El transistor d’efecte de camp

Transistor FET d’unió: funcionament i característiques

Transistors MOSFET: funcionament i característiques

El tiristor

El diac

El TRIAC

El transistor d’efecte de camp

Els transistors d’efecte de camp, també anomenats unipolars, es diferencien dels bipolars (que aprofiten tant els portadors minoritaris com majoritaris) en què només aprofiten els portadors majoritaris.

En els transistors unipolars el corrent de sortida és proporcional a la tensió d’entrada (no al corrent de base com en els bipolars) el que aconsegueix un elevat guany i una impedància d’entrada gairebé infinita, el que els fa ideals per a amplificar senyals dèbils .

Estudiarem dos tipus de transistors d’efecte de camp (FET):

 

Transistor FET d’unió: funcionament i característiques

El JFET, transistor d’efecte de camp d’unió o transistor unipolar, funciona amb un únic tipus de portadors de càrrega, buits o electrons, segons el tipus de construcció.

El seu ús principal apareix com a components de circuits integrats, sent estrany trobar de forma aïllada.

Estan formats per una prima capa de material semiconductor (canal) entre dues capes de dopat contrari.

Es polaritza el sortidor i el drenador de manera que es produeix un corrent de portadors majoritaris a través del canal. Si el canal és tipus N, els electrons són els portadors majoritaris i la polarització Sortidor-drenador ser tal que els electrons surtin del sortidor i es dirigeixin al drenador travessant el canal.

La unió formada pel canal i la porta es polaritza inversament mitjançant una tensió porta-sortidor.

Es produeix una capa d’esgotament en les proximitats de la unió, com en qualsevol díode polaritzat inversament, el que redueix el nombre de portadors existent al canal augmentant la resistència d’aquest i disminuint el corrent del canal que s’havia establert.

Si la tensió de la porta arriba a un valor determinat, tensió d’apagada, el canal s’estrangula totalment i el corrent del canal s’anul·la.

Treballant amb tensions inverses a la porta es diu que el transistor funciona en mode d’empobriment, ja que, en augmentar aquesta tensió es redueix el nombre de portadors del canal i disminueix la intensitat de drenador.

Amb una tensió nul · la entre porta i sortidor V GS   = 0 (en curtcircuit) es produeix la intensitat màxima de drenador.

En augmentar la tensió inversa de la porta es redueix la intensitat de drenador.

La intensitat de sortida és proporcional a la tensió d’entrada.

Per estar l’entrada polaritzada inversament, l’única corrent en l’entrada és un corrent molt petita de fuites i per tant la resistència d’entrada molt alta, de l’ordre de megohms.

El JFET té menor guany de tensió que els transistors bipolars, però la seva resistència d’entrada és molt gran i el seu corrent de fuites gairebé inexistent. És molt estable davant variacions de temperatura (els portadors minoritaris no intervenen) i també a altres variacions externes com radiacions o sorolls elèctrics.

Encara que el seu ús principal sigui com a component de circuits integrats, també s’usa de forma discreta en alguns circuits de ràdio i televisió com en control automàtic de guany (CAG) i com a interruptor analògic.

Com interruptor es controla amb la tensió de porta, portant-lo al tall mitjançant la tensió d’apagada, que bloqueja el canal, i a la saturació mitjançant una tensió nul·la porta-sortidor (porta a massa a la figura).

 

Transistors MOSFET: funcionament i característiques

En els transistors MOS, la porta està aïllada del canal per una fina capa d’òxid de silici.

S’aconsegueix així una resistència d’entrada elevadíssima (de 10 GW a 10.000 GW) amb un corrent de porta pràcticament nul · la, el que els fa ideals per a amplificar senyals molt febles.

Existeixen dos tipus de transistors MOS:

MOSFET d’empobriment

Els electrons poden circular del sortidor al drenador a través del canal animats per la tensió sortidor-drenador.

La tensió inversa entre porta i sortidor estreta el canal, reduint el nombre de portadors (empobriment) i controlant el corrent de drenador.

A causa de la capa aïllant d’òxid de silici, la intensitat per la porta és pràcticament nul · la i la impedància d’entrada molt gran.

El substrat sol estar unit al sortidor.

En la família de corbes s’aprecia que també existeixen corbes per tensions positives de porta, ja que aquest tipus de transistor (d’empobriment) també pot funcionar en mode d’enriquiment, és a dir, polaritzant directament la unió porta sortidor, cosa que augmenta la concentració de portadors al canal (enriquiment) i la intensitat de drenador.

Gràcies a la capa aïllant d’òxid de silici, la intensitat d’entrada segueix sent pràcticament nul · la.

MOSFET d’enriquiment

És un transistor MOSFET dissenyat per treballar exclusivament en mode d’enriquiment.

La tensió de porta polaritza directament la unió porta sortidor i augmenta el nombre de portadors al canal sense que hi hagi corrent de porta per estar aïllada per la capa d’òxid de silici.

Augments de tensió de porta provoquen augments d’intensitat dedrenador per a una tensió drenador-sortidor donada.

Per a una tensió de porta nul · la, la intensitat de drenador és zero. No poden treballar per tant en mode d’empobriment.

 

El tiristor

Introducció

Són components electrònics que treballen en commutació, és a dir, condueixen o no condueixen, comportant-se com interruptors capaços d’obrir i tancar circuits molt ràpidament i controlar grans càrregues.

El seu camp d’aplicació està en l’electrònica industrial o electrònica de potència per controlar grans càrregues, regular la velocitat de motors, la intensitat d’enllumenat, etc.

El rectificador controlat de silici: SCR

Per explicar el funcionament del SCR analitzarem un circuit format per dos transistors bipolars, un PNP i un altre NPN, denominat cadenat o forrellat.

Tancament (conducció)

Si apliquem un impuls de tensió positiva a la base de T2, aquest entra en conducció, creant un corrent de col · lector que activa la base de T1, fent que aquest entri també en conducció i que s’iniciï un corrent per la càrrega.

El corrent de T1 fa augmentar la de base de T2 i aquesta la de T1 en un cicle de realimentació que porta dos transistors a la saturació. El conjunt es comporta com un interruptor tancat que deixa passar la màxima intensitat per la càrrega.

Obertura (tall)

Si apliquem una tensió negativa a la base de T2, portarà a aquest al tall, anul·lant el corrent de base de T1 i portant al tall a tots dos transistors.

Una altra forma que es produeixi el tall és que s’interrompi el corrent per la càrrega, obrint el circuit en algun punt o anul·lant la tensió d’alimentació.

Si l’alimentació es realitza amb corrent altern, en cada cicle el corrent passa per zero anul·lant, això produeix el tall al circuit havent d’aplicar un impuls positiu a la base de T2 cada cicle si volem que torni a conduir.

Aquest circuit es pot integrar en un únic element denominat rectificador controlat de silici o SCR.

Mentre no se superi una determinada tensió màxima entre l’ànode i el càtode anomenada tensió de ruptura, el SCR només condueix quan s’apliqui un impuls positiu a la porta.

Per exemple, el 2N 6389 posseeix les següents característiques:

Tensió de tret

V g   =

0,7 V

Corrent de tret

I g   =

8 mA

Tensió de ruptura

V d   =

600 V

Corrent màxima

I fmax   =

12 A

Corba característica.

En augmentar la tensió aplicada entre ànode i càtode tot just condueix fins que se supera la tensió de ruptura (vostè). Llavors es comporta com un interruptor tancat augmentant ràpidament el corrent.

La corba està realitzada per a una intensitat de porta nul · la. Si s’activa el corrent de tret a la porta, el SCR passa directament a la conducció sense necessitat d’arribar a la tensió de ruptura.

Control de potència

Els SCR poden manejar grans corrents que poden arribar a alguns milers de amperes, el que els fa ideals per controlar grans potències.

En el cas d’alimentar una càrrega amb corrent continu, es connectarà amb impulsos positius a porta i es connectarà amb impulsos negatius, o bé, amb un interruptor que talli el corrent.

En el cas d’alimentar una càrrega amb corrent altern, cada vegada que el corrent passa per zero es desconnecta el circuit. Per això ha de connectar el circuit amb un tren d’impulsos positius de la mateixa freqüència a la de la xarxa.

A més de retallar els semicicles positius en funció de l’angle de desfasament del tren d’impulsos respecte al senyal d’alimentació, queden retallats els semicicles negatius, tal com passava amb els rectificadors de mitja ona, ja que en polarització inversa el SCR no condueix.

Regular l’angle de desfasament es pot retallar l’ona en major o menor mesura, regulant la potència que arriba a la càrrega.

 

El diac

Està constituït per dos conjunts de quatre capes semiconductors col·locades en paral·lel i en oposició: PNPN i NPNP.

Atès que no disposa de porta, la conducció només es pot produir en superar la tensió de ruptura, en aquest cas, és possible en ambdues direccions.

Perquè deixi de conduir és necessari anul·lar la intensitat o, almenys, reduir-la per sota del nivell mínim de manteniment.

El SCR controlat per diac

El circuit de resistència i condensadors de la figura forma un circuit de càrrega i descàrrega d’un condensador la constant de temps podem regular amb el potenciòmetre. Quan arriba la tensió suficient, es produeix la ruptura del diac i el tret del SCR.

La semiona negativa, mai arriba a la càrrega, per comportar el SCR com un rectificador de mitja ona i la semiona positiva es veu retallada fins que es produeix la ruptura del diac.

 

El TRIAC

El TRIAC és com un diac amb porta, sent equivalent a dos SCR en antiparal·lel.

Aplicant impulsos positius a la porta es fa possible la conducció del triac en una direcció i aplicant impulsos negatius es fa possible la conducció en sentit contrari.

Segons sigui la polaritat que rep el TRIAC en cada moment, així ha de ser la polaritat dels impulsos que se li apliquen a la porta, si volem provocar la seva obertura.

El rectificador controlat de silici: SCR

En el circuit de la figura el condensador es carrega i descàrrega en cada semicicle amb una polaritat diferent. El temps de càrrega es regula amb el potenciòmetre i quan la tensió supera la de ruptura del dia ces provoca el tret del triac.

En aquest cas tant el semicicle positiu com el negatiu poden arribar a la càrrega, retallats segons l’ajust de la constant de temps del circuit RC mitjançant el potenciòmetre.