarea tranzistoarelor la tensiuni mari.

Tensiunile inverse maxime pe care un tranzistor le poate suporta sunt �n zona unde �ncepe un proces de avalan�� numit prima str�pungere. Acest regim nu devine periculos at�t timp c�t aceste tensiuni �mpreun� cu curen�ii reziduali corespunz�tori r�m�n �n interiorul parabolei care reprezint� puterea disipat� maxim� (fig.11a). Curen�ii inver�i maximi sunt cu at�t mai mici cu c�t tensiunile cresc. �n cazul dep�irii acestor tensiuni datorit� atingerii pragului de avalan�� Up procesul de multiplicare nu mai poate fi controlat �i tranzistorul intr� rapid �n str�pungere secundar� manifestat prin mic�orarea c�derii de tensiune �ntre colector �i emitor �i cre�terea curentului (fig.11b).

Puterea disipat� maxim� reprezint� teoretic puterea disipat� pe cele dou� jonc�iuni:

�ntruc�t �n regim activ normal UBE << UCB, putem practic considera:

�n planul caracteristicilor de ie�ire, ecua�ia (14) reprezint� o parabol� care �mpreun� cu curentul de colector maxim �i tensiunea colector-emitor maxim� delimiteaz� zona admis� de func�ionare (fig.12).

Puterea disipat� maxim� se mai noteaz� �n cataloage �i cu P_M. �n cazul tranzistoarelor de putere, disipa�ia este asigurat� prin montarea de radiatoare al c�ror calcul �ine seama de temperatura jonc�iunii capsulei �i mediului ambiant precum �i de rezisten�ele termice care intervin �ntre jonc�iune �i mediul ambiant.

8. Aplica�ie

Se d� circuitul din fig.13, alimentat cu E_C=18Vcc �i care folose�te un tranzistor tip BC109B av�nd β=300 �i I_CB0 neglijabil. �tiind c� tranzistorul trebuie s� lucreze �n punctul static I_C=3mA, U_CE=8V, U_BE=0,6V, se cer valorile rezisten�elor R₁, R₂, R₃ �i R₄.

Solu�ie

Se scriu urm�toarele ecua�ii caracteristice rezultate �n urma aplic�rii teoremei lui Kirchhoff �n fig.13:

Deoarece�β=300 putem scrie:

Deoarece α≈1 putem scrie:

Totodat�,

Sistemul (15) fiind de dou� ecua�ii cu patru necunoscute, se aleg: R₄=1 kOhmi �i R₂=10 kOhmi, conform domeniilor indicate �n tabelul 2.

Din prima ecua�ie a sistemului (15) rezult�:

Care se rotunje�te la standardul cel mai apropiat, din clasa de toleran�� 10%, adica R₃=2,2kΩ.
Din a doua ecua�ie a sistemului (15) se scrie:

Se va adopta o valoare standardizat� de R₃=39kΩ.

OBS. Av�nd cunoscute rezisten�ele R₁ �i R₂, se poate calcula tensiunea E_B cu ajutorul rela�iei divizorului de tensiune: E_B=E_C(R₂/(R₁+R₂)).

9. Reglajul punctului static la valoarea dorit�

Dac� se realizeaz� experimental circuitul calculat �n aplica�ia precedent� �i se m�soar� punctul static de func�ionare, se vor constata abateri fa�� de valorile impuse ini�ial. Acestea se datoresc urm�toarelor cauze:

circuitul nu se poate realiza cu valorile calculate ale rezisten�elor, ci cu valorile standardizate ale acestora, care difer� pu�in de primele. Mai mult, rezisten�ele ce apar�in clasei de toleran�e 10% de exemplu, au valorile reale diferite de valoarea standard �nscris� pe ele cu ±10%;
parametru � poate avea o dispersie �n jurul valorii nominale de -50% p�n� la +100%, pentru acela�i tip de transistor, un caz foarte des �nt�lnit practic;
punctul static de func�ionare variaz� cu temperatura �i este foarte probabil ca temperatura tranzistorului s� difere de cea dat� �n catalog drept referin��.

De aceea, pentru a aduce punctul static de func�ionare la valoarea dorit�, se pot efectua urm�toarele reglaje (a se vedea circuitul din fig.13):
a). Pentru modificarea numai a tensiunii U_CE, se �ine cont de explicarea func�ion�rii fizice a tranzistorului, care a�a cum s-a ar�tat, poate fi considerat un generator de curent constant �ntre emitor �i colector. Prin urmare, modific�nd rezisten�a R₃, se modific� c�derea de tensiune pe ea, diferen�a p�n� la valoarea (E_C-R₄·I_E) fiind preluat� de U_CE (vezi prima ecua�ie din sistemul (15)). Deci m�rind R₃, scade U_CE �i invers, cu precau�ia de a nu m�ri exagerat de mult pe R₃, ceea ce ar duce la ie�irea tranzistorului din regiunea activ� normal� a caracteristicilor. De subliniat c� la acest reglaj curentul de colector r�m�ne constant.
b). Pentru a modifica curentul de colector, se poate ac�iona fie modific�nd pe R₄, fie divizorul R₁, R₂ din baz�. De obicei se prefer� ultima variant� �i anume: dac� se m�re�te rezisten�a R1, poten�ialul pozitiv adus prin divizorul R₁, R₂ pe baza tranzistorului scade, jonc�iunea emitor-baz� este mai slab polarizat� �i deci curentul de colector scade (la limit�, dac� R1 → ∞ baza are poten�ialul masei �i I_C=0). Evident, dac� R1 se mic�oreaz�, curentul de colector va cre�te. Similar, dac� R₂ se mic�oreaz�, frac�iunea din +E_C care se aduce pe baz� scade �i curentul de colector va sc�dea �i el (la limit�, dac� R₂=0, baza cap�t� poten�ialul masei �i I_C=0). Invers, dac� R₂ se m�re�te, curentul de colector cre�te.

Se observ� c� odat� cu modificarea curentului de colector se modific� �i c�derea de tensiune pe rezisten�ele R₃, R₄, ceea ce atrage dup� sine modificarea tensiunii colector-emitor �i anume cre�terii lui I_C �i corespunde sc�derea lui U_CE �i viceversa.

10. Varia�ia punctului static de func�ionare cu temperatura

La oricare din circuitele polarizate (fig.6), la o m�rire a temperaturii, curentul de colector tinde s� creasc�, ceea ce atrage dup� sine sc�derea tensiunii U_CE.

Cre�terea curentului de colector se datoreaz� urm�toarelor cauze:

La ridicarea temperaturii, curentul rezidual al jonc�iunii colector baz� cre�te puternic, contribuind astfel la m�rirea curentului de colector
Pentru o jonc�iune polarizat� direct, str�b�tut� de curent constant, dac� temperatura cre�te, tensiunea la bornele ei scade. Prin urmare, �n cazul tranzistorului ridicarea temperaturii va conduce la sc�derea tensiunii baz�-emitor, pentru curent de emitor constant. Rezult� c� dac� circuitul de polarizare men�ine UBE constant, are loc o m�rire a curentului prin tranzistor, deci �i a curentului de colector.
Experimental se constant� o cre�tere a factorului de amplificare �n curent odat� cu temperatura. A�adar, dac� circuitul de polarizare asigur� o injec�ie constant� de curent �n baz�, va rezult� odat� cu cre�terea temperaturii o m�rire a curentului de colector.

�n concluzie, curentul de colector este func�ie de temperatur� prin intermediul lui I_CB0, U_BE �i �.

11. Metode de stabilizare a varia�iilor punctului static de func�ionare

Problema stabiliz�rii punctului static de func�ionare �n raport cu temperatura este una din problemele critice care apar la dispozitivele semiconductoare. Prin varia�ia temperaturii nu trebuie s� se �n�eleag� doar varia�ia temperaturii mediului ambiant (de�i �i aceasta este important�), dar �i �nc�lzirea tranzistorului atunci c�nd este str�b�tut de curent electric (prin simpla punere sub tensiune a circuitului). A�adar, prin varia�ia temperaturii se �n�elege varia�ia temperaturii jonc�iunilor, care poate avea cauze multiple.

Metodele utilizate pentru stabilizare sunt de dou� feluri:

Metode liniare de stabilizare. Aceste metode constau �n introducerea unor rezisten�e convenabile (ca m�rime �i pozi�ie) �n circuitul de polarizare (fig.14a). Astfel, se poate constata experimental (�i verifica prin calcul) c� �n general, introducerea unei rezisten�e �n emitorul tranzistorului are un efect favorabil, cu at�t mai pronun�at cu c�t valoarea rezisten�ei este mai ridicat�.
Metode neliniare de stabilizare. Aceste metode constau �n introducerea unor elemente neliniare (de exemplu diod�, termistor, diod� Zener) �n circuitul de polarizare (fig14b �i c). Se urm�re�te ca, prin varia�ia cu temperatura a unui parametru caracteristic elementului neliniar, s� se compenseze tendin�a de varia�ie a curentului de colector.

Pentru exemplificare, s� privim circuitul din figura 14b, unde dioda D este confec�ionat� din acela�i material ca tranzistorul �i are curentul rezidual I0. Mecanismul compens�rii este urm�torul: la o cre�tere a temperaturii ambiante, tendin�a ini�ial� a curentului de colector este s� creasc�. �n acela�i timp se m�re�te curentul rezidual al diodei, cre�te deci �i c�derea de tensiune pe rezisten�a R₁, ceea ce face ca poten�ialul bazei s� scad�, iar curentul de colector s� aib� o tendin�� de sc�dere. Aceasta compenseaz� tendin�a ini�ial� de cre�tere a lui I_C.

Pentru a alege corect dioda va trebui s� scriem� ecua�ia:

din care se scoate valoarea lui I0.

Alt circuit des �nt�lnit este cel desenat �n fig.14c, �n care rezisten�a R₂ este un termistor. Circuitul ac�ioneaz� �n felul urm�tor: se presupune o ridicare a temperaturii ambiante. Acesta atrage dup� sine cre�terea curentului de colector; totodat� valoarea rezisten�ei R₂ scade, deci se mic�oreaz� poten�ialul continuu adus pe baza tranzistorului prin divizorul R₁ �i R₂. �n consecin�� apare o tendin�� de sc�dere a curentului de colector care compenseaz� tendin�a ini�ial�.

Totu�i, pentru a le face sensibile �i la varia�ia temperaturii jonc�iunii, circuitele de compensare discutate se prev�d cu un cuplaj termic c�t mai str�ns �ntre transistor �i diod�, respectiv termistor. Astfel, �n cazul trazistoarelor de putere a�ezate pe radiator se poate monta dispozitivul neliniar �n corpul unui �urub care apoi se �n�urubeaz� �n radiator c�t mai aproape de tranzistor.

12. Tipuri si familii de tranzistoare

Pentru identificarea diferitelor tipuri de tranzistoare se folosesc diverse coduri. De exemplu, �n codul european prima liter� semnific� natura materialului semiconductor: A = germaniu, B = siliciu. C = galiu-arsen, D = indiu-anti-moniu. A doua liter� arat� domeniul de aplicare: C = tranzistor de semnale mici si joas� frecven��; D = tranzistor de putere �i joas� frecven��; F = tranzistor de �nalt� frecven��; L — tranzistor de putere �i �nalt� frecven��; S = tranzistor de comuta�ie; U = tranzistor de putere pentru comuta�ie. �n codul american tranzistoarele sunt desemnate prin indicativul 2N. Cifrele de la urm� indic� tipul respectiv de tranzistor.

�n stadiul actual de dezvoltare al electronicii materialul de baz� este siliciu care este mai pu�in afectat de temperatur�. Acesta permite ob�inerea de tranzistoare �ntr-o gam� larg� de puteri �i frecven�e. De asemenea constituie elementul principal al circuitelor integrate.

�n anumite circuite electronice este necesar sortarea trazistoarelor bipolare. �n general, criiteriile de sortare se refer� la abatarea parametrului � (factorul de amplificare �n curent) fa�� de o valoare � luat� ca referin�� n aplica�ia respectiv�. Abaterea poate fi pozitiv� sau negativ� �i se exprim� �n procente. Cu c�t criiteriile de selec�ie sunt mai riguroase cu at�t mai mult exist� �ansa ob�inerii unui circuit mai scump, deoarece este necesar achizi�ia �i sortarea mai multor tranzistoare. �n aplica�iile mai preten�ioase, tranzistoarele nu se sorteaz� nu numai dup� factorul �, ci �i dup� al�i factori, ca de exemplu: factorul de zgomot.� Factorul de zgomot este definit ca un c�t �ntre raportul semnal/zgomot la ie�irea tranzistorului �i acela�i raport dar referit la intrare. Valoarea redus� a acestui parametru (tipic 2 dB) recomand� folosirea acestor tranzistoare �n etajele de intrare ale amplificatoarelor de AF.

�n continuare se vor prezenta principalele tipuri �i familii de tranzistoare cu Si utilizate �n aparatura electronic� de larg consum.

a). Tranzistoare cu Si de AF �i comuta�ie, de mic� putere. Familia tranzistoarelor NPN �n capsul� metalic� TQ-18, cuprinde ca tipuri reprezentative: BC 107, 108, 109. Tipurile complementare PNP �n aceea�i capsul� sunt: BC 177, 178, 179. Prin utilizarea capsulelor de plastic impermeabile, tehnologia a devenit mai productiv� �i mai ieftin� cu 20-40%. Din clasa tranzistoarelor de mic� putere �n capsul� de plastic fac parte: BC173, BC174, BC546, BC556, BC550, BC560, BC639, BC640 etc.

b). Tranzistoare cu Si de putere medie
Cea mai uzual� familie este BD 135, 137, 139 (NPN) �mpreun� cu cornplementarea ei BD 136, 138-140 (PNP). Acestea s�nt in general utilizate in etaje finale cu puteri de p�n� la 3 —4 W. Puterea disipat� maxim� este de cea 12W la o temperatur� a capsulei de 25�C iar curentul de colector maxim de IA. �n practic� �ns� nu se utilizeaz� la curen�i mai mari de 0,5 A �ntruc�t (3 scade foarte mult peste aceast� valoare. Pentru amplific�ri la curen�i de ordinul 0,5—1A se utilizeaz� alte familii: BD 233-235-237 (NPN) si BD 234-236-238 (PNP). Puterea disipat� maxim� este de 25W, iar curentul de colector maxim de 2A. Capsula este din plastic tip SOT 32 sau TO-126 av�nd colectorul scos la suprafa�� pentru a permite un contact direct eu radiatorul �n vederea unei bune r�ciri.

c). Tranzistoare cu Si NPN pentru etajele finale video
Aceste tranzistoare au sarcina �n televizoare de a amplifica semnalul video complex de la un nivel de 3—4 Vvv p�n� la o amplitudine de 90—100 Vv c�t �i este necesar unui cinescop modern. �ntruc�t spectrul unui semnal video de luminan�� se �ntinde de la 0 la 5 MHz amplificarea �n conexiune EC trebuie s� fie uniform� �n band� (20—35 ori). Rezult� c� frecven�a de t�iere trebuie s� fie mare (fT > 50 MHz). Pentru ob�inerea nivelului de ie�ire dorit, tensiunea de alimentare a etajului este mare �i de aceea UCE0 este cuprins� �ntre 100 �i 300 V. Rezisten�ele de sarcin� uzuale de 3—5 kOhmi vor determina un curent mediu de 10— 30 mA ceea ce implic�, din motive de fiabilitate, curen�i de colector maximi �ntre 50 �i 100 mA. De asemenea pentru o func�ionare stabil� la frecven�e �nalte �n conexiune ??, trebuie ca capacitatea de reac�ie (CCB) s� fie mic� (1—6 pF).

d). Tranzistoare cu Si de RF �i FI-MA-MF
Aceste tranzistoare echipeaz� blocurile de �nalt� frecven�� ale radioreceptoarelor, amplificatoarele de FI-MA-MF, precum �i AFI-sunet din televizoare. De asemenea unele tipuri (BF214) pot fi utilizate ca oscilator �n selectoarele de canale FIF. Parametrii limit� sunt de ordinul: Pmax = 120-300 mW; I_C = 15-30 mA; U_CE0 = 20-25 V. Pentru a lucra �ns� �ntr-o zon� de frecven�� de la 0,15 la cea 20 MHz aceste tranzistoare prezint� o frecven�� de t�iere ridicat� (200—300 MHz) �i o capacitate colector-baz� mic� (0,5—lpF).

e). Tranzistoare cu Si pentru AFI — video-sunet TV.
Domeniul ridicat de frecven�� (30—40 MHz) �n care trebuie s� lucreze acest tranzistoare implic� pe de o parte, frecven�e de t�iere mari de ordinul a 400—600 MHz, iar pe de alt� parte capacit��i de reac�ie CCB reduse la jum�tate fa�� de tipurile anterioare. Sunt utilizate de regula �n conexiune ?? f�r� neutrodinare �i �n regim de amplificare reglabil� (RAA) sau nereglabil�.

Reducerea capacit��ii de reac�ie colector-baz� se realizeaz� printr-un ecran integrat �n cursul fabrica�iei �ntre insula de folie metalic� care este contactul bazei �i zona colectorului. Ecranul, fiind conectat la emitor efectul capacit��ii parazite este mult diminuat. Deoarece ecranul este un strat P realizat �n materialul de baz� N al colectorului, apare o jonc�iune PN care se comport� ca o diod� conectat� �ntre emitor �i colector. De aceea �n m�sur�torile curente cu ohmetrul aceste tranzistoare �ntre colector �i emitor prezint� caracterul unei diode �i nu stare de blocare �n ambele sensuri.

Familiile reprezentative sunt BF 167-173 �n capsul� metalic� TO-72 �i BF 198-199 �n capsul� de plastic asem�n�toare tranzistoarelor BC. Tipurile BF 199 �i BF 173 sunt folosite �n regim de amplificare fix�, iar tipurile BF 167, BF 198 �n regim reglabil (RAA) de amplificare. Reglajul poate fi f�cut �n tensiune sau �n curent.

f). Tranzistoare cu Si pentru domeniile FIF - UIF
Aceste tranzistoare echipeaz� selectoarele de canale TV �n vederea recep�ion�rii benzilor FIF (50-230 MHz) �i UIF (470—860 MHz). Datorit� frecven�elor mari de lucru, frecven�a de t�iere este mare, capacitatea de reac�ie mic� �i factorul de zgomot mic. �n prima etap� de introducere a tranzistoarelor cu Si �n selectoarele de canale s-au utilizat tranzistoare NPN. Familia reprezentativ� este format� din tipuri BF 180-181-200, care rezult� din aceea�i tehnologie, trierea f�c�ndu-se dup� factorul de zgomot F.

g). Tranzistoare cu Si de putere pentru AF
Aceste tranzistoare se utilizeaz� �n amplificatoare AF cu puteri de ie�ire de ordinul zecilor de W, regulatoare sau surse de tensiune. Cea mai uzual� familie este 2N3055, unde sortarea se face lu�nd drept criterii tensiunea U_CE0 �i � la un curent de colector specificat. Tranzistorul tipic al acestei familii se caracterizeaz� prin: U_CE0 = 60 V. I_C = 15A �i P_M = 117 W. Cifra de 117 W pentru puterea maxim� disipat� este valabil� pentru condi�ii ideale de r�cire, adic� tranzistorul se consider� montat pe un radiator infinit astfel ca temperatura capsulei s� nu dep�easc� 25�C.

h). Tranzistoare cu Si pentru baleiaj orizontal
Func�ionarea etajului final de BO din televizoare �n regim de impulsuri impune pentru tranzistoarele utilizate, tensiuni �i curen�i mari de lucru, frecven�� i vitez� de comuta�ie ridicat� precum �i tensiuni de satura�ie mici.� Deoarece func�ionarea unui etaj final de BO presupune existen�a unui comutator bipolar, la unele tipuri de tranzistoare se monteaz� intern o diod� rapid� �n contrasens cu curentul de colector. Aceast� diod� se nume�te diod� de recuperare paralel.

Bibliografie

[1] – Schett Z. �.a. – “Semiconductoare �i aplica�ii” – Editura Facla, Timi�oara, 1981
[2] – G�zdaru C., Constantinescu C., – “�ndrumar pentru electroni�ti vol.I” – Editura Teh., Bucure�ti, 1986
[3] – Vasilescu G., Lungu �. – “Electronic�” – Editura Didactic� �i Pedagocic�, Bucure�ti, 1981