Elektronika 1

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

LUÇIANA TOTI (KINI)

ELEKTRONIKA

SHTËPIA BOTUESE E LIBRIT UNIVERSITAR TIRANË, 2012 1

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Teksti është miratuar dhe financuar nga Ministria e Arsimit dhe Shkencës. Titulli: “Elektronika 1” Autore: Luçiana Toti (Kini)

Botues: SHTËPIA BOTUESE E LIBRIT UNIVERSITAR Adresa: Rruga e Durrësit, Nr. 219, Tiranë, Shqipëri

(: + 355 4 2225659; [email protected]

Këshilli botues i ShBLU-së Kryetare: Lirika Çoçoli Anëtarë: Klara Shoshi, Nirvana Lazi, Valbona Gjergo Spartak Kumbaro, Marjeta Pengo

ISBN 978-99927-0-618-3 © Shtëpia Botuese e Librit Universitar, 2012. Të gjitha të drejtat janë të rezervuara. Nuk lejohet shumëfishimi me çdo mjet apo formë pa lejen me shkrim të botuesit.

Redaktore përgjegjëse:

Klara Shoshi

Redaktore shkencore:

Ing. Garentina Bezhani

Redaktore letrare:

Klara Shoshi

Arti grafik dhe kopertina:

Klara Shoshi

Recensues:

Ing. Garentina Bezhani Msc. Elda Cina

Shtypur në shtypshkronjën

KLEAN

Tirazhi: 1000 kopje

2

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

Parathënie Elektronika është një nga lëndët kryesore në çdo shkollë profesionale me drejtim elektronik, teknologji informacioni etj. Ky tekst i ri mbi elektronikën, i ndarë në dy pjesë, që përkojnë me dy libra më vete: “Elektronika 1” dhe “Elektronika 2”, është hartuar në përshtatje me kurrikulat për shkollat profesionale të vendit tonë, në mënyrë që të jetë më afër zhvillimit bashkëkohor në fushën e elektronikës. Materiali i tërë tekstit përfshin shpjegime të qarta shkencore, algjebrike e trigonometrike, të pasuruara edhe me përvojën e punës shumëvjeçare të autores në këtë fushë. Gjithashtu në të ka edhe mjaft skema, zbatimi i të cilave haset kudo në jetën e përditshme në pajisjet më bashkëkohore. Në përgjithësi, në fund të çdo çështjeje janë paraqitur ushtrime, që e ndihmojnë nxënësin të kuptojë se sa i ka përvetësuar konceptet bazë të dhëna në tekst dhe, ndërkohë, atje ku është parë me vend, janë zhvilluar shembuj të zgjidhur, për t’i konkretizuar më mirë çështjet e ndryshme. Gjuha e tekstit është zgjedhur në mënyrë të tillë që të jetë sa më e thjeshtë dhe e kuptueshme për nxënësit, por, meqenëse në gjuhën shqipe mungon një fjalor i mirëfilltë terminologjik për fushën e elektronikës, ndonjëherë janë përdorur edhe terma në anglisht, të cilat janë sqaruar me imtësi. “Elektronika 1” shtjellon elementet themelore të elektronikës; funksionimin dhe fushën e përdorimit të tyre në industri. Një vend të mirë në këtë tekst zë studimi i plotë i diodave e transistorëve, pasi kuptimi sa më mirë i tyre e ndihmon nxënësin të jetë mjaft i qartë në studimin e qarqeve të integruara. Gjithashtu në tekst i është kushtuar rëndësi edhe studimit të analizës së qarqeve elektronike, duke shqyrtuar në mënyrë të detajuar skemat e rrymës së vazhduar. Në vija të përgjithshme përmbajtja e tekstit është përshtatur me programin mësimor të nxënësve që e studiojnë këtë lëndë në shkolla të ndryshme, duke u pasuruar edhe me materiale nga literatura bashkëkohore të fushës së elektronikës, ku midis të cilave përmendim: 3

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

• Malvino, “Electronics Principles” • Robert L. Boylestad, Luis Nashelsky, “Electronics Devices and Circuits Theory” • Benard Grob, “Basic Electronics” • Schuler, “Electronics Principles and Applications” • Robert L. Boylestad, “Introductory Circuit Analysis” • Nikolla Bardhi, “Elektronika 2” • Rozeta Mitrushi, “Elemente te elektronikes analoge”. Vlerësoj shumë të gjitha sugjerimet e inxhinierëve dhe të specialistëve me përvojë, studiues të fushës së elektronikës, recensueset dhe në veçanti ing. Garentina Bezhanin për redaktimin shkencor të tekstit, duke i falënderuar të gjithë për ndihmesën në përgatitjen e këtij teksti të ri. Gjithashtu falënderoj dhe i jam mirënjohëse kujtdo që e zgjedh tekstin për të fituar njohuri teorike e praktike në fushën e elektronikës dhe ndërkohë mirëpres çdo vërejtje e sugjerim që do t’i vlente përmirësimit të mëtejshëm të këtij teksti. Autorja

4

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

PËRMBAJTJA Kapitulli



DIODAT GJYSMËPËRCJELLËSE

7

1.1. Hyrje 7 1.2. Diodat ideale 7 1.3. Materialet gjysmëpërcjellëse 10 1.4. Nivelet energjetike 14 1.5. Gjysmëpërcjellësit e tipit p dhe n 15 1.6. Diodat gjysmëpërcjellëse 19 1.7. Rezistenca statike dhe dinamike e diodës 27 1.8. Qarqet ekuivalente të diodës 34 1.9. Të dhënat specifike të diodës 34 1.10. Kontrolli i diodës 35 1.11. Diodat zener 36 1.12. Diodat dritëdhënëse (LED) 39 1.13. Fotodioda 42 1.14. Qarqet me lidhje optike 44 1.15. Diodat Shotki (Schootky) 44 1.16. Dioda varikap (dioda me kapacitet variabël) 46 1.17. Dioda tunnel 48 1.18. Dioda me rrymë konstante 49 1.19. Dioda e kundërt (back dioda) 49 1.20. Varistori 50 1.21. Ekranet me kristal të lëngshëm LCD (Liquid Crystal Displays) 50 1.22. Qelizat diellore 53

Kapitulli



PËRDORIMET E DIODAVE 57

2.1. Hyrje 57 2.2. Analiza e linjës së ngarkesës 57 2.3. Transformatori 60 2.4. Sinjali sinusoidal 61 2.5. Drejtuesit me një diodë 64 2.6. Drejtuesit me dy gjysmëvalë (me dy dioda) 68 2.7. Drejtuesit urë 70 2.8. Shumëfishuesit e tensionit 72 2.9. Prerësit (Clippers) 75 2.10. Qarqet që i mbivendosin sinjalit të hyrjes një madhësi konstante (Clamper) 82 2.11. Stabilizimi i tensionit me diodë zener 89 2.12. Diodat e lidhura në seri ose në paralel 95 2.13. Portat logjike EDHE/OSE (AND/OR) me dioda 99

5

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

Kapitulli



TRANSISTORËT DYPOLARË

101

3.1. Hyrje 101 3.2. Ndërtimi i transistorit 102 3.3. Parimi i punës së transistorit 103 3.4. Mënyrat e lidhjes së transistorit në skemë në regjim aktiv 105 3.5. Puna amplifikuese e transistorit 108 3.6. Skema me emiter të përbashkët 109 3.7. Skema me kolektor të përbashkët 115 3.8. Përmbledhje 117

Kapitulli





MËNYRAT E POLARIZIMIT TË TRANSISTORËVE DYPOLARË (BJT)

119

4.1. Njohuri të përgjithshme 119 4.2. Zona e lejuar e punës së transistorit 120 4.3. Skema me polarizim fiks 122 4.4. Skema e polarizimit me rezistencë në emiter 131 4.5. Skemat me pjesëtues tensioni 140 4.6. Skema e polarizimit me lidhje të kundërt në kolektor 148 4.7. Transistori p-n-p 150 4.8. Transistori në rolin e çelësit 151

Kapitulli



TRANSISTORËT ME EFKT FUSHE 154

5.1. Njohuri të përgjithshme 154 5.2. Ndërtimi dhe karakteristikat e JFET 155 5.3. Karakteristika e transferimit 158 5.4. Çfarë përmban një katalog? 160 5.5. D-MOSFET 162 5.6. MOSFET me pasurim (E-MOSFET) 166 5.7. Qarqet CMOS 171

Kapitulli



MËNYRAT E POLARIZIMIT TË FET 172

6.1. Hyrje 172 6.2. Skema me polarizim fiks 173 6.3. Skema me vetëpolarizim 178 6.4. Skema me pjesëtues tensioni 182 6.5. Polarizimi i tipit me varfërim (D-MOSFET) 186 6.6. Mosfet i tipit me pasurim (E-MOSFET) 188 6.7. Lidhja e kombinuar midis transistorëve BJT e FET 192

6

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

KAPITULLI DIODAT GJYSMËPËRCJELLËSE 1.1. Hyrje Në këtë kapitull do të studiohet teoria e gjysmëpërcjellësve, më pas bashkimi p-n, që është kyçi i ndërtimit të një diode gjysmëpërcjellëse. Fjala “diodë” është formuar nga bashkimi i fjalëve “two” + “electrode”, ku vendoset “di” në vend të “two” dhe “ode” në vend të “electrode”. Më pas do të shohim si punon një diodë e kjo na përgatit për studimin që do t’i bëhet transistorit në kapitujt e tjerë. Transistori është kombinimi i dy diodave në një element të vetëm. Në dhjetor të vitit 1947 u zbulua transistori i parë. Që prej asaj kohe, kur transistori i parë ishte i mbështjellë me tub qelqi, e deri në ditët tona, njohuritë në fushën e elektronikës kanë evoluar shumë. Tani brenda qarqeve të intergruara (IC) kemi miliona transistorë në një hapësirë jo më të madhe se ajo e thoit të gishtit të madh. Problemi i minimizimit duket se është kufizuar në tre faktorë (secili prej tyre është pasur parasysh në këtë tekst): në cilësinë e vetë materialeve gjysmëpërcjellëse, në teknikat e projektimit të skemave, në kufizimin e sipërfaqes së pajisjeve të prodhura dhe vepruese.

1.2. DIODAT IDEALE Elementi i parë që do të përshkruajmë është dioda. Ky është elementi më i thjeshtë gjysmëpërcjellës, por luan një rol shumë të rëndësishëm në sistemet elektronike. Ajo do të gjendet që nga zbatimet më të thjeshta e deri tek ato më të ndërlikuara. Termi “ideal” do të përdoret shpesh në këtë tekst dhe do t’i referohet çdo elementi ose sistemi që ka karakteristika ideale - të përsosura në çdo drejtim. Dioda ideale është element me dy dalje me simbol si në figurën 1.1 a) dhe karakteristikë voltampere si në figurën 1.1 b).

7

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

Figura 1.1. Karakteristika dhe simboli i diodës

Në një diodë ideale kalon rrymë vetëm në një kah, në atë të përcaktuar nga shigjeta në simbol, kur tensioni i zbatuar në diodë ka polaritetin e treguar në figurën 1.1 a) . Kur tensioni që zbatohet në diodë do të ketë polaritet të kundërt, atëherë në të nuk kalon rrymë, pra ID = 0. Karakteristika e paraqitur në figurën 1.1 b) quhet karakteristika volt-amper e diodës, sepse ajo tregon lidhjen midis tensionit të zbatuar në diodë (VD) dhe rrymës që kalon në të (ID). Në këtë tekst, në pjesën më të madhe të karakteristikave, boshti i ordinatave (boshti y) do të shërbejë si boshti i rrymës dhe boshti i abshisave (boshti x) si boshti i tensionit. Karakteristika e diodës ideale (fig.1.1 b) përbëhet nga dy zona: zona 1 që i përket kuadrantit të parë të boshteve dhe zona 2 që i përket kuadrantit të tretë. Në kuadrantin e parë, dioda është në kushtet e polarizimit të drejtë dhe ka karakteristikën e paraqitur në zonën 1 ku VD = 0 dhe ID ka vlerë maksimale, pra dioda zëvendësohet me një qark të lidhur në të shkurtër. Në kuadrantin e tretë, dioda është e polarizuar në të kundërt dhe ka karakteristikën e paraqitur në zonën 2 ku VD ka vlerë maksimale dhe ID = 0, pra, dioda paraqitet si një qark i hapur. Si përfundim, mund të nxjerrim se dioda ideale ka karakteristikat e një çelësi që përcjell rrymë vetëm në një kah. Një parametër i rëndësishëm i diodës është rezistenca e saj në pikën ose regjimin e punës. Në regjimin e përcjellshmërisë drejtimi i rrymës në diodë dhe polariteti i tensionit në diodë është si në kuadrantin e parë në figurën 1.1 b) dhe vlera e rezistencës së drejtë RF përcaktohet nga ligji i Ohmit si më poshtë:

ku VF është tensioni i drejtë në diodë dhe IF është rryma e drejtë që kalon në diodë. Dioda ideale, si rrjedhim, është një qark i shkurtër për regjimin e përcjellshmërisë. Nëse konsiderojmë që në diodë është zbatuar tension i kundërt (kuadranti i tretë në figurën 1.1 b), vlera e rezistencës së kundërt përcaktohet nga ligji i Ohmit si më poshtë:

8

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

ku VR është tensioni i kundërt në diodë dhe IR është rryma e kundërt në diodë. Dioda idele, si rrjedhim, është një qark i hapur në regjimin e jopërcjellshmërisë. Në figurën 1.2 tregohet gjendja e përcjellshmërisëdhe e jopërcjellshmërisë së diodës ideale.

(b)

Figura 1.2 a) Gjendja e përcjellshmërisë dhe b) e jopërcjellshmërisë e diodës ideale në varësi të tensionit të zbatuar

Lind pyetja: Sa është rezistenca e kalimit të drejtë të diodës reale krahasuar me atë të diodës ideale? Sa është rezistenca e kalimit të kundërt të diodës reale krahasuar me atë të diodës ideale? Këto pyetje do të marrin përgjigje në mësimet e mëposhtme. Në përgjithësi është e thjeshtë të përcaktojmë regjimin e përcjellshmërisë e të jopërcjellshmërisë, duke vënë re kahun e rrymës në varësi të tensionit të zbatuar. Kahu i rrymës konvencionale është konsideruar kahu i kundërt me atë të rrjedhjes së elektroneve.

Figura 1.3. a) Gjendja e përcjellshmërisë, b) gjendja e jopërcjellshmërisë së diodës ideale e përcaktuar nga kahu i rrymës konvencionale në varësi të lidhjes së diodës në qark

9

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

USHTRIME 1. Përshkruani me fjalët tuaja kuptimin e fjalës ideale për një element ose sistem. 2. Përshkruani me fjalët tuaja karakteristikat e diodës ideale dhe si përcaktohet që ajo është në gjendje përcjellëse apo jo. 3. Cili është ndryshimi mes një çelësi të thjeshtë dhe të një diode ideale.

1.3. MATERIALET GJYSMËPËRCJELLËSE Përcjellës është një material që lejon një lëvizje të madhe të ngarkesave (pra ka nivel të lartë përcjellshmërie) kur në të zbatohet një burim tensioni me amplitudë të caktuar. Izolues është një material që ka nivel të ulët përcjellshmërie kur në të zbatohet një burim tensioni. Një gjysmëpërcjellës, si rrjedhim, është një material që ka një nivel përcjellshmërie diku midis ekstremeve të një izolatori dhe një përcjellësi. Rezistenca e një materiali është në përpjesëtim të zhdrejtë me përcjellshmërinë tij. Sa më i lartë është niveli i përcjellshmërisë, aq më i ulët është niveli i rezistencës. Rezistenca specifike (ρ) përdoret shpesh për krahasimin e nivelit të rezistencave të materialeve. Rezistenca specifike e një materiali matet me Ω x cm ose Ω x m. Kujtojmë që: x cm (1.1) A - sipërfaqja e seksionit tërthor të përcjellësit l - gjatësia e përcjellësit Në fakt, nëse sipërfaqja e faqes së një kubi (fig. 1.4) është 1 cm2 dhe lartësia 1 cm, vlera e rezistencës së tij është e barabartë me vlerën e rezistencës specifike të një materiali.

10

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

Pra

(1cm) |R| = ρ l = ρ 2 =|ρ| Ω A (1cm )

Figura 1.4. Përcaktimi i rezistencës

Kjo tabelë na ndihmon për të krahasuar nivelin e rezistencave specifike të materialeve të mëposhtme. Tabela 1.1

Në tabelën 1.1 janë dhënë vlerat e tre kategorive të gjera materialesh. Duket qartë që silici e germaniumi janë materiale gjysmëpërcjellëse. Ato janë dy materiale që kanë marrë përdorim të gjerë në zhvillimin e elementeve gjysmëpërcjellëse. Një fakt i rëndësishëm është niveli shumë i lartë i pastërtisë me të cilin ato mund të prodhohen. Nëse në një pjesë shumë të vogël materialesh prej silici futet një numër i caktuar atomesh të tjera (tipat e tyre do t’i përmendim më poshtë), karakteristikat e materialit mund të ndryshojnë. Këto veti i gëzon Ge dhe Si, prandaj ato kanë marrë përdorim të gjerë. Karakteristikat e tyre ndryshojnë veçanërisht nën ndikimin e dritës ose nxehtësisë, kështu që elementet gjysmëpërcjellëse përdoren edhe në ndërtimin e elementeve të ndjeshme ndaj dritës ose nxehtësisë. Atomet e të dy materialeve (Ge ose Si) formojnë një model shumë të përcaktuar me natyrë periodike (pra që përsëritin vetveten). Një model i kompletuar është quajtur kristal. Kristali është një strukturë tredimensionale si në figurën 1.5.

11

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

Figura 1.5. Struktura e një kristali Ge ose Si

Modeli i Bohrit për dy gjysmëpërcjellësit më të përdorshëm është treguar në figurën 1.6

(b) Figura 1.6. Modeli i Bohrit për a) Ge dhe b) Si

Atomi i Ge ka 32 elektrone të shpërndara nëpër orbita, ndërsa atomi i Si ka 14 elektrone të shpërndara nëpër orbita. Siç shihet Ge dhe Si janë atome katërvalente, sepse kanë secili nga katër elektrone valence. Në kristalin e pastër të Ge apo Si, 4 elektronet e valencës së çdo atomi lidhen me elektronet e valencës së 4 atomeve të tjera, duke formuar një lidhje kovalente si në figurën 1.7. Në kushte normale një kristal i tillë nuk përcjell rrymë, sepse elektronet janë të lidhura në çifte dhe nuk mund të lëvizin. Elektronet e valencës me energji kinetike të mjaftueshme, për arsye të ndryshme, mund të thyejnë lidhjen kovalente dhe të dalin në gjendje “të lirë”. P.sh., nëse futen atomet e elementeve kimike me 3 ose 5 elektrone valence (si papastërti), prishet lidhja kovalente dhe krijohet mundësia e përcjelljes së rrymës. Lidhja kovalente mund të ndikohet edhe nga efekti i energjisë diellore në formën e fotoneve ose energjisë termike të mjedisit rrethues.

12

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

Figura 1.7. Lidhja kovalente e atomeve të silicit

Në temperaturën e dhomës ndodhen afërsisht 1,5x1010 mbartës të lirë në një cm3 brenda materialit të Si, ndërsa te Ge, brenda të njëjtës sipërfaqe ndodhen 2,5x1013 mbartës të lirë në një cm3. Raporti i numrit të elektroneve të lira të Ge ndaj atij të Si është rreth 103 më i madh e kjo tregon se Ge është përcjellës më i mirë në temperaturën e dhomës. Rritja e temperaturës së një gjysmëpërcjellësi mund të sjellë një rritje reale të numrit të elektroneve të lira në material. Me rritjen e numrit të elektroneve të lira, do të rritet niveli i përcjellshmërisë e për pasojë, do të ulet vlera e rezistencës. Materialet gjysmëpërcjellëse, si Ge e Si, në të cilat zvogëlohet rezistenca me rritjen e temperaturës, thuhet se kanë koeficient negativ temperature. Rezistenca e shumicës së përcjellësve rritet me rritjen e temperaturës; ata kanë koeficient pozitiv temperature.

USHTRIME 1. a) Duke përdorur tabelën 1.1, përcaktoni rezistencën e Si me sipërfaqe 1 cm2 dhe me gjatësi 3 cm. b) Përsëritni pikën a) për sipërfaqe 4 cm2 dhe me gjatësi 1 cm. c) Përsëritni pikën a) për bakrin dhe krahasoni rezultatin. 2. Shpjegoni me fjalët tuaja vetitë e një materiali me koeficient negativ temperature. 3. Vizatoni strukturën atomike të bakrit. Pse është ai një përcjellës i mirë?

13

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

1.4. NIVELET ENERGJETIKE Në strukturën e atomit të veçuar ndodhen nivelet energjetike të shoqëruara me elektronet e çdo orbite, siç tregohet në figurën 1.8 a). Çdo material do të ketë nivelet energjetike të lejuara për elektronet në strukturën atomike të tij. Sa më e madhe të jetë largësia e elektronit nga bërthama, aq më e lartë është gjendja energjetike e tij, dhe çdo elektron që ka lënë atomin mëmë të tij ka një gjendje energjetike më të lartë se çdo elektron në strukturën atomike. Energjia

(etj.) (etj.)

a)

BandatBandat mbulojnë mbulojnë pjesërisht pjesërisht njëra-tjetrën njëra-tjetrën Elektronet Elektronet e valencës e valencës brenda brenda strukturës strukturës atomikeatomike

Izolatori

Gjysmëpërcjellësi

Përcjellësi

b) Figura 1.8. Nivelet energjetike: a) nivelet e ndara në strukturat atomike; b) banda e përcjellshmërisë dhe banda e valencës së një izolatori, gjysmëpërcjellësi dhe përcjellësi

14

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Energjia që shoqëron çdo elektron matet me elektron-volt (eV). Madhësia e saj është afërsisht: W = QV (eV) (1.2) ku Q është ngarkesa e një elektroni. Duke zëvendësuar ngarkesën e një elektroni dhe diferencën e potencialit prej një volt në ekuacionin (1.2), do të rezultojë një nivel energjetik prej 1 elektron-volt. Duke kujtuar që ngarkesa e një elektroni është 1.6 x 10-19 C,

W = QV = (1.6 x 10-19)(1V)



1eV = 1.6 x 10-19 J (1.3)

Në zeron absolute (-273.15°C) të gjitha elektronet e valencës së materialeve gjysmëpërcjellëse kanë nivel energjetik të bandës së valencës si në figurën 1.8 b). Në temperaturën e dhomës (25°C), një numër i madh elektronesh valence fitojnë energji kinetike të mjaftueshme për të lënë bandën e valencës. Ato përshkojnë boshllëkun (hapësirën energjetike) e përcaktuar nga Eg në figurën 1.8b) dhe hyjnë në zonën e përcjellshmërisë. Për silicin Eg është 1.1 eV, për germaniumin Eg është 0.67 eV. Për izolatorët energjia e hapësirës është 5 eV ose më shumë. Përcjellësi ka elektrone në zonën e përcjellshmërisë edhe në 0OK (-273.150C). Në temperaturën e dhomës ndodhen më shumë mbartës të lirë, që mund të lindin një rrymë. Nëse brenda materialeve gjysmëpërcjellëse futen papastërti, pra atome të tjera, rritet numri i mbartësve në zonën e përcjellshmërisë.

USHTRIME 1. Sa është energjia në J që duhet për të lëvizur një ngarkesë prej 6 C nga një diferencë potenciali 2 V. 2. Nëse për të lëvizur një ngarkesë duhen 36 eV dhe një diferencë potenciali 12 V, sa është ngarkesa?

1.5. GJYSMËPËRCJELLËSIT E TIPIT p DHE n Karakteristikat e materialeve gjysmëpërcjellëse mund të ndryshojnë duke shtuar atome të jashtme (papastërti) brenda materialit relativisht të pastër. Këto papastërti, megjithëse janë në raportin 1 me 10 milionë, ndryshojnë vetitë e materialit gjysmëpërcjellës. Ekzistojnë dy tipa materialesh me rëndësi të jashtëzakonshme në prodhimin e pajisjeve gjysmëpërcjellëse: tip n dhe tip p. Secili prej tyre do të përshkruhet me imtësi.

15

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

Gjysmëpërcjellësi tip n Të dy tipat e materialeve janë formuar nga shtimi i një numri të paracaktuar të atomeve të papastra brenda një materiali bazë Si apo Ge. Tipi n është krijuar nga futja e atomeve pesëvalente (me pesë elektrone valence), të tilla si antimoni, arseniku dhe fosfori, në një kristal të pastër silici apo germaniumi. Në figurën 1.9, në një element bazë Si është përdorur antimoni si papastërti. Siç shihet, ndodhet një elektron i pestë i atomit të papastërt, i cili është i pashoqëruar me lidhje kovalente të posaçme. Ky elektron i mbetur, i liruar nga atomi mëmë, është relativisht i lirë për të lëvizuar brenda materialit të ri tip-n.

Figura 1.9. Materiali tip n

Atomi i futur si papastërti ka dhuruar një elektron të lirë në strukturë. Atomet me pesë elektrone valence të futura si papastërti janë quajtur atome dhuruese. Materiali i tipit n është elektrikisht neutral, sepse numri i protoneve me ngarkesë pozitive në bërthamë është i barabartë me numrin e elektroneve në strukturë.

Figura 1.10. Efekti i atomeve dhuruese në strukturën e bandave energjetike

16

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

Gjysëmpërcjellësi tip p Materiali tip p është formuar nga vendosja e atomeve 3-valente brenda një kristali të pastër të Si ose të Ge. Elementet më të përdorura për këtë qëllim janë bori, galiumi, indiumi. Efekti i njërit prej këtyre elementeve, borit, në elementin bazë Si, është treguar në figurën 1.11:

(B)

Figura 1.11. Atome bori si papastërti në materialin tip p

Siç shihet, ndodhet një numër i pamjaftueshëm elektronesh për të plotësuar lidhjen kovalente të strukturës së re. Vendi bosh është quajtur vrimë. Në vendin bosh mund të futet pa vështirësi një elektron i lirë. Atomi me tre elektrone valence i vendosur brenda kristalit të pastër është quajtur atom marrës. Materiali i tipit p është elektrikisht neutral, për të njëjtën arsye siç u tha më lart.

“Lëvizja” e vrimave kundrejt elektroneve Në figurën 1.12 tregohet mënyra e lëvizjes relative të vrimave. Nëse një elektron valence ka energji kinetike të mjaftueshme për t’u shkëputur nga lidhja kovalente, ai mund të shkojë të plotësojë vendin bosh (vrimën) në atomin fqinj. Elektroni që u largua nga lidhja kovalente krijoi një vend bosh në të, pra një vrimë të re. Kështu elektroni u zhvendos djathtas, ndërsa vrima majtas. Drejtimi konvencional i rrymës përputhet me drejtimin e lëvizjes së vrimave.

17

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

Figura 1.12. Lëvizja e elektroneve dhe e vrimave

Mbartës me shumicë e pakicë Në një material tip n (fig.1.13 a) elektroni është quajtur mbartës me shumicë, ndërsa vrima është mbartëse me pakicë. Në një material tip p (fig.1.13 b) vrima është mbartëse me shumicë dhe elektroni është mbartës me pakicë. Kur elektroni i pestë i një atomi dhurues lë atomin mëmë, atomi i mbetur ka ngarkesë pozitive dhe shenja pozitive brenda rrethit përfaqëson jonin dhurues. Për arsye të ngjashme, shenja negative brenda rrethit përfaqëson jonin marrës.

a)

b)

+ jon pozitiv Figura 1.13 a) Material tip n b) Material tip p

+ vrima - elektron - jon negativ

18

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

USHTRIME 1. Përshkruani ndryshimin midis materialeve gjysmëpërcjellëse tip n dhe p. 2. Përshkruani ndryshimin midis atomeve marrëse dhe dhuruese.

1.6. DIODAT GJYSMËPËRCJELLËSE Diodat gjysmëpërcjellëse janë formuar nga bashkimi i dy shtresave gjysmëpërcjellëse të tipave të ndryshëm (por me të njëjtën bazë Si ose Ge) si në figurën 1.14. Sapo dy shtresat gjysmëpërcjellëse bashkohen, elektronet dhe vrimat në zonën e bashkimit fillojnë të kombinohen. Zona ku shfaqen jonet pozitive e negative quhet barrierë potenciale ose shtresë e kundërt, në përshtatje me shenjën e kundërt të mbartësve me shumicë me ato të joneve në këtë zonë. Dioda është një element me dy dalje: anoda dhe katoda. Një diodë mund të ndodhet në këto gjendje (në varësi të tensionit të zbatuar): e papolarizuar (VD = 0), e polarizuar në të drejtë (VD> 0) dhe e polarizuar në të kundërt (VD< 0).

(e papolarizuar)

Figura 1.14. Bashkimi i dy shtresave p dhe n

19

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

Dioda e papolarizuar nga jashtë (VD = 0V) Dioda quhet e papolarizuar kur në të nuk zbatohet tension, pra VD = 0V (fig. 1.14). Elektronet e lira në shtresën gjysmëpërcjellëse tip n me energji kinetike të mjaftueshme, mund të kalojnë bashkimin e dy shtresave duke krijuar një jon pozitiv atje ku largohen, pra në shtresën n. Kur ky elektron hyn në shtresën p dhe bie në një vrimë atomi bëhet jon negativ. Sa herë që një elektron kalon bashkimin krijohet një çift jonesh (fig. 1.14). Numri i mbartësve të shumicës është shumë i madh në shtresën tip n, por një numër i vogël me energji kinetike të mjaftueshme kalojnë përmes shtresës së kundërt brenda materialit tip p. Në një diodë gjysmëpërcjellëse, kur nuk zbatohet tension në të, rryma në çdo kah është zero. Simboli i një diode, vlera e VD-së dhe ID-së janë treguar në figurën 1.15.

Figura 1.15. Dioda gjysmëpërcjellëse e papolarizuar

Dioda në kushtet e polarizimit të kundërt (VD< 0) Nëse një burim tensioni i jashtëm është lidhur me diodën, në mënyrë të tillë që poli pozitiv i burimit të lidhet me shtresën tip n dhe poli negativ i burimit të lidhet me shtresën tip p, siç tregohet në figurën 1.16, themi që dioda është polarizuar në të kundët. Numri i joneve pozitive që marrin pjesë në shtresën e kundërt të materialit tip n do të rritet për shkak të numrit të madh të elektroneve të lira të tërhequra nga poli pozitiv i burimit të tensionit të zbatuar. Për të njëjtën arsye, numri i joneve negative që marrin pjesë në shtresën e kundërt të materialit tip p do të rritet. Për pasojë, shtresa e kundërt është zgjeruar krahasuar me rastin e mëparshëm. Shtresa e kundërt do të kthehet në një pengesë më të madhe për mbartësit e shumicës dhe zvogëlon lëvizjen e tyre deri në zero. Numri i mbartësve të pakicës (minoritarë) në shtresën e kundërt nuk do të ndryshojë dhe vektori i lëvizjes së tyre do të jetë si në figurën 1.16.

20

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

Figura 1.16. Polarizimi i kundërt i diodës

Rryma që lind në kushtet e polarizimit të kundërt është quajtur rryma e kundërt e ngopjes dhe shënohet me Is. Rryma e polarizimit të kundërt është e vogël, nuk i kalon disa mikroamper, përveç rasteve të elementeve me fuqi të lartë. Termi “ngopje” vjen nga fakti që vlera e saj arrin shumë shpejt në nivelin maksimal dhe nuk ndryshon edhe pse tensioni i kundërt në diodë mund të rritet, siç tregohet edhe në karakteristikën e diodës në figurën 1.19 për (VD< 0). Në figurën 1.17 është treguar një diodë gjysmëpërcjellëse në kushtet e polarizimit të kundërt. Vini re që drejtimi i kalimit të rrymës Is është i kundërt me atë të shigjetës në simbol.

Figura 1.17. Një diodë gjysmëpërcjellëse në kushtet e polarizimit të kundërt

21

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

Dioda në kushtet e polarizimit të drejtë (VD > 0) Në kushtet e polarizimit të drejtë poli pozitiv i burimit është lidhur me shtresën tip p dhe poli negativ i burimit është lidhur me shtresën tip n, siç tregohet në figurën 1.18.

ID = Imb.kryesor - IS

Figura 1.18. Dioda në kushtet e polarizimit të drejtë

Nëse dioda polarizohet në të drejtë, tensioni i burimit VD do të detyrojë elektronet në shtresën tip n dhe vrimat në shtresën tip p të rikombinohen me jonet afër kufirit dhe do të zvogëlojë gjerësinë e barrierës potenciale (shtresës së kundërt) si në figurën 1.18. Numri i mbartësve të pakicës, pra i elektroneve nga shtresa tip p drejt shtresës tip n (ose e vrimave nga shtresa tip n drejt shtreses tip p) nuk ka ndryshuar në vlerë, por zvogëlimi i gjerësisë së shtresës së kundërt ka rritur numrin e mbartësve të shumicës që kalojnë bashkimin. Një elektron i shtresës tip n tani duhet të kalojë një pengesë më të vogël drejt shtresës tip p (te bashkimi) dhe tërhiqet fort nga poli pozitiv i burimit. Sa më e madhe të jetë vlera e tensionit të drejtë të zbatuar në diodë, aq më e vogël është gjerësia e barrierës potenciale (shtresës së kundërt), pra aq më i madh është numri i elektroneve që mund të kalojnë bashkimin. Për pasojë rritet në mënyrë eksponenciale rryma për regjimin e polarizimit në të drejtë, si në figurën 1.20. Vini re që boshti vertikal është shkallëzuar në miliamper (ose në amper), ndërsa boshti horizontal është shkallëzuar rreth 1 V. Tensioni i polarizimit në të drejtë të diodës është më i vogël se 1 V. Në figurën 1.19 është treguar kushti i polarizimit në të drejtë të një diode gjysmëpërcjellëse. Kahu i kalimit të rrymës në diodë është i njëjtë me atë të shigjetës në simbol.

22

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

Figura 1.19. Polarizimi në të drejtë i një diode gjysmëpërcjellëse

Karakteristika kryesore e një diode gjysmëpërcjellëse ID = f (VD) përcaktohet nga ekuacioni i mëposhtëm:

(1.4) ku Is= rryma e kundërt e ngopjes, k = 11,600/η ku η = 1 për Ge dhe η = 2 për Si për rryma në diodë poshtë gjurit të lakores dhe η = 1 për Ge dhe Si për nivele më të larta të rrymës në diodë. TK =TC+273° TC - është temperatura në °C. Karakteristika e plotë e diodës është ndërtuar në figurën 1.20.

Figura 1.20. Karakteristikat e diodës gjysmëpërcjellëse të silicit

23

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Për vlera pozitive të VD, ID do të ndryshojë sipas ligjit y = ex dhe karakteristika që shpreh këtë varësi është në kuadrantin e parë. Për diodën e papolarizuar VD= 0 V dhe rryma ID= 0 mA. Për vlera negative të VD, ID= -IS. Karakteristika që shpreh varësinë midis tyre është në kuadrantin e tretë. Shihet që pjesa negative e boshtit vertikal është shkallëzuar në μA, ndërsa pjesa negative e boshtit horizontal është shkallëzuar në dhjetëra V.

Regjimi zener Në figurën 1.21 është treguar karakteristika e diodës për vlera shumë të mëdha të tensionit të kundërt. Nëse tensioni i kundërt në diodë rritet sa Vshpimit, do të rritet ndjeshëm rryma e kundërt e ngopjes. Ky është një proces jonizimi dhe elektronet e valencës kanë energji kinetike të mjaftueshme për të lënë atomin mëmë dhe për pasojë rryma rritet si “ortek”. Dioda hyn në zonën e shpimit dhe ajo del jashtë përdorimit.

Figura 1.21. Karakteristika e diodës për vlera të mëdha të tensionit të kundërt

Vlera maksimale e tensionit të kundërt (PIV ose VShpimit ) që mund të zbatohet në diodë është një madhësi e rëndësishme në zgjedhjen e diodës dhe duhet që Vkundërt i zbatuar në diodë të jetë më i vogël se VShpimit . Nëse vlera maksimale e tensionit të kundërt në pajisje është më e madhe se PIV i një diode, atëherë mund të lidhen disa dioda në seri me karakteristika të njëjta për të mbajtur këtë tension. Diodat mund të lidhen në paralel, për të rritur mundësinë e mbajtjes së rrymave më të mëdha se rryma maksimale e lejuar në një diodë.

24

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

Përparësitë e diodave prej Si ndaj atyre të Ge Diodat e Si e kanë, në përgjithësi, tensionin e kundërt maksimal dhe kufijtë e rrymës më të mëdha se ato të diodave prej Ge (fig.1.22). Gjithashtu kufijtë e temperaturës janë më të gjerë. Kufijtë e tensionit të kundërt maksimal për diodat e Si shkojnë deri në 1000 V, ndërsa për diodat e Ge deri në 400 V. Diodat e Si mund të përdoren deri në 200°C, ndërsa ato të Ge deri në 100°C. E metë e diodave prej Si është tensioni i hapjes së tyre (0.7 V) më i madh se në diodat e Ge (0.3 V).

Figura 1.22. Karakteristika volt-ampere e diodave të Si dhe të Ge

V i hapjes së diodës (ose tensioni threshold) VT është VT = 0.7 V (Si) VT = 0.3 V (Ge)

Efekti i temperaturës Rryma e kundërt e ngopjes IS do të dyfishohet nëse temperatura rritet me 10°C. Nëse IS është 1 μA në 25°C, në 100°C IS është afërsisht 100 μA ose 0.1 mA. IS për diodat e Si janë shumë më të vogla se në diodat e Ge. Rritja e temperaturës shkakton zvogëlimin e tensionit të hapjes të diodës së polarizuar në të drejtë (fig. 1.23). Duhet pasur parasysh që të mos kalohen kufijtë e fuqisë maksimale dhe kufijtë e rrymës maksimale të dhëna nga katalogu, pasi, në rast të kundërt, dioda del jashtë përdorimi.

25

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

Figura 1.23. Ndryshimet e karakteristikës me ndryshimin e temperaturës

Kur dioda polarizohet në të kundërt, tensioni i shpimit rritet me rritjen e temperaturës, por njëkohësisht vihet re edhe një rritje e padëshiruar e rrymës së kundërt të ngopjes.

USHTRIME 1. Përshkruani me fjalët tuaja kushtet e polarizimit në të drejtë dhe në të kundërt të një diode si dhe çfarë mund të thoni për rrymën në çdo rast. 2. Vizatoni karakteristikën volt-ampere të një diode silici me tension hapje (gjuri) 0.7 V dhe me PIV = 50 V. Shpjegoni me fjalët tuaja çdo pjesë të karakteristikës. 3. Duke përdorur ekuacionin 1.4, përcaktoni vlerën e rrymës në diodë në 20°C për një diodë silici me IS = 60 nA dhe për një tension polarizimi të drejtë 0.7 V. 4. a) Duke përdorur ekuacionin 1.4, përcaktoni vlerën e rrymës në diodë në 20°C për një diodë silici me Is = 0.2 µA dhe një tension polarizimi të kundërt prej -10 V.

b) A është rezultati i pritshëm? Pse?

5. Përcaktoni vlerën e tensionit të drejtë në diodë, karakteristikat e së cilës janë në figurën 1.24 në temperaturat -75°C, 25°C, 100°C dhe në 200°C

26

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1



për rrymën 8 mA. Për çdo temperaturë përcaktoni vlerën e rrymës së saturimit. Komentoni raportin e dy prej rezultateve të përcaktuara më sipër.

6. Në një skemë, dioda e polarizuar në të drejtë ka rrymë 50 mA. Kur polarizohet në të kundërt rryma bie në 20 nA. Sa është raporti i rrymës së drejtë me atë të kundërt? 7. Një diodë silici e ka rrymën e saturimit 2 nA në 25°C. Sa është IS në 75°C? Po në 125°C?

1.7. REZISTENCA STATIKE DHE DINAMIKE E DIODËS Dioda mund të punojë në pika të ndryshme të karakteristikës së saj, ndaj ajo shfaq rezistenca në vlera të ndryshme, sepse karakteristika është jolineare.

Rezistenca statike ose rezistenca për rrymën e vazhduar Nëse zbatojmë një tension të vazhduar në qarkun ku lidhet një diodë gjysmëpërcjellëse, dioda punon në një pikë të caktuar të karakteristikës, e cila nuk ndryshon me kalimin e kohës. Rezistenca e diodës në pikën e punës mund të gjendet thjeshtë nga vlerat korresponduese të VD dhe ID, siç tregohet në figurën 1.24 dhe quhet rezistencë statike.

(1.5)

Figura 1.24. Përcaktimi i rezistencës statike të diodës

Rezistenca e rrymës së vazhduar ose rezistenca statike e diodës te gjuri ose poshtë tij është me madhe se rezistenca e marrë në pjesën sipër gjurit të

27

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 karakteristikës. Rezistenca e diodës në kushtet e polarizimit të kundërt është mjaft e madhe. Sa më e vogël të jetë vlera e rrymës në diodë, aq më e madhe është vlera e rezistencës në të.

SHEMBULL 1.1 Përcaktoni vlerat e rezistencës së diodës në figurën 1.25 për: a) ID = 2 mA b) ID = 20 mA c) VD = - 10 V

Zgjidhje a) Për ID = 2 mA, VD = 0.5 V (nga karakteristika),

b) Për ID = 20 mA, VD = 0.8 V (nga karakteristika)

c) Për VD = - 10 V, ID = -IS= -1μA

Figura 1.25. Shembulli 1.1

28

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Kështu vërtetohen të gjitha ato që u thanë më sipër në lidhje me vlerat e rezistencës statike të diodës në pika të ndryshme pune.

Rezistenca dinamike ose rezistenca për rrymën alternative Nëse në një qark me diodë zbatohet një tension i vazhduar (i pandryshuar), ajo punon në një pikë pune që quhet pika e qetësisë Q. Le të mendojmë se qarku me diodë është lidhur me një burim sinjali sinusoidal. Në këtë rast pika e punës lëviz poshtë e lart përgjatë karakteristikës si në figurën 1.26 në varësi të amplitudës së tensionit sinusoidal.

Figura 1.26. Ndryshimi i tensionit dhe rrymës rreth pikës Q

Në vijën e drejtë të vizatuar tangjent me karakteristikën në pikën Q, përcaktojmë ndryshimin e tensionit e të rrymës, dhe këto vlera mund të përdoren për të përcaktuar rezistencën dinamike për këtë zonë të karakteristikës, si në figurën 1.27. (1.6) ku Δ është një ndryshim sasior i fundmë.

Figura 1.27. Përcaktimi i rezistencës dinamike në një pikë Q

29

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Për pjerrësi të ndryshme, sa më e vogël të jetë vlera e ΔVD për ΔID të njëjta, aq më e vogël është rezistenca. Sa më poshtë të ndodhet pika Q, aq më e madhe është rezisteca e diodës për rrymën alternative ose rezistenca dinamike.

Shembulli 1.2 Për karakteristikat e figurës 1.28: a) Përcaktoni rezistencën dinamike në ID = 2 mA. b) Përcaktoni rezistencën dinamike në ID = 25 mA. c) Krahasoni rezultatet e pikës (a) dhe pikës (b) me rezistencën statike për çdo vlerë të rrymës.

Q2

Q1

Figura 1.28. Shembulli 1.2

Zgjidhje a) Për ID = 2 mA është hequr tangjentja në pikën Q1 dhe janë përcaktuar ndryshimet në tension e në rrymë: Δ ID = 4 mA - 0 mA = 4 mA Δ VD=0.76 V - 0.65V = 0.11V

30

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 dhe rezistenca dinamike

b) Për ID = 25 mA është hequr tangjentja në pikën Q2 dhe janë përcaktuar ndryshimet në tension e në rrymë: ID = 30 mA - 20 mA = 10 mA Δ VD = 0.8 V - 0.78V = 0.02V dhe rezistenca dinamike

c) Për ID = 2 mA, VD = 0.7 V për pikën e punës Q2, rezistenca statike RD do të jetë:

e cila është shumë larg rd =27.5 Ω Për ID = 25 mA, VD = 0.79 V për pikën e punës Q2, rezistenca statike RD do të jetë:

e cila është shumë larg rd = 2 Ω. Ne kemi gjetur rezistencën dinamike grafikisht e tani do ta përcaktojmë atë matematikisht. Derivati i një funksioni në një pikë është i barabartë me koeficientin këndor të tangjentes së hequr te kjo pikë. Kujtojmë që koeficienti këndor është i barabartë me tgα ku α përcakton pjerrësinë e vijës Pas disa veprimesh matematikore do të arrijmë në një përfundim të tillë:

Nëse marrim parasysh rezistencën midis materialit gjysmëpërcjellës dhe përcjellësit metalik të jashtëm, rB , atëherë rezistenca dinamike do të jetë:

31

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 ku rB varion nga 0.1 Ω (për diodat me fuqi të madhe) deri në 2 Ω (për diodat me fuqi të vogël, pra diodat e zakonshme). Përmirësimet teknologjike të viteve të fundit kanë bërë zvogëlimin e vazhdueshëm të rB dhe në këtë tekst ajo do të injorohet. Pra, afërsisht, formula e rezistencës dinamike do të jetë

Vini re që vlera e rezistencës dinamike përcaktohet nëpërmjet vlerës së rrymës në pikën e qetësisë ID, kështu që nuk është e nevojshme heqja e tangjentes. Ky ekuacion mund të përdoret në pjesën e karakteristikës ku rryma rritet pothuajse vertikalisht, ndërsa për vlera më të vogla të ID, vlera e rd duhet shumëzuar me 2 për diodat e silicit.

Rezistenca mesatare e rrymës alternative Nëse sinjali në hyrje ka vlera të mëdha, rezistenca e elementit për këtë zonë është quajtur rezistenca mesatare e rrymës alternative. Ajo përcaktohet duke hequr një vijë të drejtë midis dy pikave që i korrespondojnë vlerave maksimale e minimale të tensionit në hyrje.

Figura 1.29. Përcaktimi i rezistencës mesatare të rrymës alternative midis kufijve të treguar

32

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Në tabelën e mëposhtme është bërë përmbledhja e konkluzioneve të rëndësishme që përcaktojnë nivele të ndryshme rezistence. Tabela 1.2. Mënyra e përcaktimit të rezistencës statike, dinamike dhe mesatare të diodës.

USHTRIME 1. Përcaktoni vlerën e rezistencës statike së diodës në figurën 1.19 për një tension të kundërt (- 20) V. Krahasoni vlerën e saj me vlerën e rezistencës statike në tensionin e kundërt (- 40) V. 2. Përcaktoni vlerën e rezistencës statike ose dc të rezistencës së diodës në figurën 1.19 për një rrymë të drejtë 3 mA. 3. a) Përcaktoni rezistencën dinamike të diodës në figurën 1.29 për një vlerë rryme të drejtë prej 15 mA duke përdorur ekuacionin (1.6). b) Përcaktoni rezistencën dinamike (ac) të diodës në figurën 1.29 për një vlerë rryme të drejtë prej 15 mA duke përdorur ekuacionin (1.7). c) Krahasoni rezultatin e pikës (a) me atë të pikës (b). 4. Përcaktoni rezistencën mesatare ac të diodës në figurën1.19 për zonën 0.65 V deri në 0.75 V.

33

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

1.8. QARQET EKUIVALENTE TË DIODËS Në analizën e sistemeve elektronike shpesh është e nevojshme të studiohet modeli (qarku) ekuivalent i diodës, prandaj ato janë përmbledhur në një tabelë, si më poshtë: Tabela 1.3. Qarqet ekuivalente të diodës

1.9. TË DHËNAT SPECIFIKE TË DIODËS Të dhënat e diodave, që mund të duhen gjatë përdorimeve të ndryshme të saj, janë përfshirë më poshtë: 1. Tensioni i drejtë (për një rrymë dhe temperaturë të caktuar). 2. Rryma maksimale e drejtë (në një temperaturë të caktuar). 3. Rryma e kundërt e ngopjes (në një tension dhe temperaturë të caktuar). 4. Tensioni i kundërt maksimal i lejuar (në një temperaturë të caktuar). 5. Fuqia maksimale e harxhuar (në një temperaturë të caktuar). 6. Kufiri i temperaturës së punës etj. Në varësi të tipit të diodës, mund të jepen edhe të dhëna të tjera, si: frekuenca kufi, niveli i zhurmave, vlera e rezistencës termike etj. Fuqia e konsumuar në diodë është PD = VDID (1.8) ku ID dhe VD janë rryma e tensionit në diodë në pikën e punës. Nëse marrim parasysh njërin nga modelet ekuivalente të diodës, ku VD= VT= 0.7 V për një diodë Si, në ekuacionin (1.8) përcaktojmë fuqinë e konsumuar, më pas e krahasojmë me fuqinë maksimale të lejuar.

34

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 PD=(0.7) ID Fuqia e konsumuar në diodë duhet të jetë më e vogël se fuqia maksimale e lejuar në të. PD < Pmax.lej.

1.10. KONTROLLI I DIODËS Ju mund të kontrolloni gjendjen e një diodë me ohmmetër. Matni rezistencën e rrymës së vazhduar së një diodë në të dy krahët. Vini re se sa i lartë është raporti i rezistencës së kalimit të kundërt me atë të kalimit të drejtë. Për një diodë Si ky raport mund të jetë më i lartë se 1000 : 1.

Figura 1.30. Kontrolli i diodës me ohmmetër

Një diodë konsiderohet e rregullt nëse vlerat e rezistencës së kalimit p-n të diodës të matur në të dy krahët janë të ndryshme. Pra rezistenca e kalimit të drejtë del relativisht e vogël si në figurën 1.30 a) (ku fisha e kuqe është e lidhur me anodën e diodës dhe fisha e zezë me katodën), ndërsa rezistenca e kalimit të kundërt del relativisht e madhe si në figurën 1.30 b) (ku fisha e kuqe është lidhur me katodën dhe ajo e zezë me anodën). Një diodë konsiderohet e parregullt nëse rezistenca është shumë e vogël në të dy drejtimet e vendosjes së fishave (dioda ka rënë në të shkurtër) ose kur rezistenca është shumë e madhe në të dy krahët e vendosjes së fishave (dioda është qark i hapur).

35

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Kontrolli bëhet në përgjithësi kur diodat janë jashtë skemës. Kur diodat janë në qark, më parë duhet shkyçur qarku (pra, të ndërpritet ushqimi me tension). Në këtë rast ohmetri duhet të tregojë rezistencë më të vogël në njërën anë se në tjetrën. Kontrolli i diodës mund të bëhet me multimetër në pozicionin si ohmmetër ku çelësi me shumë pozicione vendoset në shkallën Ω x 10 ose Ω x 100. Kontrolli i diodës mund të bëhet edhe me multimetër me ekran dixhital në pozicionin e kontrollit të diodës.

1.11. DIODAT ZENER Regjimi zener në figurën 1.31 tregon që karakteristika në kuadrantin e tretë zbret në mënyrë vertikale për tensionin e kundërt të shënuar Vshp ose VZ. Rryma që kalon në diodë në këtë rast është në drejtim të kundërt me atë të diodës së polarizuar në të drejtë. Diodat që shfrytëzojnë këtë pjesë të karakteristikës janë dioda zener dhe e kanë simbolin si në figurën 1.32 b).



Figura 1.31. Regjimi zener

Figura 1.32 Drejtimi i rrymës për diodën a) gjysmëpërcjellëse, b) zener

Në diodën gjysmëpërcjellëse të treguar në figurën 1.32 a) kalon rrymë në drejtim të njëjtë me atë të shigjetës në simbol. Për diodën zener (fig. 1.32 b) drejtimi i kalimit të rrymës është i kundërt me atë të shigjetës së simbolit, sepse gjatë punës dioda zener polarizohet në të kundërt, pra (+) i burimit të tensionit lidhet me katodën dhe (-) me anodën. Që dioda të punojë në regjimin zener, duhet të ndryshohet niveli i papastërtive në shtresat e saj. Sa më i madh të jetë niveli i papastërtive, aq më i vogël është tensioni zener. Diodat zener mund të kenë tension zener nga 1.8 V deri në 200 V me fuqi maksimale nga 0.25 W deri në 50 W. Për shkak të tensioneve e rrymave më të larta, silici është më i preferuar për prodhimin diodës zener.

36

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Qarku ekuivalent i diodës zener përfshin një rezistencë të vogël dinamike dhe një bateri me tension të barabartë me VZ, siç është treguar më poshtë në figurën 1.33. Në përgjithësi rezistencat e jashtme janë shumë më të mëdha se rezistenca e diodës zener dhe qarku ekuivalent është ai i treguar në figurën 1.33 b).

Figura 1.33. Qarku ekuivalent i diodës zener a) i plotë, b) i përafërt

Në tabelën e mëposhtme jepen të dhënat e një tip diode zener, ku Vz nominale është vlera mesatare tipike e tensionit të diodës. IZ-T është vlera e rrymës së përcaktuar për ¼ e fuqisë dhe ZZT është vlera e rezistencës dinamike për këtë nivel (në fig. 1.35). Koeficienti i temperaturës shpreh ndryshimet në përqindje të Vz në lidhje me temperaturën. Ky përcaktohet nga ekuacioni 1.9

9

ku ΔVz është ndryshimi i tensionit në diodën zener me ndryshimin e temperaturës, T0 është temperatura e dhomës (25oC), T1- vlera e re e temperaturës.

Figura 1.34. Karakteristika e diodës zener

37

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Në figurën 1.35 vihet re që koeficienti i temperaturës mund të jetë pozitiv, negativ ose zero. Koeficienti ka vlerë pozitive kur me rritjen e temperaturës rritet Vz, ndërsa koeficienti ka vlerë negative kur me rritjen e temperaturës zvogëlohet Vz.

Figura 1.35. Karakteristikat elektrike për diodën zener 10 V, 500 mW

Më poshtë tregohen: përcaktimi i daljeve të diodës zener dhe pamja e jashtme e disa prej tyre.

Figura 1.36. Përcaktimi i daljeve të diodës zener dhe pamja e jashtme e disa prej tyre

38

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

SHEMBULL Përcaktoni tensionin nominal të diodës zener nga tabela 1.4 në temperaturën 100OC.

Zgjidhje Nga ekuacioni 1.9

Duke zëvendësuar vlerat nga tabela 1.14

Dhe për arsye të koeficientit pozitiv të temperaturës, tensioni i ri i zenerit është:

USHTRIME 1. Për diodën zener me këto karakteristika: VZ= 30 V, VR = 17 V, IZT = 10 mA, IR = 20 µA dhe IZM = 30 mA. Vizatoni lakoren e karakteristikës së diodës të ngjashme me atë të figurës 1.34. 2. Përcaktoni koeficientin e temperaturës së një diode zener me Vz = 5 V (në 25°C), nëse tensioni nominal bie në 4.6 V në temperaturën 100°C. 3. Duke përdorur karakteristikën e figurës 1.35, sa është koeficienti i temperaturës së diodës në VZ = 20 V? Po për 5 V? Mendojeni shkallën lineare dhe vlerën e rrymës 0.1 mA.

1.12. DIODAT DRITËDHËNËSE (LED) LED janë dioda speciale që emetojnë dritë kur lidhen në një qark. Ato janë përdorur shpesh si një llambë pilot në zbatimet elektronike për të treguar kur qarku është në punë ose jo. Në një diodë të polarizuar në të drejtë, elektronet e lira kalojnë bashkimin e bien brenda vrimave. Nëse këto elektrone bien nga një nivel energjetik më i lartë në një nivel energjetik më të ulët, ato rrezatojnë energji. Në diodat e zakonshme Si ose Ge, pjesa më e madhe e kësaj energjie shkon në formën e ngrohtësisë.

39

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Në materiale të tjera si galium arsenik fosfor (GaAsP) ose galium fosfor (GaP), numri i fotoneve të dritës është i mjaftueshëm për të krijuar një burim drite të dukshëm. Në diodat emetuese të dritës, kjo energji rrezatohet si dritë. Pjesa më e rëndësishmë e një LED-i është një çip gjysmëpërcjellës që vendoset në qendër të llambës. Çipi ka dy shtresa: shtresa p ka kryesisht ngarkesa elektrike pozitive, ndërsa shtresa n ka kryesisht ngarkesa elektrike negative. Kur një tension i mjaftueshëm është zbatuar në diodë, elektronet mund të lëvizin lehtë vetëm në një drejtim në bashkimin e shtresave p dhe n, pra fillon të kalojë rrymë, sepse elektronet e shtresës n kanë energjinë e mjaftueshme për të lëvizur drejt shtresës p. Kur një elektron lëviz e bie mbi një ngarkesë pozitive, të dy ngarkesat rikombinohen, pra kur një elektron takon një vrimë, ajo bie në një nivel më të ulët energjie dhe lëshon energji në formën e fotonit. Sa herë një elektron rikombinohet me një ngarkesë pozitive, energjia potenciale elektrike shndërrohet në energji elektromagnetike. Duke përdorur kombinimin e elementeve kimike galium, arsenik dhe fosfor, mund të ndërtojmë LED-e, që rrezatojnë në ngjyrë të kuqe, jeshile, të verdhë, blu, portokalli ose infra të kuqe (të padukshme). Le të shohim se si duhet lidhur LED në një qark (fig. 1.37). Dalja e katodës (ku lidhet minusi) e një LED-i është treguar në dy mënyra: 1. ana e rrafshët e diodës (fig. 1.37 a), 2. më e shkurtra nga dy daljet e zgjatura poshtë diodës (fig. 1.37 b). Në figurën 1.37 janë treguar pamje të ndryshme të LED, ndërsa në figurën 1.38 simboli i LED.



a) b) Figura 1.37. Pamje të ndryshme të LED

Figura 1.38. Simboli i LED

a

Dalja e katodës së LED-it duhet lidhur gjithnjë me terminalin negativ të një baterie. Tensioni i punës së një diode emetuese të dritës (LED) është rreth vlerave 1.5 V deri në 3 V, ndërsa rryma që rrjedh nga 10 deri në 50 miliamper. Tensionet dhe rrymat mbi këto vlera mund të shkrijnë çipin e LED. Një skemë e thjeshtë me LED tregohet në figurën 1.39:

f

g

e

b c

d a)

b)

Figura 1.39. a) Skemë e thjeshtë me LED b) Display me 7 segmente me LED

40

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Një display me shtatë segmente përmban shtatë LED-e. Çdo LED është quajtur një segment. Në figurën 1.39 a) është treguar një segment i një display me 7 segmente ku dioda është lidhur në seri me një rezistencë që përdoret për të kufizuar vlerën e rrymës. Disa nga përdorimet e LED në jetën e përditshme janë:

• • • • • • • •

ndriçimet arkitekturore, indikatorët (tregues gjendjeje) në mjaft pajisje, sinjalet e trafikut dhe ato rrugore, ndriçuesit e dorës, telekomandat (komandimi në largësi) në saje të LED me infra të kuqe, fibrat optike për komunikacion, për dritat e pemës së Krishtlindjes, fototerapia me LED kundër akneve ka rezultuar efektive në zhdukjen e akneve për një periudhë 3-mujore etj.

Disavantazhet e përdorimit të LED-it Shpesh LED-ët janë më të shtrenjtë se teknologjitë e tjera ndriçuese. Përgjithësisht, performanca e LED-it varet nga temperatura e mjedisit në të cilin punon. Duke e vënë në punë LED–in në temperatura të larta të ambientit, kjo mund të rezultojë mbinxehëse për diodën dhe e çon atë në dëmtim e deri në mosfunksionim të saj. Për ta mbajtur në punë sa më gjatë diodën, kërkohen ftohës. Kjo merret parasysh në pajisjet ushtarake të cilat mund t’i ushtrohen temperaturave të larta të mjedisit. Për të punuar me sa më shumë rendiment, LED-i kërkon një burim fuqie të studiuar. Sigurisht ajo kërkon një rezistencë, që, gjithsesi, harxhon një sasi të konsiderueshme të energjisë. Pamja e jashtme e disa diodave emetuese të dritës jepet në figurën 1.40:

Figura 1.40. Pamja e jashtme e disa diodave emetuese të dritës

USHTRIME 1. Në figurën 1.39 a) tensioni i burimit është 10 V, ndërsa tensioni i hapjes së diodës është 2 V. Sa është rryma që kalon në LED, nëse R = 680 Ω? 2. Nëse LED-i, me tension hapjeje 1.8 V, ushqehet nga një burim me V = 20 V, sa është vlera e rezistencës kur në LED kalon rryma 20 mA?

41

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

1.13. FOTODIODA Me kalimin e viteve, është rritur së tepërmi interesi për pajisjet elektronike të ndjeshme ndaj dritës. Dega përkatëse që studion këto pajisje dhe mundohet të rrisë rendimentin e tyre quhet optoelektronika. Burimet e dritës janë një burim i veçantë energjie. Kjo energji transferohet nëpërmjet grimcave të quajtura fotone, të cilat kanë një nivel të lidhur drejtpërdrejt me frekuencën valës shëtitëse të dritës ( f ) dhe përcaktohet me formulën e mëposhtme:

W = h*f. Energjia shprehet në xhaul, (h) është konstantja e Plankut që është e barabartë me 6.624 x 10-34 xhaul/sekondë, f është frekuenca e valës së dritës që matet me hertz. Nga ana tjetër, frekuenca është gjithashtu e lidhur me gjatësinë e valës (largesa e dy kreshtave të një vale). Λ= Lambda (Λ) është gjatësia e valës e matur në metra, v është shpejtësia e dritës (v = 3 x 108 m/s) dhe f është frekuenca e valës shëtitëse e matur në Hz. R Gjatësia e valës normalisht matet në Angstrom (Å) ose në mikrometër, ku 1Å = 10-10 m dhe 1 mikrometër = 10-6 m. V

Gjatësia e valës së dritës rënëse varet nga lloji i materialit që përdoret për ndërtimin e elementeve optoelektronike. Fotodioda është një element gjysmëpërcjellës me bashkim p-n. Simboli dhe një skemë e thjeshtë me fotodiodë (figura (a) 1.41) tregohet më poshtë:

-

Vλ

+

p n

+

Ikundërt

Iλ

+

V

R

(b)e thjeshtë me fotodiodë Figura 1.41. Simboli dhe një skemë Pra, siç duket dhe nga skema, fotodioda lidhet në të kundërt me baterinë. Plusi i baterisë lidhet me katodën e fotodiodës dhe minusi me anodën e saj. Kur nuk aplikojmë dritë, rryma që do të ekzistojë është rrymë shumë e vogël dhe quhet rryma e errët. Kujtojmë nga mësimet e para se rryma e kundërt e saturimit ka vlerë disa mikroamper dhe ajo krijohet nga lëvizja e mbartësve minoritarë në shtresën n dhe p.

42

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Kur rrezet e dritës, me një gjatësi vale të caktuar (frekuencë të caktuar), bien mbi kalimin p-n të fotodiodës, atëherë energjinë e tyre e transferojnë në strukturën atomike. Për rrjedhojë rriten shumë mbartësit minoritarë, që krijojnë rrymën e punës në fotodiodë. Numri i elektroneve të lira është në përpjesëtim të drejtë me intensitetin e dritës që bie. Intensiteti i dritës është i lidhur me fluksin e ndriçimit që bie mbi një sipërfaqe. Fluksi i ndriçimit matet me lumens (lm) ose vat:

1 lm = 1.496 x 10-10 W.

Intensiteti i ndriçimit matet në përgjithësi me fotokandela (fc ) ose W/m2:

1 fc = 1.609 x 10-9 W/m2

Meqenëse koha e ndryshimit të gjendjes së këtij elementi është shumë e vogël, deri në nanosekonda, këtë element mund ta përdorim në numërues me shpejtësi të lartë, sistemet e alarmit etj. Rryma e kundërt do të jetë me vlerë të konsiderueshme aq kohë sa të vazhdojë të bjerë rrezja e dritës. Në qoftë se rrezja ndërpritet, rryma e kundërt bie në nivelin e rrymës së errët dhe vë në punë sinjalizuesin e alarmit. Një tjetër përdorim është ai i numërimit të objekteve mbi një rrip lëvizës. Me lëvizjen përpara të çdo objekti, sa herë pritet rrezja e dritës mbi fotodiodë, rryma bie në nivelin e rrymës së errët dhe numëruesi rrit me një numrin. Zbatime të tjera mund të jenë: në aparatin fotografik me autofokusim, në pajisje sigurie si detektorët e tymit, rrezet X në aeroporte dhe në alarmet e automjeteve dhe të banesave, në industri në skanerat e bar kodeve, në enkodera, në sensorë pozicioni si dhe në fotokopjues etj. Më poshtë tregohen skema të ndryshme praktike me fotodioda (fig. 1.42).

Figura 1.42. Skema të ndryshme praktike me fotodioda

43

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

1.14. QARQET ME LIDHJE OPTIKE Qarqet me lidhje optike (optoçiftuesit) kanë në brendësi 2 elemente: 1. Elementi që emeton dritë (LED etj.). 2. Elementi i ndjeshëm ndaj dritës (fotodiodë, fototransistor etj.). Këto dy elemente janë të vendosura në një paketë të vetme (chip) dhe midis tyre nuk ekziston lidhje elektrike, por vetëm lidhje optike. Skema elektrike tregohet më poshtë:

Figura 1.43. Skema elektrike e një qarku me lidhje optike

USHTRIME 1. Në figurën 1.43 Vo = 20V dhe Ro = 47 KΩ. Nëse Io ndryshon nga 2 -10 µA, sa është ndryshimi i tensionit në fotodiodë?

1.15. DIODAT SHOTKI (SCHOTTKY) Një diodë e zakonshme në frekuencat e ulëta mund të ndryshojë lehtë gjendjen nga e polarizuar në të drejtë në të polarizuar në të kundërt. Nëse frekuenca rritet, dioda arrin një gjendje ku nuk mund të kalojë shpejt në gjysmëciklin ku ajo polarizohet në të kundërt. Koha që i duhet diodës së polarizuar në të drejtë për t’u shkyçur (kur polarizohet në të kundërt gjatë gjysmëvalës negative) është quajtur koha e kthimit të kundërt (reverse recovery time) trr. Koha e kthimit të kundërt është shumë e shkurtër në diodat e sinjaleve të vogla dhe nuk vihet re në frekuencat poshtë 10 MHz. Në frekuenca më të mëdha ajo duhet marrë në konsideratë, sepse bëhet e krahasueshme në periodën e sinjalit (T=1/f). Në një skemë drejtuese me një gjysmëvalë, sinjali në dalje është pulsant në frekuencat e ulëta, ndërsa në frekuencat e larta sinjali në dalje është i deformuar. Kur frekuenca bëhet e rendit MHz, sinjali në dalje është i deformuar, sepse koha e kthimit të kundërt bëhet pjesë e periodës. Për të zgjidhur këtë problem, në vend të diodës së zakonshme përdorim diodën Shotki, e cila nga njëra anë e bashkimit është ndërtuar nga një pjesë metali, si: ar, argjend, platin etj., ndërsa nga ana tjetër nga një shtesë tjetër gjysmëpërcjellëse silici (kryesisht tipi n), figura 1.44 a).

44

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

b)

a)

Dioda Schottky Dioda e zakonshme

c) Figura 1.44. a). Skema strukturore, b) simboli, c) karakteristika e diodës Shotki dhe një diodë e zakonshme

Kur dioda është polarizuar në të drejtë, elektronet e lira në shtresën n kanë energjinë e mjaftueshme për të kaluar në orbita (nivele energjie) më të larta. Elektronet e lira mund të kalojnë bashkimin p-n dhe të hyjnë në metal duke prodhuar një rrymë mjaft të madhe. Metali nuk ka vrima dhe koha e kthimit të kundërt është e papërfillshme. Më poshtë tregohet një skemë drejtuese me diodë Shotki si dhe forma e sinjalit në dalje në frekuencën 100 MHz. Vi -- tensioni në hyrje, Vo -- tensioni në dalje.

Figura 1.45. Skemë drejtuese me diodë Shotki si dhe forma e sinjalit në hyrje dhe në dalje

45

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Dioda Shotki kyçet e shkyçet më shpejt se diodat e zakonshme. Ato përdoren në qarqet dixhitale kompjuterike. Shpejtësia e kompjuterave varet nga shpejtësia e diodave dhe transistorëvë me të cilët ata kyçen e shkyçen. Dioda Shotki e ka tensionin e hapjes rreth 0.25 V, pra më të vogël se një diodë e zakonshme. Për këtë arsye dioda Shotki mund të përdoret në burimet e fuqisë me tensione të vogla në hyrje.

USHTRIME 1. Përshkruani me fjalët tuaja ndërtimin e një diodë Shotki dhe thoni ndryshimin nga një diodë e zakonshme. Përshkruani mënyrën e punës. 2. Gjeni materiale shtesë në lidhje me funksionimin dhe përdorimin e diodave Shotki.

1.16. DIODA VARIKAP (DIODA ME KAPACITET VARIABËL) Dioda varikap përdoret gjerësisht në qarqet televizive, në marrësit FM dhe pajisje të tjera komunikacioni. Simboli i saj jepet në figurën 1.46 a). Kur një diodë e sinjaleve të vogla polarizohet në të kundërt, ka një rezistencë të kundërt të rendit MΩ, pra në frekuencat e ulëta dioda sillet si një qark i hapur, ndërsa në frekuencat e larta kjo rezistencë duhet marrë në konsideratë. Kur dioda polarizohet në të kundërt, dy shtresat “p” dhe “n” shihen si pllakat e një kondensatori, ndërsa zona e kundërt si një dielektrik midis pllakave të një kondensatori. Ky kapacitet që shfaq dioda quhet kapacitet kalimtar (CT). Sa më i madh është tensioni i kundërt i zbatuar në diodë, aq më e gjerë është shtresa e kundërt dhe aq më i vogël është kapaciteti kalimtar. Pra, kapaciteti është funksion i tensionit të kundërt që zbatohet në të. Në figurën 1.46 b) është treguar skema ekuivalente e një diode varikap të polarizuar në të kundërt. Një rezistencë e kundërt e madhe, RR, është në paralel me kapacitetin kalimtar (CT). Në frekuencat e ulëta kapaciteti kalimtar (CT) është shumë i vogël dhe dioda sillet si qark i hapur (RR është e madhe). Në frekuencat e larta kapaciteti i kontrolluar nga tensioni ka efekt mbizotërues. Në figurën 1.46 c) shihet si ndryshon kapaciteti kalimtar (CT) në varësi të tensionit të kundërt të zbatuar në të.

46

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

a)

b)

Figura 1.46 a) Simboli i diodës varikap b) Skema ekuivalente e diodës varikap c) Karakteristika e kapacitetit kalimtar në varësi të tensionit të kundërt

CT

c)

Diodat e silicit shfaqin kapacitet të kontrolluar nga tensioni, prandaj ato kanë zëvendësuar kondesatorët akordues mekanikë në mjaft zbatime, si: në marrësit televiziv, në radiot e automobilave etj. Në katalog, për një vlerë referimi kapaciteti të diodës varikap, ne gjejmë një kufi akordimi për një kufi vlerash tensioni. P.sh., për diodën 1N5142, për një vlerë referimi kapaciteti 15 pF, tregohet një kufi akordimi 3:1 për një kufi vlerash tensioni nga (–4) V deri në (– 60) V. Kjo do të thotë që kapaciteti zvogëlohet nga 15 pF në 5 pF, kur tensioni ndryshon nga (–4) V deri në (–60) V. Kufiri i akordimit varet nga niveli i papastërtive në shtresat gjysmëpërcjellëse. Për të rritur kufirin e akordimit, rritet densiteti i ngarkesave në afërsi të kalimit p-n. Nëse një diodë varikap lidhet në paralel me një bobinë, ne mund të kemi një kontur rezonues me frekuencën e akordimit:

fr = USHTRIME 1. Një bobinë ka induktivitetin 20µH. Një diodë varikap ka një kapacitet referimi prej 30 pF dhe një kufi akordimi 3:1. Nëse bobina dhe dioda varikap janë në paralel, sa është frekuenca minimale e rezonancës? Po frekuenca maksimale? 2. Gjeni materiale shtesë në lidhje me funksionimin dhe përdorimin e diodave varikap.

47

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

1.17. DIODA TUNNEL Dioda tunel (tunnel) ka këtë veçori: nëse polarizohet në të drejtë, menjëherë në të kalon rrymë që arrin vlerën maksimale I , kur tensioni në diodë është VP. Më pas, me rritjen e tensionit, rryma zvogëlohet në vlerën minimale Iv për tensionin VV. Zona midis këtyre vlerave quhet zona me rezistencë negative (sepse rritja e tensionit në diodë zvogëlon rrymën në diodë). P

a)

b)

E a R

E

+ -

c

+

Linja e ngarkesës b

-

E

c) d) Figura 1.47 a) Karakteristika e diodës tunnel dhe krahasimi i karakteristikës së saj me atë të një diode të zakonshme, b) simboli i saj, c) një skemë e thjeshtë me diodë tunel, d) përcaktimi i pikës së punës së diodës

Zona me rezistencë negative është zona më e përdorshme në punën e këtyre diodave sidomos në qarqet oshiluese me frekuencë të lartë. Për skemën e figurës 1.47 c), ndërtojmë linjën e ngarkeses në figurën 1.47 d) dhe vëmë re që pikat a) e b) janë pika pune të qëndrueshme (ndodhen në zonat me rezistencë pozitive).

48

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Pika e punës c) është pikë pune jo e qëndrueshme. Një ndryshim i lehtë i vlerës së tensionit në diodë shkakton lëvizjen e pikës së punës Q drejt pikës a) ose b).

USHTRIME 1. Cili është ndryshimi midis diodës së zakonshme gjysmëpërcjellëse dhe diodës tunel. 2. Përcaktoni vlerën e rezistencës negative të diodës tunel midis VT = 0.1 V dhe VT = 0.3V. 3. Përcaktoni pikat e qëndrueshme të punës për skemën e figurës 1.47 c) të diodës tunel me karakteristikën e figurës 1.47 a), nëse E = 2 V, R = 0.4 KΩ.

1.18. DIODA ME RRYMË KONSTANTE Këto dioda bëjnë të kundërtën e asaj që bëjnë diodat zener. Në vend që të mbajnë tensionin konstant, ato mbajnë rrymën konstante kur tensioni ndryshon. P.sh., dioda 1N5350 është një diodë me rrymë konstante me rrymë tipike 2 mA, kur tensioni ndryshon nga 2 deri në 100 V, pra me kompliancë (kufijtë e tensionit me të cilin punon) prej 98 V.

1.19. DIODA E KUNDËRT (BACK DIODA) Dioda zener ka një tension zener më të madh se 2 V. Me rritjen e nivelit të papastërtive, ne mund të gjejmë efektin zener më pranë vlerës zero. Kur kjo diodë polarizohet në të drejtë, ajo fillon të përcjellë (të kalojë rrymë) në (+ 0.7) V, ndërsa kur polarizohet në të kundërt, ajo fillon të përcjellë në (-0.1) V. Një diodë e tillë quhet diodë e kundërt (back), meqë përcjell më mirë në të kundërt se në të drejtë. Nëse një skemë ushqehet me tension maksimal 0.5 V, një diodë e zakonshme e polarizuar në të drejtë nuk do të përcillte rrymë, por kjo mjafton për një diodë të kundërt të polarizuar në të kundërt. Sinjali në dalje do të ketë amplitudën 0.4 V. Dioda e kundërt përdoret për të drejtuar sinjale me vlera maksimale nga 0.1 V deri në 0.7 V. Vini re që simboli i diodës zener në figurën 1.48 përdoret edhe për diodën e kundërt.

Figura 1.48. Skema drejtuese me diodë të kundërt

49

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

USHTRIME 1. Përpiquni të skiconi karakteristikën volt-ampere të një diode të kundërt me tension hapjeje të drejtë 0.7 V dhe me tension të kundërt maksimal (-0.1) V.

1.20. VARISTORI Ndonjëherë gjatë punës në rrjet shfaqen disa mbitensione që shfaqen disa mikrosekonda ose më pak. Në mjaft pajisje vendosen filtra midis linjave të fuqisë ose në primarët e transformatorëve për të eliminuar problemet që shfaqen në linjat e transmetimit. Një prej elementeve të përdorura në këto raste janë varistorët. Ato janë elemente gjysmëpërcjellëse si dy dioda zener të lidhura shpinë më shpinë me një tension të kundërt maksimal të lartë në çdo drejtim. P.sh., V 130LA2 ka tension të kundërt maksimal 184 V dhe një rrymë maksimale të lejuar 400 A. Lidhja e tij në paralel me mbështjellën primare do të mbrojë pajisjen nga tensione që i kalojnë vlerat 184 V. Simboli i saj paraqitet në figurën 1.49

Figura 1.49. Simboli i varistorit

1.21. EKRANET ME KRISTAL TË LËNGSHËM LCD (LIQUID CRYSTAL DISPLAYS) LCD-ja është një pajisje e hollë, e sheshtë, e lehtë dhe harxhon shumë më pak fuqi sesa CRT-t (cathode ray tubes) si dhe LED. Ato janë të përbëra nga një numër i caktuar pikselash të rreshtuara përpara një burimi drite ose reflektori me kufinj temperature zakonisht nga 0-60°C. Përdoren në përgjithësi në pajisjet elektronike me bateri për faktin se përdorin sasi shumë të vogla energjie elektrike. Kristali i lëngshëm është një lëndë ose substancë që sillet edhe si e lëngët, edhe si e ngurtë. Në këtë kristal molekulat mund të lëvizin relativisht lehtë kundrejt njëra-tjetres, pothuajse si molekulat në lëngje. Megjithatë, të gjitha molekulat në kristalin e lëngët tentojnë të jenë të orientuara në të njëjtën mënyrë si rregullimi i molekulave në kristalin e ngurtë.

50

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Kristalet e lëngëta e ruajnë natyrën e tyre të dyfishtë, të lëngët dhe të ngurtë vetëm në një diapazon të caktuar temperaturash dhe presionesh. Në temperatura të larta ose presione të vogla lehtësohen rrotullimet e çastit të molekulave, duke bërë që kristali i lëngshëm të sillet si lëng i zakonshëm. Në temperatura të ulëta ose në presion të lartë molekulat në kristalin e lëngët e humbin mundësinë e lëvizjes kundrejt njëra-tjetrës dhe kristali i lëngët ngurtësohet duke bërë që ai të sillet si një trup i ngurtë i zakonshëm. Çdo pixel i një LCD-së përbëhet nga një shtresë molekulash të radhitura midis dy elektrodash transparente, dy filtrave të polarizuar, akset e përhapjes së të cilëve, në shumicën e rasteve, janë pingulë me njëri-tjetrin. Sipërfaqja e elektrodave që janë në kontakt me materialin e lëngshëm kristalor, është vendosur në mënyrë të tillë që radhitja (sistemimi) e molekulave të kristalit të lëngshëm ka një drejtim të caktuar. Elektrodat janë të përbëra nga sipërfaqe përcjellëse transparente prej Indium Tin Oxide (ITO). Kur midis elektrodave nuk zbatohet tension, orientimi i molekulave të kristalit të lëngshëm është përcaktuar nga drejtimi i sipërfaqes së elektrodave. Në një element nematik të përdredhur (siç është shumica e elementeve me kristal të lëngshëm) drejtimi i radhitjes së molekulave te të dy elektrodat është pingul me njëra-tjetrën dhe ato rregullojnë vetveten në mënyrë të përdredhur ose spirale. Gjatë kësaj kohe pajisja duket e hirtë. Nëse një tension (zakonisht 6-20 V) është zbatuar midis elektrodave përcjellëse, renditja molekulare çrregullohet. Kur zbatohet një tension midis elektrodave, ndodh një rrotullim dhe molekulat e kristalit të lëngshëm radhiten paralel me fushën elektrike, duke shtrembëruar strukturën në formë spirale. Në rastin kur voltazhi është relativisht i lartë, molekulat e kristalit të lëngshëm në qendër të shtresës janë pothuajse të papërdredhura. Drita, kur kalon përmes shtresës së kristalit të lëngët, do të jetë polarizuar në drejtim pingul me filtrin e dytë dhe pikseli do të duket i zi. Duke kontrolluar tensionin e zbatuar përmes shtresave të kristalit të lëngshëm në çdo piksel, drita do të lejohet të kalojë në sasi të ndryshme dhe në këtë mënyrë do të krijohen nivele të ndryshme të nuancës së hirtë. Në figurën 1.50 a), b) është treguar mënyra e vendosjes së shtresave në një LCD. Në LCD-të me ngjyra çdo piksel ndahet në tri qeliza ose subpiksela, të cilat kanë respektivisht ngjyrë të kuqe, jeshile dhe blu. Çdo subpiksel mund të kontrollohet në mënyrë të pavarur, në mënyrë që të gjenerojë mijëra e miliona ngjyra dhe nuanca të mundshme për çdo pixel. Monitorët CRT zbatojnë një strukturë të ngjashme subpikselash me anë të lëndëve fosforeshente, pavarësisht se tufa e elektroneve e rënë në CRT nuk godet me saktësi subpikselat.

51

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 me elektroda

a)

b) 1. 2. 3. 4. 5. 6.

filtri polarizues vertikal shtresa prej xhami me elektroda kristali i lëngshëm nematik shtresa prej xhami me elektroda filtri polarizues horizontal sipërfaqja reflektuese që dërgon pamjen te shikuesi

Figura 1.50

Karakteristikat kryesore të një LCD-je janë: • Rezolucioni: Madhësia horizontale dhe vertikale e matur në pixel (p.sh., 1024 x 768). Ndryshe nga monitorët CRT, monitorët LCD kanë një rezolucion të vetin për të shfaqur më mirë pamjen. • Distanca midis qendrave të dy pikselave të njëpasnjëshëm (Dotpitch): Sa më e vogël të jetë distanca, aq më e qartë është figura. Ajo mund të jetë e njëjtë si horizontalisht, ashtu edhe vertikalisht ose e ndryshme. • Madhësia e dukshme: Madhësia e një paneli LCD e matur diagonalisht. • Koha e përgjigjes: Koha minimale për të ndryshuar ngjyrën ose dritën e një pixeli. Koha e përgjigjes ndahet gjithashtu në kohë rritjeje dhe rënieje. • Shpejtësia e rifreskimit (Refresh - numri i herëve për sekondë për të cilat monitori paraqet të dhënat që i jepen): Kur shpejtësia (refresh rate) është shumë e ulët, mund të shkaktojë ngecje dhe dallohet më shumë në monitorët e mëdhenj. Shumë televizore LCD të mëdhenj tani përdorin refresh rate prej 120 Hz . • Tipi i matrix (aktiv ose pasiv) • Këndi i shikimit (njihet ndryshe si drejtimi i shikimit). • Ngjyrat • Drita (sasia e dritës së emetuar nga display). • Raporti i kontrastit (raporti i intensitetit së dritës më të zbehtë me atë të ngjyrës më të errët). • Raporti i gjerësisë me gjatësinë (p.sh., 4:3, 16:9, 16:10).

52

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

1.22. QELIZAT DIELLORE Një qelizë diellore, e thënë ndryshe qelize voltaike, është ajo pajisje që kthen energjinë diellore në elektricitet me anë të efektit fotovoltaik.

Pak histori Termi fotovoltaik vjen nga greqishtja foto - dritë dhe voltaik - elektrike. Efekti fotovoltaik u zbulua për herë të parë në vitin 1839 nga fizikani francez Aleksander-Edmond Becquerel. Megjithatë, duhej pritur viti 1883 kur u ndërtua qeliza e parë diellore nga Çarls Frits (Charles Fritts). Ai mbështolli materialin gjysmëpërçues selen me një shtresë mjaft të hollë ari duke formuar pika bashkimi midis tyre. Fatkeqësisht pajisja kishte rendiment mjaft të vogël, rreth 1%. Epoka moderne e teknologjisë së fuqisë diellore filloi në vitin 1954 në laboratorët Bell, duke eksperimentuar me gjysmëpërçuesit. Rastësisht u zbulua se silici i difuzuar me disa papastërti të caktuara ishte mjaft i ndjeshëm ndaj dritës. Si rezultat u prodhuan qeliza diellore me një rendiment të kthimit të energjisë diellore rreth 6%. Anija e parë kozmike që përdorte panele diellore ishte sateliti i SHBA-së “Explorer 1” i lëshuar në orbitë në janar të vitit 1958. Me kalimin e viteve rendimenti i qelizave diellore erdhi në rritje, për të arritur aty ku jemi sot. Në vitin 2007, dy kompani amerikane prodhuan rreth 95% të qelizave diellore me rendiment 28%.

Ndërtimi dhe parimi i punës Qelizat diellore moderne janë bazuar në fizikën gjysmëpërcjellëse. Ato janë thjesht fotodioda me një bashkim p-n me një sipërfaqe mjaft të ndjeshme ndaj dritës. Bëhen përpjekje për të siguruar sipërfaqe sa më pingule me diellin. Efekti fotovoltaik, që bën qelizën të shndërrojë dritën drejt e në energji elektrike, ndodh në 3 shtresat e shndërrimit të energjisë. Shtresa e parë e nevojshme për konvertimin e energjise në një qelizë diellore është shtresa e sipërme e përbërë nga një gjysmëpërçues i tipit n. Shtresa e dytë është bashkimi p-n. Shtresa e fundit e shndërrimit të energjisë është shtresa e pasme e përbërë nga gjysmëpërçuesi i tipit p. Gjithashtu mbi to duhen vendosur edhe dy shtresa të tilla që të lejojnë rrymën elektrike të rrjedhë jashtë nëpër qelizë. Shtresat e kontaktit elektrik janë të përbëra nga përcjellës të mirë metali. Ato vendosen në mënyrë të tillë që një numër sa më i madh i fotoneve të energjisë së dritës të arrijnë bashkimin. Një foton i energjisë së dritës godet panelin dhe mund të përplaset me një elektron valence duke bërë që ai të largohet nga atomi mëmë në saje të energjisë së tepërt që krijohet. Në shtresën tip p elektronet e krijuara janë mbartës pakice (minoritarë) dhe do të lëvizin lirshëm përmes bashkimit p-n edhe pse tensioni i zbatuar është 0. Njëlloj mund të arsyetojmë edhe për vrimat që krijohen në shtresën gjysëmpërcjellëse n. Si rezultat krijohet një rritje e lëvizjes së mbartësve të pakicës që është e kundërt me lëvizjen konvencionale të rrymës në kalimin p-n.

53

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Në këtë mënyrë, ky konstrukt funksionon si diodë, duke mos e lënë këtë fluks elektronesh të kthehet mbrapsht dhe e detyron të lëvizë vetëm në një drejtim, duke krijuar në këtë mënyrë rrymë si në figurën 1.51: Drita e diellit Xham

VOC është tensioni në daljet e baterisë kur qarku është i hapur.

+ VOC tensioni fotovoltaik

p n kontakt metali

bashkim Figura 1.51. Paraqitja më e thjeshtë e ndërtimit të një qelize diellore

Qarku ekuivalent dhe simboli skematik i një qelize diellore është treguar më poshtë:

Figura 1.52. Qarku ekuivalent dhe simboli skematik i një qelize diellore

Një qelizë diellore ideale mund të ekuivalentohet nga një burim rryme në paralel me një diodë. Në praktikë asnjë qelizë diellore nuk është ideale, kështu që një rezistencë në paralel dhe një në seri i janë shtuar modelit. Qelizat diellore zakonisht lidhen me njëra-tjetrën për të formuar module. Modulet fotovoltaike në shumicën e rasteve kanë një fletë xhami në faqen ballore, duke lejuar kalimin e dritës, por duke mbrojtur gjysmëpërçuesin nga gërvishtjet e pluhurit apo faktorët e shumtë atmosferikë. Qelizat diellore lidhen si module në seri, në mënyrë që tensionet e tyre të mblidhen si në figurën 1.53.

Figura 1.53. Qeliza diellore në seri

54

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Duke i lidhur qelizat si module në paralel, do të përfitojmë një rrymë më të madhe (fig. 1.54).

Figura 1.54. Qeliza diellore në paralel

Pra, qelizat, për të arritur një rrymë ose tension të dëshiruar maksimal, lidhen në module në seri ose paralel. Fuqia në dalje e strukturave që përbëhen nga qeliza diellore matet me vat (W) ose kilovat (kW). Rendimenti i punës së një qelize diellore përcaktohet: Po (elektrike) η=

Pi (energjia e dritës)

X100% =

P maksimale e pajisjes (sipërfaqe në cm 2 )(100mW/cm 2 )

x100%

Rruga që ndiqet gjatë transformimit të energjisë përmbledhtazi është kjo: • Një panel diellor e kthen ernergjinë diellore në një sasi energjie të rrymës së vazhduar. • Më pas rryma e vazhduar mund të futet në një inverter (konvertues DC-AC). • Inverteri e kthen tensionin e vazhduar në 120 V ose 240 V AC, që nevojitet për të vënë në punë pajisjet elektroshtëpiake. • Elektriciteti më pas shpërndahet në të gjithë shtëpinë. • Pjesa që nuk përdoret do të ruhet për përdorim të mëvonshëm.

Përdorimet e qelizave diellore Qelizat fotovoltaike janë të pazëvendësueshme në rastet kur pajisja që duhet ushqyer ndodhet mjaft larg, si: satelitët që përshkojnë orbitën e Tokës, sondat hapësinore, në pajisjet për pompimin e ujit, teleskopët, makinat me energji diellore etj. Makinat e energjisë diellore janë makina të cilat e marrin fuqinë nga një grup qelizash diellore. Elektriciteti i prodhuar shkon si fuqi për motorin e këtyre makinave ose shkon në një bateri duke u ruajtur aty.

55

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Përdorimet më të gjera të qelizave diellore janë te makinat llogaritëse (ku ekzistojnë makina llogaritëse pa buton off) dhe te satelitët e ndryshëm. Këto qeliza diellore kanë gjetur përdorim shumë të efektshëm pothuajse në çdo fushë të jetës.

USHTRIME 1. Përshkruani me fjalët tuaja parimin e punës së një LCD-je. 2. Diskutoni mes ndryshimeve në parimin e punës së një ekrani LCD dhe një ekrani me LED. 3. Cilat janë avantazhet dhe disavantazhet e një ekrani LCD krahasuar me një ekran LED? 4. Një qelizë diellore me përmasa 1 cm me 2 cm e ka rendimentin 9%. Sa është fuqia maksimale e mundshme e pajisjes?

56

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

KAPITULLI PËRDORIMET E DIODAVE 2.1. HYRJE Konceptet e mësuara në këtë kapitull do të jenë të nevojshme për kapitujt në vijim. Për shembull, diodat përdoren shpesh në përshkrimin e ndërtimit të transistorëve, në analizat për rrymë alternative dhe për rrymë të vazhduar të transistorit. Analiza e skemave elektronike bëhet përmes procesit të përafrimit. Rezultatet e fituara nga karakteristikat e vërteta mund të jenë disi të ndryshme nga ato të fituara nga një seri përafrimesh. (Kini parasysh se edhe vetë karakteristikat e marra nga katalogu me ato të vetë elementit mund të ndryshojnë pak.) Gjithashtu elementet e ndryshme të qarkut mund të mos kenë vlerë të barabartë me atë që shënojnë. Jo gjithnjë një rezistencë që shënon 100 Ω ka vlerë 100 Ω dhe tensioni 10 V mund të jetë 10 V. Në këtë libër synimi është në zhvillimin e njohurive rreth punës së një pajisjeje përmes përafrimeve të duhura, duke shmangur një nivel të lartë veprimesh matematike.

2.2. ANALIZA E LINJËS SË NGARKESËS Rezistenca e ngarkesës e lidhur në skemë ka një rol të rëndësishëm në pikën ose zonën e punës së elementit. Lind pyetja: Si mund të gjejmë me saktësi vlerën e tensionit e rrymës në diodë? Nëse e analizojmë problemin në mënyrë grafike, për skemën ku është lidhur dioda, duhet të ndërtojmë një vijë të drejtë të quajtur linja e ngarkesës. Pikëprerja e linjës së ngarkesës me karakteristikën volt-ampere të diodës do të përcaktojë pikën e punës së diodës, Q. Një analizë e tillë quhet analiza e linjës së ngarkesës. Le të ndërtojmë linjën e ngarkesës së rrymës së vazhduar për qarkun e figurës 2.1 a).

57

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Në figurën 2.1 a) skema ushqehet nga tensioni i zbatuar (E) dhe në qark kalon rrymë në drejtimin orar. Fakti që drejtimi i rrymës dhe drejtimi i shigjetës në simbolin e diodës përputhen, do të thotë se dioda është polarizuar në të drejtë dhe shërben si “çelës i kyçur”. Për këtë polaritet të tensionit në diodë, karakteristika ndodhet në kuadrantin e parë të figurës 2.1 b).

b)

a)

Figura 2.1. a) Skema, b) karakteristika volt-ampere e diodës

Duke aplikuar ligjin e Kirkofit për tensionet për qarkun në seri te figura 2.1 a), do të kemi: E - VD – VR = 0 E = VD + ID R (2.1) Ky është ekuacioni i një vije të drejtë. Për ndërtimin e saj mjafton të gjejmë koordinatat e dy pikave të saj, 1 dhe 2, respektivisht në boshtin vertikal pika (1) dhe në atë horizontal pika (2) si në figurën 2.2. Për gjetjen e koordinatave të pikës (1) mendojmë VD=0V në ekuacionin (2.1) dhe e zgjidhim barazimin për gjetjen e ID.. Vlera e ID ndodhet në boshtin vertikal. Me VD= 0 V, ekuacioni (2.1) shndërrohet: dhe

E = 0 V + ID R

ID =

për VD=0

Për gjetjen e koordinatave të pikës (2) konsiderojmë ID = 0 dhe nga barazimi (2.1) do të gjejmë VD = E

58

për

ID = 0.

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Vija e drejtë që bashkon këto dy pika është linja (vija) e ngarkesës, siç tregohet në figurën 2.2. Ndryshimi i vlerës së rezistencës së ngarkesës do të ndryshojë pikëprerjen në boshtin vertikal. Rezultati është ndryshimi i pjerrësisë së linjës së ngarkesës dhe i pikëprerjes midis linjës së ngarkesës dhe karakteristikës së diodës. Siç e thamë më lart, pikëprerja e linjës së ngarkesës me karakteristikën e diodës përcakton koordinatat e pikës së punës. Nga pika Q, duke u ulur me një vijë vertikale pingul mbi boshtin horizontal, ne përcaktojmë tensionin e diodës VDQ, kurse duke hequr një vijë horizontale, pingul mbi boshtin vertikal, përcaktojmë vlerën e rrymës IDQ. Rryma IDQ është në fakt rryma që kalon në të gjithë skemën e figurës 2.1 a). Pika e punës quhet zakonisht pika e qetësisë (shkurt “Q”). Zgjidhja e përftuar nga pikëprerja e dy kurbave është e njëjtë me atë të përftuar nga zgjidhja matematikore e barazimit (2.1) dhe (1.4)

Figura 2.2. Vizatimi i linjës së ngarkesës dhe gjetja e pikës së punës

USHTRIME 1. Duke përdorur karakteristikën e figurës 1.19 për diodën e skemës së mëposhtme: a) përcaktoni ID e VD, b) përsëritni kërkesën a) për R = 0.4 KΩ c) krahasoni rezultatet e pikës a) e b).

si Si 1kΩ

6V

59

V2 1 = 220V 9

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 2. Përcaktoni vlerën e R-së për skemën e mësipërme, nëse I = 8 mA dhe E = 5 V. Përdorni karakteristikën e figurës 1.19. 3. Përcaktoni rrymën në rezistencë për çdo rast (VT = 0.7 V). 10Ω

50Ω

si

si

si 5V

0.5V

10V

20Ω

si (a)

(b)

(c)

2.3. TRANSFORMATORI Në pajisje të ndryshme elektronike shpesh përfshihen transformatorët, të cilët rritin ose ulin vlerën e tensionit ose të rrymës sa vlera e duhur nëpër përdorime të ndryshme. Simboli tregohet më poshtë. Le të kujtojmë diçka nga elektroteknika. Transformatori është i ndërtuar nga dy mbështjella: primari (parësori) dhe sekondari (dytësori) me numër spirash respektivisht N1 dhe N2, si dhe nga bërthama Lidhja e numrit të spirave me tensionet në mbështjella V2 është: N2

= V21 N2 = 1 V12 N2 = 1 V1efektive N1ose maksimale) - tensioni në primar (vlerë

ku V1 V2 - tensioni në sekondar (vlerë efektive ose maksimale. Raporti i numrit të spirave është një parametër i rëndësishëm në punën e tyre. Nëse raporti është 9:1 (pra, transformatori është ulës) për V1 = 220 V, atëherë: V 1 220V

= V2 = =24.5 V rms VV 220V 1N92 220V 220V 22 9 ==24.5 V rmsV2 = V2 = =24.5 V rms V 220V 220V 9V21 9N11 9 = V2 = =24.5 V rms 220V 9 9 Transformatorët izolojnë ngarkesën nga tensioni i linjës. Kjo nënkupton që 2

lidhja midis mbështjellave është thjesht lidhje magnetike, pra ato nuk kanë lidhje elektrike.

N Në një transformator ideal mes rrymave krijohet ky raport: I1 1 = N N1 N I I I1 121 = 2 = N1 I212 N IN I2 = 2 I2 janëN2idealë, përdorim nuk

Transformatorët që konsiderojmë të tillë.

60

por gjatë studimit ne i

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

2.4. SINJALI SINUSOIDAL Sinjali sinusoidal është vala bazë e sinjaleve elektrike. Shpesh ai përdoret për të testuar pajisjet elektronike. Sinjale të komplikuara mund të paraqiten si mbivendosje e sinjaleve sinusoidale. Në këtë mësim do të përshkruajmë disa vlera të nevojshme parametrash elektrikë gjatë diskutimit të qarqeve me dioda.

Vlera maksimale (peak) Vëreni sinjalin sinusoidal të treguar në figurën 2.3. v = Vp sinθ





(2.2)

ku v = vlera e çastit, Vp = vlera maksimale (pik), θ = këndi në gradë ose radian. v

Figura 2.3. Forma e një sinjali sinusoidal

Vëreni se si tensioni rritet nga zero në një vlerë pozitive maksimale për këndin 900, zbret në zero në 1800, arrin një vlerë negative maksimale në 2700 dhe rikthehet në zero në 3600. Duke vendosur në ekuacionin (2) vlerat e këndit 300, 450, 600 dhe 900, ndërtojmë tabelën 2-1. Tabela 2-1

61

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Tabela 2-1 liston disa nga vlerat e çastit, të cilat duhet t’i dini. Për shkak të simetrisë të sinjalit sinusoidal, ju mund të gjeni shumë lehtë vlerat në këndet 1200, 1500, 1800, 2100 etj. Në qoftë se dini disa nga vlerat, ju mund të gjeni vlerat e çastit për kënde të tjera. Siç u përmend, Vp është vlera pik, vlera maksimale. Sinjali sinusoidal ka vlerën pik pozitive në 900 dhe vlerën pik negative në 2700.

Vlera pik-pik Vlera pik-pik e çdo sinjali është diferenca ndërmjet vlerave algjebrike maksimale dhe minimale:

Vpp = Vmax - Vmin (2.3) Për valën sinusoidale vlera pik-pik (peak-peak) është: Vpp = Vp - (-Vp) = 2 Vp (2.4)

Vlera efektive (Vlera RMS) Nëse një tension sinusoidal bie në një rezistencë aktive R, ai krijon një rrymë sinusoidale në fazë me të. Produkti i vlerave të çastit të tensionit dhe të rrymës jep vlerën e çastit të fuqisë, e cila mesatarisht për një interval kohe është fuqia mesatare e harxhuar në rezistencë. Vlera rms e një vale sinusoidale, e quajtur vlera efektive, është e përcaktuar si tension dc (i vazhduar) që prodhon vlerë të njëjtë të nxehtësisë si vala sinusoidale.

V rms =

= 0.707 Vp (2.5)

Pra, vlerë rms e një sinjali sinusoidal ose vlerë efektive do të quhet ajo vlerë ekuivalente me tensionin dc, e cila, duke u zbatuar në të njëjtën rezistencë si tension dc, krijon të njëjtën sasi nxehtësie Q. Ne mund ta provojmë këtë lidhje në mënyrë eksperimentale duke ndërtuar 2 qarqe: një qark të rrymës së vazhduar me një rezistencë dhe një tjetër me një sinjal sinusoidal në hyrje me të njëjtën vlerë rezistence në të. Në qoftë se burimi i rrymës së vazhduar rregullohet për të prodhuar të njëjtën vlerë nxehtësie në rezistencë si vala sinusoidale, ne do të matim një tension dc të barabartë me 0.707 herë vlerën maksimale të valës sinusoidale.

62

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

Tensioni i linjave Në Shqipëri tensioni njëfazor është me vlerë efektive (rms) 220 V me frekuencë 50 Hz. Kompanitë energjetike në SHBA zakonisht i furnizojnë linjat me 115 V (rms) me një tolerance prej ± 10% dhe frekuencë prej 60 Hz. Nga ekuacioni (2.5), ne mund të llogarisim vlerën pik si më poshtë: 220V = 0.707 Vp nga ku Vp =

= 312 V

ose

nga ku

115 V = 0.707 Vp

Vp =

= 163 V.

Në rastin e fundit, një vlerë pik prej 163 V do të thotë një vlerë pik-pik prej 326 V, që është pa dyshim një vlerë e rrezikshme tensioni.

Vlera mesatare Vlera mesatare e sinjalit të parë më lart llogaritet për një gjysmë periode të një sinjali sinusoidal. Për një cikël të plotë, ajo është zero, sepse vala sinusoidale është simetrike. Çdo vlerë pozitive në gjysmëciklin e parë asnjanësohet nga një vlerë negative gjatë gjysmëciklit të dytë. Në këtë mënyrë, nëse mbledhim të gjitha vlerat midis 00 dhe 3600, do të kemi vlerën mesatare zero.

USHTRIME 1. Tensioni i linjës është 220V ± 10%. Llogaritni vlerën maksimale më të lartë e më të ulët të saj. 2. Nëse tensioni në primarin e një transformatori është 220 V alternativ, sa është tensioni maksimal në sekondarin e tij, nëse koeficienti i transformimit të transformatorit është 10:1?

63

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

2.5. DREJTUESIT ME NJË DIODË Në figurën 2.4 është treguar skema e drejtuesit me një gjysmëvalë dhe forma e sinjalit në hyrje. Në hyrje të skemës zbatohet tensioni sinusoidal

vi = Vm sinwt, ku v është vlera e çastit e tensionit, Vm është vlera maksimale (pik) ose amplituda e tensionit, w është frekuenca këndore, w = 2 p f. i

t Figura 2.4. a) Sinjali në hyrje të skemës drejtuese b) Skema e drejtuesit me një gjysmëvalë

Në gjysmëvalën pozitive të tensionit, dioda është polarizuar në të drejtë për vlera çasti më të mëdha se tensioni i hapjes së diodës (afërsisht 0.7 V për diodat e Si dhe 0.3 V për diodat e Ge) si në figurën 2.5 a). Gjatë kësaj kohe në rezistencën e ngarkesës kalon rrymë dhe tensioni në dalje ka formën e treguar në figurën 2.5 b). Për thjeshtësi studimi, ne do të konsiderojmë diodën ideale, sepse vlera maksimale e tensionit në sekondar është shumë më e madhe se tensioni i hapjes së diodës.

(a)

(b)

Figura 2.5. Dioda në gjendje përcjellëse (0 - T/2)

Në figurën 2.6 tregohet rasti kur në hyrje të skemës është zbatuar gjysmëvala negative e tensionit e cila e polarizon në të kundërt diodën dhe ajo nuk përcjell rrymë. Për rrjedhojë, tensioni në dalje në rezistencën R do të jetë zero gjatë gjysmës së dytë të periodës.

64

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

Figura 2.6. Dioda në gjendje jopërcjellëse (T/2 - T)

Vini re se si tensioni në dalje ndryshoi nga alternativ në pulsant. Rryma në ngarkesë është gjithnjë në të njëjtin drejtim dhe ky proces është quajtur drejtim.

Vlera mesatare e tensionit Vlera mesatare e drejtuar e sinjalit në dalje (Vdc) është: Vdc = Vmes =

= 0.318 Vmax.

(2.6)

Nëse merret në konsideratë rënia e tensionit në diodë: Vdc = 0.318 (Vmax – VD) (2.7) ku VT është tensioni i hapjes së diodës.

Vdc=0

Figura 2.7. Sinjali në hyrje e në dalje të skemës me një gjysmëvalë

Vm

Për shembull, vlera e tensionit në hyrje të skemës është 12.6 V alternativ. Vlera maksimale e tensionit është

Vmax =

.

ndërsa vlera mesatare është

Vdc = Vmes = 0.318 Vmax = 0.318 (17.8 V) = 5.66 V. Vlera mesatare është tensioni që mat voltmetri i rrymës së vazhduar në rezistencën e ngarkesës, pra voltmetri i rrymës së vazhduar mat 5.66 V.

65

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

Vlera maksimale e rrymës në diodë Nëse vlera e rezistencës së ngarkesës dihet, mund të gjendet vlera mesatare e rrymës që kalon në të, pra dhe vlera mesatare e drejtuar e rrymës në diodë. Kjo vlerë duhet të jetë gjithnjë më e vogël se vlera kufi e rrymës që jepet në katalog për një diodë të caktuar. P.sh., dioda 1N4001 e ka vlerën kufi të rrymës Io = 1A. Nëse R është 10 Ω për rastin e mësipërm, rryma që kalon në rezistencën e ngarkesës është 0.566 A. Pra dioda 1N4001 mund të përdoret, pasi ka vlerën maksimale të rrymës, Io=1 A, më të madhe se vlera mesatare e rrymës së drejtuar (0.566 A).

Vlera maksimale e tensionit të kundërt në diodë Kur dioda është polarizuar në të kundërt, tensioni në ngarkesë është 0 dhe tensioni i zbatuar bie në diodën e polarizuar në të kundërt. Ky tension duhet të jetë më i vogël se tensioni maksimal i kundërt (PIV–Peak Inverse Voltage) që jepet në katalog. PIV ≥ Vmax. (2.8) P.sh., nëse tensioni i kundërt makimal është 75 V, dioda duhet të këtë një kufi tensioni të kundërt (në katalog), PIV, më të madh se 75 V.

SHEMBULL a) Vizatoni formën e sinjalit në dalje dhe përcaktoni Vdc e sinjalit në dalje për skemën e figurës 2.8, ku Vm = 20 V (dioda të konsiderohet ideale). b) Përsëritni pikën (a) nëse dioda ideale është zëvendësuar me një diodë reale silici. c) Përsëritni pikën (a) e (b) nëse Vmax është rritur në 200 V.

Figura 2.8. Skema e shembullit

Zgjidhje a) Siç duket edhe nga skema, dioda do të përcjellë gjatë gjysmëperiudhës negative të sinjalit në hyrje. Nga ekuacioni (2.6):

Vdc = -0.318Vm = -0.318(20 V) = -6.36 V. Shenja negative tregon polaritetin e tensionit në dalje.

66

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

20V

20V

Figura 2.9 a) Sinjali në dalje për pikën (a) të shembullit

b) Duke përdorur një diodë silici, dalja ka pamjen e figurës 2.9 b).

20 - 0.7 = 19.3V Figura 2.9 b) Sinjali në dalje për pikën (b) të shembullit

Vdc = -0.318 (Vm – VT ) Vdc = -0.318 (20 – 0.7 ) = -0.318 (19.3 V) = -6.14V Zvogëlimi i tensionit Vdc është 0.22 V. c) Nga ekuacioni (2.6) Vdc = -0.318Vm = -0.318 (200 V) = -63.6 V Nga ekuacioni (2.7): Vdc = -0.318 (Vm – VT) = -0.318 (200 V -0.7 V)

= -(0.318) (199.3 V) = -63.38V.

Ky ndryshim është i vogël dhe mund të injorohet gjatë zbatimeve të ndryshme.

67

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

USHTRIME

1. Skiconi vi, vd, id për skemën e drejtuesit me një gjysmëvalë, nëse R = 2 KΩ

dhe Vdc = 2V. Sinjali në hyrje është sinusoidal me frekuencë 50 Hz. Diodat të mendohen si ideale.

2. Përsërite problemin, nëse diodat janë prej silici (VT = 0.7V).

2.6. DREJTUESIT ME DY GJYSMËVALË (ME DY DIODA) Në figurën 2.10 a) është treguar drejtuesi me dy gjysmëvalë, i cili ka në ndërtimin e tij një transformator, sekondari i të cilit është me pikë mesi.

Figura 2.10 a) Drejtuesi me dy gjysmëvalë

Gjatë gjysmëvalës pozitive të tensionit në sekondar, si në figurën 2.10 b), dioda e sipërme D1 është polarizuar në të drejtë, ndërsa dioda e poshtme D2 është polarizuar në të kundërt. Rryma kalon nëpër diodën D1, rezistencën e ngarkesës dhe gjysmëmbështjellën e sipërme.

Figura 2.10 b) Rruga e kalimit të rrymës në kohën (0-T/2)

Gjatë gjysmëvalës negative, si në figurën 2.10 c), rryma kalon nëpër diodën D2, rezistencën e ngarkesës dhe gjysmëmbështjellën e poshtme. Vini re që tensioni në ngarkesë ka të njëjtin polaritet si në figurën 2.10 b), sepse rryma kalon nëpër rezistencën e ngarkesës në të njëjtin kah, pavarësisht se cila diodë përcjell. Kjo është arsyeja që tensioni në ngarkesë është sinjal i drejtuar me dy gjysmëvalë.

68

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

Figura 2.10 c) Rruga e kalimit të rrymës në kohën (T/2-T)

Meqenëse sekondari i transformatorit ka pikë mesi, çdo diodë punon vetëm për një gjysmëvalë. Duke menduar diodat ideale, vlera maksimale e tensionit të drejtuar në dajle është

VDmax = 0.5 V2max = Vmax ku V2max është vlera maksimale e tensionit në sekondarin e transformatorit.

Vlera mesatare e tensionit Vlera mesatare e sinjalit në dalje është sa dyfishi i sinjalit në dalje të drejtuesit me një gjysmëvalë. Vdc = 0.636 VDmax (2.9) Nëse tensioni në sekondar është 12.6 V alternativ. Vlera maksimale (pik) e tensionit në sekondar është 17.8 V, ndërsa vlera maksimale e sinjalit në dalje është 8.9 V (për arsye që sekondari ka pikë mesi) dhe vlera mesatare:

Vdc = 0.636 VDmax = 0.636 (8.9 V) = 5.66 V. Vlera maksimale e rrymës në diodë Për një rezistencë ngarkese 10 Ω, rryma në ngarkesë është 0.566 A. Nuk duhet të harrojmë që çdo diodë përcjell vetëm për një gjysmë periode, prandaj vlera maksimale e rrymës në diodë (e dhënë nga katalogu) duhet të jetë më e madhe se gjysma e rrymës së drejtuar në ngarkesë. Nëse lidhim në seri me çdo diodë një ampermetër, do të lexonim 0.283 A, ndërsa ampermetri i lidhur në seri me ngarkesen do të tregonte 0.566 A.

Frekuenca Në skemën drejtuese me një gjysmëvalë, frekuenca e sinjalit në dalje është e njëjtë me frekuencën e sinjalit në hyrje. Në drejtuesin me dy gjysmëvalë frekuenca e sinjalit në dalje është sa dyfishi i frekuencës së sinjalit në hyrje, sepse gjatë një periode të sinjalit në hyrje kemi dy gjysmëvalë të tensionit në dalje, pra tensioni pulson 2 herë më shumë se në skemën e drejtuesit me një gjysmëvalë.

69

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

Tensioni i kundërt maksimal Çdo diodë në drejtuesin me dy gjysmëvalë (ose me valë të plotë) duhet të ketë një vlerë maksimale tensioni më të madhe se 2Vmax. Kjo vërtetohet nëse zbatojmë ligjin e Kirkofit për tensionet në një kontur të mbyllur.



PIV

2Vmax (2.10)

2.7. DREJTUESIT URË Këta drejtues janë më të përdorshëm nga skemat e studiuara deri tani, sepse vlera mesatare e tensionit në dalje është më e madhe se ajo e drejtuesit me dy dioda për të njëjtën vlerë tensioni në sekondar. Në figurën 2.11 a) është treguar skema e drejtuesit urë.

Figura 2.11 a) Drejtuesi urë

Gjatë gjysmëvalës pozitive të tensionit në sekondar, figura 2.11 b), diodat D2 e D3 janë polarizuar në të drejtë dhe tensioni në rezistencën e ngarkesës ka polaritetin e treguar në figurën 2.11 b).

Figura 2.11 b) Rruga e kalimit të rrymës në kohën (0-T/2)

Gjatë gjysmëvalës negative të tensionit në sekondar, figura 2.11 c), diodat D1 e D4 janë polarizuar në të drejtë dhe tensioni në ngarkesë ka polaritetin e treguar në figurën 2.11 c).

Figura 2.11 c) Rruga e kalimit të rrymës në kohën (T/2 deri T)

70

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Në çdo gjysmëvalë tensioni në ngarkesë ka të njëjtin polaritet, sepse rryma në ngarkesë kalon në të njëjtin kah, pavarësisht se cila diodë është duke përcjellë. Ja pse tensioni në dalje është sinjal i drejtuar me valë të plotë, si në figurën 2.11 d). Pra, në rezistencë kalon rrymë gjatë gjithë periodës.

Vm Figura 2.11 d)

T0

2T0

Vlera mesatare e tensionit Tensioni maksimal në dalje është:

VDmax = Vmax. Vini re që në skemën urë të drejtuesit vlera maksimale e tensionit në rezistencën e ngarkesës është sa vlera maksimale e tensionit në hyrje, ndërsa në drejtuesin me dy dioda vlera maksimale e tensionit në rezistencën e ngarkesës është e barabarte me gjysmën e vlerës maksimale të tensionit në sekondar dhe kjo e bën më të vështirë e të kushtueshme prodhimin e skemës: Vdc = 0.636 VDmax. (2.11) Nëse vlera efektive (rms) e tensionit në hyrje është 12.6 V, vlera maksimale e tensionit në hyrje është 17.8 V, si dhe vlera maksimale e sinjalit në dalje është 17.8 V (VDmax = 2 Vrms ). Vlera mesatare:

Vdc = 0.636 VDmax = 0.636 (17.8 V) = 11.3 V Vlerat maksimale të rrymës dhe tensionit në diodë Për një vlerë mesatare tensioni në dalje 11.3 V dhe një rezistencë ngarkese 10 Ω, rryma mesatare në ngarkesë është 1.13 A. Duke qenë se çdo diodë përcjell për një gjysmëperiode (gjysmëvalë), vlera kufi e rrymës së dhënë në katalog (Io) duhet të jetë më e madhe se gjysma e rrymës në ngarkesë, pra 0.565 A. Në figurën 2.11 b), D2 është idealisht e lidhur në të shkurtër, ndërsa D4 është idealisht e hapur. Duke mbledhur tensionet në qarkun e jashtëm:

Vmax – PIV + 0 = 0, Vmax - tensioni maksimal në hyrje PIV - tensioni i kundërt i ushtruar në D4 ku 0 e anës së majtë është tensioni ideal në D2.

71

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Tensioni i kundërt maksimal në D4 është: PIV ≥ Vmax (2.12) Pra, kufiri PIV i çdo diode duhet të jetë më i madh se Vmax.

Frekuenca Meqë në rezistencën e ngarkesës kalon rrymë gjatë gjithë periodës së sinjalit në hyrje, To është sa gjysma e Ti. Për këtë arsye frekuenca e sinjalit në dalje është sa dyfishi i frekuencës së sinjalit në hyrje.

USHTRIME Një drejtues urë me valë të plotë me tension sinusoidal në hyrje 220 V rms ka një rezistencë ngarkese 1 KΩ. 1. Sa është vlera mesatare e drejtuar e tensionit në ngarkesë? 2. Përcaktoni PIV për çdo diodë. 3. Gjeni vlerën maksimale të rrymës që kalon në çdo diodë. 4. Sa është fuqia e harxhuar nga çdo diodë?

2.8. SHUMËFISHUESIT E TENSIONIT Skemat e shumëfishimit të tensionit janë përdorur për të kthyer një tension maksimal relativisht të ulët në sekondarin e transformatorit në një tension maksimal dy, tre, katër ose shumë herë më të madh në dalje.

Dyfishuesit e tensionit Në figurën 2.12 është treguar një dyfishues tensioni me një gjysmëvalë. Gjatë gjysmëvalës (gjysmëperiodës) pozitive të tensionit në transformator (sekondar), figura 2.13 a), dioda D1 përcjell, ndërsa D2 nuk përcjell; kondensatori C1 ngarkohet me tension deri në vlerën e tensionit maksimal (Vm ) dhe me polaritetin e treguar në figurë. Dioda D1 është idealisht si një qark i lidhur në të shkurtër në këtë gjysmëperiodë. Gjatë gjysmëperiodës negative të tensionit në sekondar, figura 2.13 b), dioda D1 nuk përcjell, ndërsa dioda D2 përcjell duke ngarkuar kondensatorin C2. Dioda D2 vepron si një qark i shkurtër gjatë gjysmëperiodës negative dhe D1 si qark i hapur. Shuma e tensioneve në qarkun e jashtëm është:

-Vm – VK1 + VC2 = 0 -Vm – Vm + VC2 = 0 VC2 = 2 Vm

72

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

Figura 2.12. Dyfishuesi i tensionit me një gjysmëvalë

Figura 2.13. Puna e dyfishuesit: a) për gjysmëperiodën pozitive, b) për gjysmëperiodën negative

Në dalje të dyfishuesit mund të lidhet një rezistencë ngarkese. Tensioni në C2 bie gjatë gjysmëvalës pozitive (kondensatori C2 shkarkohet nëpër rezistencën e ngarkesës), por kondensatori C2 ngarkohet deri në 2 Vm gjatë gysmëvalës negative. Sa më e madhe të jetë vlera e rezistencës së ngarkesës, aq më tepër tensioni në dalje i afrohet 2 Vm. PIV (tensioni i kundërt maksimal) për çdo diodë duhet të jetë më i madh se 2Vm. Një tjetër skemë dyfishuesi është dyfishuesi me valë të plotë i figurës 2.14a). Gjatë gjysmëvalës pozitive të tensionit në sekondarin e transformatorit, figura 2.14 b), kondensatori C1 ngarkohet nëpërmjet diodës D1 me vlerën pik Vm. Dioda D2 nuk përcjell rrymë në këtë kohë.

Figura 2.14 a) Dyfishuesi i tensionit me valë të plotë

(a)

73

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

(c)

(b)

Figura 2.14 b) për gjysmëvalën pozitive



c) për gjysmëvalën negative

Gjatë gjysmëvalës negative të tensionit në sekondar (fig. 2.14 c), dioda D2 përcjell rrymë nëpërmjet kondensatorit C2, ndërsa dioda D1 nuk përcjell rrymë. Meqë C1 dhe C2 janë lidhur në seri, vlera e kapacitetit total është më e vogël se ajo e secilit prej kapaciteteve të kondensatorëve. Pra, dyfishuesit e tensionit me gjysmë vale ose me valë të plotë bëjnë dyfishimin e tensionit maksimal të sekondarit të transformatorit dhe nuk kërkojnë transformatorë me pikë mesi. PIV (tensioni i kundërt maksimal) për çdo diodë duhet të jetë më i madh se 2Vm.

Trefishuesi dhe katërfishuesi i tensionit Në figurën 2.15 tregohet një shumëfishues tensioni të cilit i janë shtuar dy kondensatorë dhe dy dioda për të marrë tre- dhe katërfishin e tensionit maksimal në sekondar.

Figura 2.15. Trefishuesi dhe katërfishuesi i tensionit

74

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Po kështu mund të veprohet nëse duhet të merret në dalje një tension që është 5, 6 etj. herë tensionin maksimal të sekondarit të transformatorit. Gjatë gjysmëvalës pozitive të tensionit në sekondarin e transformatorit, kondesatori C1 ngarkohet nëpërmjet D1 me tensionin maksimal Vm. Kondesatori C2 ngarkohet me dyfishin e vlerës maximale, 2 Vm, që merret nga shuma e tensioneve në kondesatorin C1 dhe në sekondarin e transformatorit gjatë gjysmëvalës negative të tensionit. Gjatë gjysmëvalës pozitive dioda D3 përcjell dhe kondesatori C3 ngarkohet me të njëjtën vlerë tensioni maksimal 2 Vm. Në gjysmëvalën negative diodat D2 dhe D4 përcjellin dhe C4 ngarkohet me 2 Vm. Tensioni në C2 është 2 Vm, në C1 dhe C3 është 3 Vm, kurse në C2 dhe C4 është 4 Vm. Në nyjat shtesë me dioda dhe kondesatorë, çdo kondesator ngarkohet me 2 Vm. Çdo diodë në qark duhet të ketë PIV (tensionin e kundërt maksimal):

PIV

2V2max.

USHTRIME 1. Përcaktoni tensionin e arritur nga dyfishuesi i tensionit në figurën 2.12, nëse tensioni në sekondarin e transformatorit është 220 V rms. 2. Përcaktoni PIV e çdo diode për skemën e figurës 1.12, nëse vlera maksimale e tensionit në sekondar është Vm.

2.9. PRERËSIT (CLIPPERS) Ekziston një numër shumë i madh qarqesh të cilat quhen prerëse. Këto qarqe kanë vetinë që të presin një pjesë të sinjalit në hyrje, pa e shtrembëruar pjesën e mbetur të sinjalit. Qarqet prerëse më të thjeshta janë të ndërtuara vetëm nga një rezistencë e një diodë. Këto skema janë skemat e drejtimit. Duke vënë re drejtimin e diodës në qark kundrejt ndryshimit të sinjalit në hyrje, mund të përcaktojmë thjesht cila gjysmëvalë do të pritet, ajo negative apo ajo pozitive. Prerësit ndahen në dy grupe themelore: në prerës në seri dhe prerës në paralel. Mënyra e vendosjes së diodës kundrejt rezistencës së ngarkesës do të përcaktojë edhe llojin e prerësit.

Prerësit në seri Një skemë prerësi mjaft e thjeshtë në seri është treguar në figurën 2.16 a). Prerësit në seri dhe në paralel nuk kanë kufizime për sa i përket sinjalit në hyrje. Ai mund të jetë i formave të ndryshme alternative siç tregohet edhe në figurën 2.16 b).

75

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Prerësit do t’i studiojmë me kushtin që diodat janë ideale. Shtimi i një burimi dc në qarkun e një prerësi, si në figurën 2.17, do të bëjë të mundur zhvendosjen e sinjalit kundrejt boshtit të ordinatave. Nuk ka një procedurë fikse për analizimin e këtyre qarqeve. Ato duhen studiuar duke marrë veç gjysmëvalën pozitive dhe veç gjysmëvalën negative. Hapat që ndiqen në përgjithësi janë: 1. Arsyetojmë në lidhje me pozicionin dhe gjendjen e diodës, pra kur ajo është në gjendje pune e kur nuk është në gjendje pune. Për qarkun e mëposhtëm (fig. 2.17) drejtimi i diodës na sugjeron që sinjali vi duhet të jetë pozitiv për të bërë diodën përcjellëse (në gjendjen ON). Nga ana tjetër, kërkohet që sinjali Vi duhet të jetë më i madh në amplitudë se tensioni V, që të kalojë diodën në gjendjen ON. Gjatë gjysmëvalës negative dioda është në gjendje jopërcjellëse (në gjendje OFF)

a)

b) Figura 2.16 a) Skema e një prerësi seri b) Forma të ndryshme sinjalesh alternative

Figura 2.17. Prerës seri me një burim tensioni të vazhduar (dc)

2. Përcaktojmë tensionin i cili do të shkaktojë ndryshimin e gjendjes së diodës. Për një diodë ideale, ndryshimi midis gjendjeve do të ndodhë në pikën me koordinata VD= 0V dhe ID= 0A të karakteristikës (në origjinë).

76

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Në qoftë se zbatojmë ligjin e dytë të Kirkofit (fig. 2.18), do të arrijmë në përfundimin se tensioni i ndryshimit të gjendjes së diodës ka lidhje me tensionin e burimit të rrymës së vazhduar. Dioda është e polarizuar në të kundërt (- V në anodë) dhe vi< V, kështu që ajo sillet si qark i hapur (fig. 2.18) ku iD= 0.

Figura 2.18. Përcaktimi i vo për rastin kur dioda nuk përcjell

Për tensione Vi më të mëdha se V, dioda do të jetë polarizuar në të drejtë (+V në anodë) dhe ajo sillet si qark i shkurtër (në gjendjen ON) si në figurën 2.19. 3. Duhet të kemi kujdes në përcaktimin e polaritetit të tensionit në dalje Vo. Kur dioda është në gjendjen ON, duke zbatuar Ligjin e Kirkofit në lidhje me tensionet (fig. 2.19), do të gjejmë: vi - V - vO = 0 pra,

vO = vi - V.

Figura 2.19. Përcaktimi i vo për rastin kur dioda përcjell

Duhet të skicojmë tensionin në hyrje dhe në dalje (fig. 2.20), duke gjetur tensionin në dalje për çaste të ndryshme kohe të sinjalit në hyrje. Siç e thamë më lart, për vi < V, id = 0 dhe vo = 0. Për vI = V, dioda ndryshon gjendje. Për vi > V, dioda sillet si qark i shkurtër dhe vo = vi - V e tregohet në figurën 2.21. Figura 2.20. Përcaktimi i Vo maks.

77

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Gjatë gjysmëvalës negative, dioda është në gjendje OFF (si qark i hapur) dhe vo = 0. Përfundimisht, forma e sinjalit në hyrje e në dalje të skemës në figurën 2.17 tregohet në figurën 2.21. Në këtë rast tensioni vo është i ndryshëm nga zero për më pak se 1/2T.

Figura 2.21. Format e sinjalit në hyrje e në dalje

SHEMBULL Përcaktoni formën e sinjalit në dalje për skemën e mëposhtme (fig. 2.22):

Figura 2.22. Prerës në seri

Zgjidhje Dioda është në gjendje përcjellëse (si qark i shkurtër) gjatë gjysmëvalës pozitive të sinjalit në hyrje, aq më tepër për shkak të V = 5 V. Skema në këtë rast është si në figurën 2.23 dhe vo = vi +5 V. Dioda ndryshon gjendjen për vi = -5 V, siç tregohet në figurën 2.24.

78

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

Figura 2.23. vo për diodën në gjendje pune

Figura 2.24. Çasti kur dioda ndryshon gjendjen e saj

Për vi më negative se (-5) V, dioda do të sillet si qark i hapur, ndërsa për tensione më pozitive se (– 5) V dioda do të sillet si qark i shkurtër. Përfundimisht, tensioni në hyrje e në dalje do të jetë si në figurën 2.25. Në dalje do të ketë tension për më shumë se 1/2 T.

Figura 2.25. Forma e sinjalit në hyrje dhe në dalje

79

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

Prerësit në paralel Skema e figurës 2.26 është skema më e thjeshtë e një prerësi në paralel, ku dioda ndodhet në paralel me bornat e daljes. Analiza e skemave në paralel është e ngjashme me ato të skemave në seri.

a)

Figura 2.26 a) Prerës paralel b) Format e sinjaleve në dalje të prerësit në paralel të figurës 2.26 a) për sinjale të ndryshme në hyrje

b)

Më poshtë paraqiten skema të ndryshme prerësish.

Prerës seri të thjeshtë

80

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

Prerës paralelë të thjeshtë

Prerës të tjerë paralelë

USHTRIME 1. Përcaktoni vo për skemat e mëposhtme, nëse vi=20V, V=5V. Dioda të konsiderohen prej silici.

2. Përcaktoni vo për sinjalin e mëposhtëm në hyrje, vi = 10V, V1= 5V, V2 = 7V.

81

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

2.10. QARQET QË I MBIVENDOSIN SINJALIT TË HYRJES NJË MADHËSI KONSTANTE (CLAMPER) Në këto skema sinjalit do t’i mbivendoset një tension i vazhduar (dc) me vlerë të caktuar. Skema duhet të ketë një kondensator, një diodë dhe një rezistencë, por mund të përfshijë edhe një burim tensioni të vazhduar. Vlerat e R-së dhe C-së duhen zgjedhur të tilla që konstantja e kohës τ = RC të jetë mjaft e madhe, për të siguruar që tensioni në kondensator nuk do të bjerë ndjeshëm gjatë kohës që dioda nuk përcjell. Për qëllime praktike, ne do të pranojmë që koha e plotë e ngarkimit ose e shkarkimit të kondensatorit është rreth 5 konstante kohe 5τ = 5 RC. Në figurën 2.27 a) jepet forma e sinjalit të hyrjes për skemën e figurës 2.27 b). Rezistenca R mund të jetë rezistenca e ngarkesës ose një qark i kombinuar në paralel.

Figura 2.27. Clamper a) jepet forma e sinjalit të hyrjes, b) skema

Gjatë intervalit 0-T/2 figura 2.27a) skema do ketë pamjen e figurës 2.28. Tensioni në hyrje gjatë kësaj kohe ka vlerë konstante, vi = V. Dioda përcjell, në R nuk kalon rrymë. Kondensatori do të ngarkohet shumë shpejt me tensionin V. Gjatë kësaj kohe vO = 0 V.

Figura 2.28. Dioda në gjendje përcjellëse

Gjatë intervalit të kohës T/2-T skema do ketë pamjen e figurës 2.29, pra, duke e zëvendësuar diodën me një qark të hapur. Konstantja e kohës (produkti RC) është shumë e madhe, aq më tepër 5 τ do jetë shumë më e madhe se koha T/2-T.

Figura 2.29. Dioda në gjendje jopërcjellëse

82

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Kjo nënkupton që kondensatori vazhdon të jetë i ngarkuar. Duke zbatuar ligjin e Kirkofit në konturin e hyrjes, kemi që:

dhe

-V – V- vO = 0

vO = -2 V Shenja negative vjen nga fakti që polariteti i 2 V është i kundërt me polaritetin e caktuar të vO. Forma e sinjalit në hyrje e në dalje tregohet në figurën 2.30.

Figura 2.30. Sinjali në dalje të figurës 2.27 b)

Dalja është 0 V për intervalin 0-T/2, ndërsa në intervalin T/2-T valëzimi total do jetë i njëjtë me atë të hyrjes, pra vlera pik-pik e valës në dalje është e njëjtë me vlerën pik-pik të valës në hyrje. Si rrjedhim, sinjali në dalje fitohet nga mbledhja ose zbritja e tensionit në hyrje me vlerën e tensionit të ngarkimit të kondensatorit. Hapat që na ndihmojnë në analizën e skemave klemper (clamper) mund të përmblidhen në këtë mënyrë: 1. Fillojmë analizën duke konsideruar që fillimisht sinjali në hyrje do të polarizojë në të drejtë diodën. 2. Gjatë kohës që dioda është në gjendje përcjellëse kondesatori do të ngarkohet menjëherë me tension që përcaktohet nga skema. 3. Mendojmë se gjatë kohës që dioda është në gjendje jopërcjellëse, kondesatori ruan vlerën e tensionit me të cilin u ngarkua. 4. Arsyetoni mbi polaritetin e vO. 5. Mos harroni rregullën e përgjithshme që valëzimi total i tensionit në dalje duhet të përkojë me valëzimin e sinjalit në hyrje.

83

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

SHEMBULL Përcaktoni Vout për skemën 2.31 për sinjalin e treguar në hyrje, nëse dioda konsiderohet ideale.

Figura 2 31

Zgjidhje Nëse frekuenca e sinjalit në hyrje është 1000 Hz, pra me periodë 1 ms, vlera e sinjalit të hyrjes ndryshon çdo 0.5 ms. Gjatë kohës t1 – t2 dioda shihet si qark i shkurtër (si në figurën 2.32).

Figura 2.32. Dioda në gjendje përcjellëse

Tensioni në dalje është sa tensioni i baterisë, pra 5 V. Nga ligji i dytë i Kirkofit për konturin e hyrjes do të dalë

dhe

–20 V + VC – 5 V = 0 VC = 25 V.

Gjatë kësaj kohe kondensatori ngarkohet me tension 25 V, siç u tha në pikën 2 të përmbledhjes.

84

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Për kohën t2 – t3 skema do të shihet si në figurën 2.33.

Figura 2.33 a) Dioda në gjendje jopërcjellëse

Dioda do të ekuivalentohet me qark të hapur dhe, duke zbatuar ligjin e dytë të Kirkofit në qarkun e daljes vO, do të dalë në: dhe

+10V + 25V – vO = 0 vO =35V

Figura 2.33 b) Forma e sinjalit në dalje për skemën e figurës 2.31

Konstantja e kohës së shkarkimit të figurës 2.33 a) është dhënë nga produkti i RC-së dhe ka madhësinë τ = RC = (100 kΩ) (0.1 µF)=(100 x 103 Ω )(0.1 x 10-6 F) = 0.01 s = 10 ms. Koha totale e shkarkimit është 5 τ = 5 (10 ms) = 50 ms Përderisa intervali t2 – t3 do të zgjasë vetëm 0.5 ms, kondesatori do të mbajë pothuajse të pandryshuar tensionin gjatë kohës së shkarkimit. Sinjali në hyrje dhe në dalje tregohet në figurën 2.33 b). Vëmë re që dalja 30 V përkon me tensionin në hyrje si në hapin e 5-të.

85

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1



SHEMBULL

Përsëritni shembullin e mëparshëm duke përdorur një diodë silici me VT = 0.7V

Zgjidhje Nëse e zëvendësojmë diodën me burimin 0,7 V, skema ka paraqitjen e figurës 2.34 dhe vo mund të llogaritet me ligjin e Kirkofit për tensionet në qarkun e daljes.

+5V-0.7V- vO=0

dhe

vO = 5V-0.7V = 4.3V Gjatë intervalit të kohës t1 – t2 për qarkun e hyrjes shkruajmë ligjin e Kirkofit: dhe

-20V+VC+0.7V-5V = 0

VC = 25V-07V = 24.3V

Figura 2.34. Përcaktimi i vo dhe VC me diodën në gjendjen përcjellëse

Gjatë intervalit të kohës t2 – t3 dioda sillet si qark i hapur dhe skema do të jetë si në figurën 2.35, me ndryshim e vlerës së tensionit në kondensator. Duke zbatuar ligjin e Kirkofit kemi: dhe

+10 V + 24.3 V - vO = 0 vO = 34.3 V

10V

Figura 2.35. Përcaktimi i vo me diodën në gjendjen e hapur

86

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Rezultati në dalje është si në figurën 2.36, duke verifikuar se valëzimi total i sinjalit të hyrjes dhe valëzimi total i sinjalit të daljes janë të njëjtë.

Figura 2.36. Tensioni në dalje të klemperit të figurës 2.31 me diodë silici

Disa skema klemperi dhe format e sinjaleve janë treguar në figurën 2.37. Për të gjitha rastet sinjali në hyrje është ai i formës së treguar më poshtë:

Këto skema mund të punojnë po aq mirë edhe me sinjale sinusoidale në hyrje. Një shembull është dhënë në figurën 2.38.

87

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

Figura 2.37. Qarqe klemper me dioda ideale (5 τ = 5 RC >> T/2)

Figura 2.38. Skema klemper me tension sinusoidal në hyrje

USHTRIME 1. Vizatoni formën e vo, nëse sinjali në hyrje vi = 20 V.

88

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

2. Vizatoni formën e vo, nëse sinjali në hyrje vi = 15 V, V1 = 5 V.

2.11. STABILIZIMI I TENSIONIT ME DIODË ZENER Për të analizuar punën e skemave me diodë zener më parë duhet të njihemi me qarkun ekuivalent të diodës zener, siç jepet në figurën 2.39

| |

Figura 2.39 a) Dioda si stabilizuese e tensionit në gjendje pune, b) dioda jashtë pune

Qarku më i thjeshtë me diodë zener jepet në figurën 2.40.

Figura 2.40. Një rregullator zener

89

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Fillimisht, le të konsiderojmë se tensioni i zbatuar në hyrje është i pandryshueshëm, po ashtu edhe vlera e rezistencës. Analiza bëhet e bazuar në dy hapa: 1. Përcaktohet gjendja e diodës zener duke llogaritur tensionin në bornat e saj përmes një qarku të hapur (fig. 2.41).

V = VL = IR = IL

Vi RL (R + R L )

(2.13)

IZ = 0

Nëse V ≥ VZ, dioda zener është në gjendjen “on” dhe qarku ekuivalent është ai i figurës 2.39 a). Nëse V < VZ, dioda zener është në gjendjen “off” dhe qarku ekuivalent është ai i figurës 2.39 b). Duke zbatuar hapin e parë në figurën 2.40, skema do të dalë si në figurën 2.41.

Figura 2.41. Përcaktimi i gjendjes së diodës zener

2. Zëvendësojmë diodën me skemën ekuivalente të figurës 2.39 a). Në figurën 2.42 dioda zener punon si element stabilizues i tensionit.

Figura 2.42. Zëvendesimi i diodës zener me skemën ekuivalente në regjimin stabilizues

90

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Tensioni në elementet e lidhura në paralel është i njëjtë, pra: VL = VZ (2.14) Për të përcaktuar rrymën në diodën zener, zbatojmë ligjin e parë të Kirkofit: IR= IZ + IL nga ku

IZ= IR - IL. (2.15) Fuqia e harxhuar nga dioda zener është përcaktuar nga ekuacioni (2.16): PZ = VZ IZ (2.16) Kjo vlerë e fuqisë duhet të jetë më e vogël se PZM e caktuar në katalog për elementin e dhënë. Diodat zener përdoren më shpesh në rregullatorë tensioni ose për të dhënë një tension referimi. Në figurën 2.40 është treguar një rregullator i thjeshtë, i projektuar për të mbajtur një vlerë fikse tensioni në RL edhe nëse vlera e tensionit në hyrje ose rezistenca e ngarkesës ndryshojnë vlerë (luhaten brenda një diapazoni të caktuar vlerash). Rasti më i keq ndodh për tension minimal në hyrje ose për rrymë ngarkese maksimale, sepse rryma në zener shkon drejt zeros. Në këtë rast: Vi(min) - VZ

IR(min) =

R(mak)

ose R(mak) =

Vi(min) - VZ IR(min)

Siç është thënë IZ = IR - IL Në rastin më të keq barazimi më sipër shkruhet:

IZ(min)= IR(min) - IL(mak)

91

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Pika kritike ndodh kur:



IR(min) = IL(mak)

Në këtë pikë rryma në zener bie në zero dhe rregullimi i tensionit ka humbur. Duke zëvendësuar

R(mak) =

Vi(min) - VZ

IL(mak)

ku R (mak) - vlera kritike e rezistencës seri Vi(min) - tensioni mininmal i burimit VZ - tensioni zener IL(mak) - rryma maksimale në ngarkesë R(mak) është vlera kritike, pra vlera maksimale e lejuar e rezistencës seri. R duhet të jetë gjithmonë më e vogël se vlera kritike. Në rast të kundërt, dioda zener nuk është duke punuar në regjimin zener dhe rregullatori humbet funksionin e tij.



SHEMBULL

a) Për skemën me diodë zener (fig. 2.43) përcaktoni VL, VR, IZ, PZ. b) Përsërite pikën (a) me RL= 3 KΩ.

Figura 2.43

92

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

Zgjidhje a) Sipas hapit të parë të procedurës së përshkruar më sipër, përcaktojmë tensionin mes pikave ku është lidhur dioda zener ashtu siç tregohet në figurën 2.44.

Figura 2.44

Duke zbatuar barazimin (2.13), llogaritim:

nga ku VAB = 8.73 V është më e vogël se VZ = 10 V dhe dioda është në gjendjen “off’’’, siç shihet nga karakteristika e figurës 2.45. Duke pasur parasysh skemën e figurës 2.44, gjejmë:

dhe

VL = VAB = 8.73V VR = Vi - VL = 16V - 8.73V = 7.27V IZ = 0A PZ = VZ IZ = VZ(0A) = 0W

Figura 2.45. Karakteristika e diodës

b) Duke zbatuar ekuacionin (2.13), përcaktojmë:

93

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Pra, VAB = 12 V është më e madhe se VZ = 10 V, dioda është në gjendjen “on” dhe skema do të jetë si në figurën 2.46.

Figura 2.46

VL = VZ = 10 V dhe VR = VI – VL = 16 V – 10 V = 6 V

dhe

Kështu, nga ekuacioni (2.15) përcaktojmë: IZ = IR – IL



= 6 mA – 3.33 mA



= 2.67 mA

Fuqia e harxhuar nga dioda zener:

Pz = Vz Iz = (10 V) (2.67 mA) = 26.7 mW. Kjo fuqi është më e vogël se Pzmax = 30 mW.

94

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

USHTRIME 1. a) Përcaktoni VL, IL, IZ, dhe IR për skemën e figurës 2.40, nëse RL = 180 Ω, Vi = 20 V, R = 220 Ω , VZ = 10 V, PZmaks = 400 mW. b) Përsëritni pikën (a) për RL = 470 Ω. c) Përcaktoni vlerën e RL kur dioda zener ka PZmaks. 2. a) Projektoni një skemë me diodë zener, të ngjashme me atë më sipër, që të ketë në dalje 12 V për rrymë që ndryshon nga 0-200 mA. Përcaktoni R e VZ. b) Përcaktoni PZmaks.

2.12. DIODAT E LIDHURA NË SERI OSE NË PARALEL Skemat e marra në shqyrtim janë ushqyer me burim tensioni të vazhduar. Dioda është në gjendje përcjellëse kur rryma që kalon në skemë përputhet me drejtimin e shigjetës në simbolin saj dhe tensioni i hapjes VT është afërsisht 0.7 V për diodat e silicit dhe 0.3 V për diodat e germaniumit (fig. 2.47).

Si

E 12V

Kur dioda është e polarizuar në të kundërt, kahu i rrymës është i kundërt me drejtimin e shigjetës në simbolin e diodës dhe rryma ka vlerë të papërfillshme si në figurën 2.48. Pra, në vend të diodës kemi qark të hapur.

R 1kΩ

Figura 2.47. Një skemë e thjeshtë me diodë

R 1kΩ E 12V

E 12V

Figura 2.48

95

R 1 kΩ

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Në skemën e figurës 2.49 të dyja diodat janë gjendje përcjellëse, pasi:

E = 12 V > (0.7 V + 0.3 V ) = 1 V,

Vo = E - VT1-VT2 = 12V - 0.7 V - 0.3 V = 11 V, ID=IR=VR/R = Vo/R = 11V/5.6 kΩ =1.96 mA. Si

E Si 0.7 V

Ge

E 12 V

EGe 0.3 V

E 12 V

R 5.6 kΩ

R 5.6 kΩ

Figura 2.49. Dy dioda të lidhura në seri

Në skemën e figurës 2.50 kemi dy dioda të lidhura në seri ku dioda e parë duket si qark i shkurtër dhe dioda e dytë duket si qark i hapur, rryma ID = 0A, VD1 = 0V. Si

DSI E 12 V

Si

DSI

VD1

I=DAVD2

VD1

ID = 0

R 5.6 kΩ

E 12 V

Vo

R 5.6 kΩ

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0

Figura 2.50

Vo = IR*R = ID*R = 0A*R = 0V. VD2 = E = 12 V. Në zbatim të ligjit të Kirkofit: E - VD 1 - VD2 - Vo = 0, VD2 = E - VD1 - Vo = 12 V - 0 V = 12 V. Në praktikë arsyja kryesore që diodat lidhen në seri është për të përballuar vlerën e tensionit te kundërt maksimal të zbatuar në qark, vlerë e cila nuk mund të përballohet nga një diodë e vetme.

96

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

Diodat e lidhura në paralel Dy ose më shumë dioda duhet të lidhen në paralel, nëse rryma që kalon në qark është më e madhe se vlera e rymës së lejuar të secilës prej diodave. Kur diodat lidhen në paralel, rryma e përgjithshme në qark degëzohet dhe në çdo degë kalon rrymë më e vogël se vlera maksimale e lejuar e rrymës që do të nxirrte jashtë përdorimi një diodë.

SHEMBULLI 1 Të gjendet Vo, I1, ID1, ID2 në skemën 2.51. Në këtë rast tensioni i burimit është më i madh se 0.7 V dhe kahu i kalimit të rrymës përputhet me drejtimin e shigjetës në simbol, pra, diodat janë në gjendje përcjellëse. Tensioni në diodat e lidhura në paralel është 0.7 V. R 0.33 kΩ

Vo = 0.7 V IR = VR / R = E - VD / R = 28.18 mA

E 10 V

ID1 = ID2 = I1 / 2 = 14.09 mA

Vo

Si

Si

Figura 2.51

Nëse vlera maksimale e lejuar e rrymës së një diode është 20 mA, rryma prej 28.18 mA do të shkatërronte diodën. Duke vendosur dy dioda në paralel, në çdo diodë kalon 14.09 mA, pra brenda vlerës së lejuar të rrymës në diodë.



SHEMBULLI 2

Të gjendet tensioni në rezistencë (Vo). Dimë që në degët paralele tensioni është i njëjtë, por në këtë rast vetëm njëra nga diodat do të kalojë në gjendje pune dhe konkretisht dioda e germaniumit, meqë ajo e ka tensionin e hapjes më të vogël se dioda e silicit. Dioda e silicit do të sillet si qark i hapur. Vo =12 V – 0.3 V= 11.7 V

Figura 2.52

97

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

USHTRIME 1. Përcaktoni vlerën e VO në dalje të çdo skeme. Si

2kΩ

Ge

VO 2kΩ 20V

a)

1.2kΩ

Si

VO 4.7kΩ

15V

10V 2V

Si

Si

b)

VO

2.2kΩ

5V c)

Si 20V VO

4.7kΩ Si d)

98

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 VO1 0.47kΩ

1kΩ

VO2 20V

Si

Ge

e)

2.13. PORTAT LOGJIKE EDHE/OSE (AND/OR) ME DIODA Portat logjike mund të realizohen edhe me dioda. Në figurën 2.53 është treguar si mund të realizojmë portë OSE me dioda. Vlera 10 V nënkupton gjendjen “1”, ndërsa vlera 0 V nënkupton gjendjen “0” (nga algjebra e Bulit). Një portë OSE ka në dalje gjendjen “1” kur ose njëra nga hyrjet, ose të dyja kanë gjendjen “1”. Dalja ka gjendjen “0” kur të dyja hyrjet janë në gjendjen “0”. Me këto tensione të zbatuara në hyrje në D1 kalon rrymë, ndërsa në D2 nuk kalon rrymë, pra ajo sillet si qark i hapur. Tensioni në dalje do të jetë: D1

E = 10 V 0 E1 10V

0V0 E2 0V

VO = 10V - 0.7V = 9.3 V.

vo

D2

R 1kΩ

Vlera e marrë në dalje është e mjaftueshme për t’u konsideruar si gjendje “1”. Kjo është edhe vlera e tensionit në R, ndërsa rryma do të ishte:

I = VR/R = 9.3V/1 KΩ = 9.3 mA. Figura 2.53. Porta logjike OSE

Në figurën 2.54 është treguar si mund të realizojmë portë EDHE me dioda. Një portë EDHE ka në dalje gjendjen “1” kur si njëra hyrje, ashtu edhe tjetra kanë gjendjen “1”. Dalja ka gjendjen “0” kur qoftë edhe njëra nga hyrjet është në gjendjen “0”. Me këto tensione të zbatuara në hyrje në D1 nuk kalon rrymë, pra sillet si qark i hapur, ndërsa në D2 kalon rrymë. Tensioni në dalje do të jetë i barabartë me 0.7 V, vlerë e cila konsiderohet si gjendje “0”.

99

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

I = VR/R = 9.3V/1KΩ = 9.3 mA E1 = 10 V 0 E1 10V

E2 = 0 V

D1

vo

D2 0

E2 0V

R 1kΩ

E 10V

Figura 2.54. Porta logjike EDHE

100

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

KAPITULLI TRANSISTORËT DYPOLARË 3.1. HYRJE Dioda në formën e tubit me vakuum ishte vënë në zbatim nga J.A.Fleming në vitin 1904. Pak kohë më vonë, në vitin 1906, Lee De Fortest shtoi edhe një dalje të tretë në diodën me vakuum, të quajtur grila e kontrollit. Në këtë mënyrë ishte ndërtuar amplifikuesi i parë, trioda. Në vitet e mëvonshme radio dhe televizori paraprinë zhvillimin dhe, rreth vitit 1930, u përdorën edhe elementet me katër dalje ose pesë dalje, që e çuan akoma më tej industrinë e tubave elektronikë. Më pas, me ritmet e shpejta të zhvillimit, inxhinierët i kushtuan shumë rëndësi projektimit, teknikave të prodhimit, zbatimit në fuqi të mëdha e në frekuenca të larta, si dhe minimizimit të këtyre elementeve. Në 23 dhjetor 1947, industria e elektronikës kaloi në një drejtim krejt të ri të zhvillimit të saj. Walter H.Brattain dhe John Bardenn eksperimentuan transistorin e parë si element amplifikues. Të mirat e këtij elementi me tri dalje ishin: më i vogël e më i lehtë në peshë, nuk kishte humbje fuqie që kthehej në nxehtësi, pra kishte rendiment më të lartë në punë (meqë fuqia e konsumuar në vetë transistorin ishte e vogël). Transistori mund të punonte me tensione më të vogla. Të gjithë amplifikuesit (elementet që rritin tensionin, rrymën dhe fuqinë) kanë të paktën tri dalje. Transistorët i ndajmë në transistorë dypolarë (BJT-Bipolar Junction Transistor) dhe transistorë njëpolarë (FET-Field-Effect Transistor). Në këtë kapitull do të studiojmë transistorët dypolarë. Quhen të tillë, sepse rryma që kalon në ta krijohet nga bashkëveprimi i dy lloj bartësish: bartësit e shumicës (kryesorë, maxhoritarë) dhe bartësit e pakicës (jokryesorë, minoritarë). Në fillim u ndërtua transistori prej germaniumi që kishte një temperaturë pune relativisht të ulët (75-900C). Më vonë u ndërtua transistori prej silici me temperaturë pune që shkon deri në 2000C.

101

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

3.2. NDËRTIMI I TRANSISTORIT Transistori dypolar ndërtohet nga 3 shtresa (zona) gjysmëpërcjellëse me përcjellshmëri të ndryshme (të tipit p dhe të tipit n) të vendosura në mënyrë të alternuar. Në figurën 3.1 a) dhe b) tregohet ndërtimi strukturor dhe simbolet përkatëse të dy tipave të tranzistorëve. Në figurën 3.1 a) tregohet ndërtimi transistorit tip p-n-p dhe simboli i tij dhe në figurën 3.1 b) tregohet ndërtimi i transistorit tip n-p-n dhe simboli i tij.

a)

b)

p n p

n p n

c)



d) Figura 3.1 a) dhe b) ndërtimi i transistorëve dhe simbolet e tyre, c) dhe d) ushqimi i kalimeve p - n të transistorëve

Secila zonë lidhet me një dalje që emërtohen E (emiter), B (bazë), K (kolektor). Emiteri është zona që jep (emeton) mbartës të ngarkesave dhe ka përqendrimin më të madh të mbartësve. Baza është zona e mesit, shumë e ngushtë (disa mikron) dhe luan rol komunikues. Kolektori është zona që mbledh mbartësit. Baza gjithmonë ka përcjellshmëri të ndryshme nga E dhe K. Tipi i transistorit në simbol përcaktohet nga kahu i shigjetës së vendosur në emiter.

102

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Kur shigjeta drejtohet drejt bazës, transistori është i tipit “p-n-p” dhe kur shigjeta del jashtë, transistori është i tipit “n-p-n”. Kahu i shigjetës tregon dhe kahun e rrymës në emiter IE. Në figurën 3.1 c), d) është treguar ushqimi me tension të vazhduar i dy tipave të tranzistorëve. Ushqimi me tension të vazhduar i transistorëve është i nevojshëm për të vendosur regjimin e saktë të punës së një amplifikatori të rrymës alternative. Transistori dypolar ka dy kalime p-n: 1. kalimi emiter bazë (E-B), 2. kalimi bazë kolektor (B-K). Pra, transistori, në mënyrë të thjeshtuar, mund të studiohet i përbërë nga dy dioda të lidhura në kahe të kundërta si në figurën 3.2 më poshtë.

Figura 3.2. Skema ekuivalente e transistorit tip p-n-p dhe tip n-p-n

3.3. PARIMI I PUNËS SË TRANSISTORIT Do të shqyrtojmë punën e transistorit tip p-n-p (parimi i punës është i njëjtë dhe për atë të tipit n-p-n ). Në figurën 3.3 a), b), c) është treguar një transistor tip p-n-p në tri gjendje të ndryshme. Në figurën 3.3 a) tregohet transistori i papolarizuar (i palidhur me burimin e ushqimit).

a)

T c)

b)

Figura 3.3 a), b), c)

103

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 φ1 dhe φ2 janë vektorët e barrierave potenciale të të dy kalimeve p-n kur ato janë të paushqyer (të papolarizuar). Në figurën 3.3 b) tregohet transistori ku kalimi E-B është i paushqyer, kurse kalimi B-K është ushqyer në të kundërt. Pra, barriera potenciale e kalimit B-K është rritur (B2 > φ2) për shkak të lidhjes në të kundërt të burimit Vkk. Kjo barrierë pengon lëvizjen e mbartësve të shumicës (kryesorë, maxhoritarë) që në këtë rast janë vrimat, prandaj rryma e kolektorit do të krijohet nga lëvizja e bartësve jokryesorë, që janë elektronet, dhe ka vlerë të vogël IKB që quhet rryma e kundërt e kolektorit (rryma termike). Në figurën 3.3 c) tregohet rasti kur janë polarizuar të dy kalimet p-n. Kalimi E-B është i polarizuar (ushqyer) në të drejtë dhe kalimi B-K është polarizuar (ushqyer) në të kundërt. Në këtë rast barriera potenciale në kalimin E-B është zvogëluar më shumë, B1 < φ1, kurse barriera potenciale e kalimit B-K është rritur, B2 > φ2, si në figurën 3.3 b). Gjatë shpjegimit bëhet fjalë për lëvizjen e vrimave, por në fakt lëvizin elektronet në drejtim të kundërt me atë të lëvizjes së vrimave. Në këtë rast vrimat e emiterit (që janë mbartës shumice) do të kalojnë me lehtësi barrierën B1 dhe futen në bazë. Këtu vrimat janë mbartës pakice. Një pjesë e vogël e vrimave futen në bazë dhe vazhdojnë rrugën e tyre në drejtim të minusit të burimit VEE duke krijuar rrymën e bazës IB. Pjesa më e madhe e vrimave futen në kolektor. Lëvizja e këtyre vrimave krijon rrymën e kolektorit Ik. Për pikën T të figurës 3.3(c) shkruajmë ligjin e parë të Kirkofit: IE = IB + IK IB R3 VKK R2 VKK R3

Pika Q

Pika Q

Pika Q

IBQ

VKK

(b)

IK VKK1 RK

VKK1 > VKK2 > VKK3

VKK2 RK VKK3 RK

Pika Q

Pika Q

VKK1

Pika Q

VKK2

IBQ

VKK3

VKE

(c) Figura 4.9. Lëvizja e pikës Q kur: a) rritet vlera e IB, b) rritet vlera e RK, c) zvogëlohet vlera e VKK

127

VKE

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1



SHEMBULLI 4.1

Përcaktoni për skemën e figurës 4.2 me RB = 240 KΩ, RK = 2.2 KΩ, VKK = 12 V, β = 50: a) IBQ b) IKQ c) VKEQ d) VK e) VB f) VBK

Zgjidhje a) Nga ekuacioni (4.1)

IB =

KK

.

Pas zëvendësimit IBQ = 47.08 μA. b) Nga ekuacioni (4.2)

K

= (50) (47.08μA) = 2.35 mA.

c) Nga ekuacioni (4.3) VKEQ = VKK - IKRK = 12V - (2.35 mA)(2.2 KΩ)

= 6.83 V

d) Nga ekuacioni (4.5)

VK = VKEQ = 6.83 V. e) Nga ekuacioni (4.7) VB = VBE = 0.7 V. f) VBK përcaktohet:

VBK = VB - VK = 0.7V - 6.83V = - 6.13V. 128

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

USHTRIME 1.

Për skemën e treguar më poshtë (β = 100), gjeni: a) IBQ b) IKQ c) VKEQ d) VK e) VB f) VE

K

KE

2.

Për IB = 40 μA, β = 80 në skemën e mëposhtme, gjeni: a) IK b) RK c) RB d) VKE K

K

3.

Për skemën e mëposhtme me IB = 25 μA, IE = 4 mA, VKE = 7 V, gjeni: a) IK KK b) VKK c) β d) RB

129

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 4. Gjeni rrymën e saturimit (IKsat) për konfiguracionin në figurën e dhënë më poshtë.

K

KE

5. Projektoni një skemë me polarizim fiks dhe përcaktoni RK e RB , nëse VKK = 16 V, β = 100, IKQ = 3 mA dhe VKEQ = 6 V. 6. Për skemën me polarizim fiks me karakteristikat e transistorit BJT në figurën e mëposhtme: a) Vizatoni linjën e ngarkesës me karakteristika të gjetura VKK = 16 V dhe RK = 3 KΩ për skemën me polarizim fiks. b) zgjidh një pikë pune midis shkyçjes dhe saturimit. Gjeni vlerën e RB. c) Cilat janë vlerat që dalin për IKO dhe VKE ? d) Cila është vlera e β për pikën e punës? e) Sa është vlera e α që gjendet nga pika e punës? f) Sa është rryma e saturimit (IKsat) për figurën e vizatuar? g) Skiconi skemën e plotë me polarizim fiks. h) Sa është fuqia që shpërndahet nga pajisja në pikën e punës? i) Sa është fuqia e ushtruar nga VKK? j) Gjeni fuqinë e harxhuar nga rezistencat duke bërë diferencën e rezultateve të pikës (h) dhe (i).

130

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 K

KE

Figura e ushtrimit 6

4.4. SKEMA E POLARIZIMIT ME REZISTENCË NË EMITER Polarizimi i transistorit në skemën e mëposhtme përmban një rezistencë në emiter për të përmiresuar nivelin e stabilitetit kundrejt skemës me polarizim fiks (fig. 4.10).

+

VKK IK RK

RB

IB RB vO

IB

C2

vi C1

VBE IE RE

IE RE

131

Figura 4.10. Skema e polarizimit me rezistencë në emiter

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

Qarku bazë-emiter Qarku bazë-emiter në figurën 4.10 mund të rivizatohet si në figurën 4.11.

RB

IB

IB RB

B

VKK

VBE

E

VB RE

IE

VE

Figura 4.11. Qarku bazë-emiter

Duke shkruar ligjin e dytë të Kirkofit për qarkun bazë-emiter në drejtimin e rrotullimit të akrepave të orës, në ekuacionin e mëposhtëm do të rezultojë: +VKK - IBRB - VBE - IERE = 0. Duke kujtuar që

IE = (β + 1) IB dhe, duke zëvendësuar IE në ekuacion, do të rezultojë +VKK - IBRB - VBE - (β+1) IBRE = 0 nga ku IB =

KK

(4.12)

Duke krahasuar barazimin (4.12) me atë (4.1) për skemën me polarizim fiks, vëmë re se ndryshimi qëndron në futjen e faktorit (β + 1)RE. Tensioni në bazë në lidhje me tokën (fig. 4.11) është: VB = VKK - IBRB (4.13) ose VB = VBE+ VE. (4.14)

132

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

Qarku kolektor-emiter Qarku kolektor-emiter është rivizatuar në figurën 4.12.

Figura 4.12. Qarku kolektor-emiter

Duke shkruar ligjin e dytë të Kirkofit për qarkun kolektor-emiter, në drejtim e rrotullimit të akrepave të orës do të dilte

+ IERE + VKE + IKRK - VKK = 0. Duke zëvendësuar IE ≈ IK, rrjedh që VKE = VKK - IK(RK + RE). (4.15) Tensioni në emiter kundrejt tokës është:

VE = IERE. (4.16) Tensioni nga kolektori në tokë, VK, përcaktohet: VKE = VK - VE ose VK = VKE + VE , (4.17) VK = VKK - IKRK . (4.18)

133

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1



SHEMBULLI 4.2

Për qarkun e figurës 4.13 përcaktoni:

a) IB b) IK c) VKE d) VK e) VE f) VB g) VBC

β = 50 Figura 4.13

Zgjidhje Nga sa u tha më sipër VKK = IBRB + VBE + IERE VKK

- VBE = IB (RB+(1+β)RE)

a) Nga barazimi (4.12)

IB =

KK

IB = b) Nga barazimi (4.2) IK = IBβ = 50*40.1 μA = 2.01 mA.

134

.

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 c) Nga barazimi (4.15) VKE = VKK- IK(RK+RE)

= 20V - 2.01 mA*(2kΩ + 1kΩ) = 13.97 V.

d) Nga barazimi (4.18) VK = VKK - IKRK



= 20V - 2.01 mA * 2kΩ = 15.68 V.

e) Nga barazimi (4.16 ) VE = IERE = IKRE

= 2.01 mA *1 kΩ = 2.01 V.

f) Nga barazimi (4.14) VB = VBE + VE

= 0.7 V + 2.01 V = 2.71 V.

g) Si rrjedhim: VBC = VB - VK

= 2.71 V - 15.98 V = -13.27 V.

Përmirësimi i stabilitetit në punën e transistorit Shtimi i rezistencës në emiter për polarizimin e një transistori BJT sjell stabilitet më të lartë, që do të thotë rrymat dhe tensionet e polarizimit mbeten afërsisht sa vlerat e caktuara nga qarku edhe pse kushtet e jashtme si temperatura dhe koeficienti β mund të ndryshojnë.



SHEMBULLI 4.3

Përgatitni një tabelë dhe krahasoni tensionin dhe rrymat e qarkut në shembullin 4.1 dhe në shembullin 4.2 (të figurës 4.12) për vlerat e dhëna të β = 50 dhe për një vlerë të re të β = 100. Krahasoni ndryshimet në IK dhe VKE për të njëjtën rritje të β.

135

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

Zgjidhje Duke përdorur rezultatet e llogaritura në shembullin 4.1 dhe duke përsëritur zgjidhjen e tij për β = 100, arrijmë në përfundimin e mëposhtëm: K

KE

Shihet se rryma në kolektorin e transistorit ndryshon 100% për shkak të ndryshimit 100% të vlerës së β. IB është e njëjtë dhe VKE zbret me 76%. Duke përdorur të dhënat e llogaritura në shembullin 4.2 dhe duke përsëritur për vlerën e β = 100, do të kemi si më poshtë: K

KE

Tani rryma e kolektorit rritet me 81% për rritjen 100% të β. Vëreni që IB zbret, duke ndihmuar të ruhet vlera e IK ose të paktën të ulë ndryshimin total për ndryshimin e β. VKE është zvogëluar me 35%. Kështu që qarku i figurës 4.10 është në regjim pune më të qëndrueshëm se qarku i figurës 4.2 për të njëjtin ndryshim të β. Kjo vjen për shkak të shtimit të rezistencës në emiter, në të cilën krijohet një lidhje e kundërt negative.

Regjimi i ngopjes Rryma maksimale e kolektorit për skemën me emiter të stabilizuar mund të përcaktohet duke përdorur të njëjtën metodë si te skema me polarizim fiks. Lidhni në të shkurtër emiterin me kolektorin siç është treguar në figurën 4.14 dhe llogaritni rrymën që kalon në kolektor. (4.19)

Futja e rezistencës në emiter zvogëlon vlerën e rrymës së kolektorit ndaj asaj të marrë nga skema me polarizim fiks duke përdorur të njëjtën rezistencë të kolektorit. Pra, ulet pika e punës në zonën e ngopjes (saturimit) te figura 4.8. Krahaso barazimin (4.8) për skemën me polarizim fiks me barazimin (4.19)

136

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 KK K

K

0V

KE

Figura 4.14. Regjimi i ngopjes

SHEMBULLI 4.4



Përcaktoni rrymën e ngopjes për qarkun e figurës 4.13.

Zgjidhje Rryma e ngopjes do të jetë:



=

,

e cila është rreth 3 herë më e madhe se niveli i IKQ në shembullin 4.2.

Analiza e linjës së ngarkesës Analiza e linjes së ngarkesës së qarkut me emiter të polarizuar është pak e ndryshme nga ajo e skemës me polarizim fiks. Vlera e IB është përcaktuar nga barazimi (4.12) në qarkun bazë-emiter. Ekuacioni i linjës së ngarkesës i përcaktuar nga qarku kolektor-emiter në figurën 4.12 është: VKK = IKRK + VKE + IERE VKE = VKK - IK(RK + RE). (4.20) Për të përcaktuar koordinatat e pikës së parë të linjës së ngarkesës marrim IK = 0 mA në ekuacionin (4.20). Si rrjedhim:

VKE = VKK 137

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Për të përcaktuar koordinatat e pikës së dytë të linjës së ngarkesës, marrim VKE = 0V në ekuacionin (4.20). Si rrjedhim:

Duke ditur ku ndodhen këto dy pika, i bashkojmë me një vijë të drejtë (linja e ngarkesës është gjithnjë një vijë e drejtë) dhe pikëprerja me karakteristikën që i korrespondon vlerës së IB jep pikën e punës Q. Vlera të ndryshme të IB sigurisht do të lëvizin pikën Q të punës përgjatë vijës së linjës së ngarkesës. K

KK K

KK

KE

Figura 4.15. Ndërtimi i linjës së ngarkesës dhe përcaktimi i pikës së punës

1.

USHTRIME Për qarkun me emiter të polarizuar të figurës së mëposhtme, gjeni: a) IBQ b) IKQ c) VKEQ d) VK e) VB f) VE

138

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 2.

Për informacionin e dhënë në figurën e ushtrimit 2, gjeni: a) RK b) RE c) RB d) VKE e) VB

3.

Për informacionin e dhënë në figurën e mëposhtme, gjeni: a) β b) VKK c) RB

4. Gjeni rrymën e ngopjes (IKng) për qarkun e figurës së mëposhtme.

139

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 5. Duke përdorur karakteristikat e figurës së mëposhtme për transistorin në skemën e polarizimit me rezistencë shtesë dhe duke konsideruar që IKQ = 4 mA dhe VKEQ = 10 V, përcaktoni: a) b) c) d) e)

RK, në qoftë se VKK = 24 V dhe RE = 1.2 KΩ; β në pikën e punës; RB; fuqinë e harxhuar nga transistori; fuqinë e harxhuar nga rezistori RK. K

KE

6. Projektoni një skemë me rezistencë në emiter, ku IKQ = ½ IKng dhe VKEQ = ½ VKK. Merrni VKK = 20 V, IK(sat) = 10 mA, β = 120 dhe RK = 4 RE (rrumbullakosni vlerat).

4.5. SKEMAT ME PJESËTUES TENSIONI Në skemat që kemi studiuar deri tani, rryma IKQ dhe tensioni V KEQ ishin funksione të koeficientit të amplifikimit të rrymës (β) të transistorit. Meqenëse (β) është e ndjeshme nga ndryshimi i temperaturave, veçanërisht në transistorët prej silici, është mirë të përdorim një skemë që është pak e varur ose e pavarur nga (β) e transistorit. Mënyra më e përdorshme e polarizimit të transistorit në qarqet lineare është ajo me pjesëtues tensioni. Emri “pjesëtues tensioni” vjen nga pjesëtuesi i tensionit R1 dhe R2 që lidhet nga ana e bazës së transistorit. Tensioni në R2 polarizon në të drejtë kalimin bazë-emiter. Në figurën 4.16 tregohet një skemë e tillë.

140

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 KK

K

Figura 4.16. Skema e polarizimit me pjesëtues tensioni

Në qoftë se analizojmë saktësisht skemën, ndjeshmëria ndaj ndryshimeve të (β) është shumë e vogël. Pra, nëse parametrat e qarkut zgjidhen saktë, vlera e IKQ dhe VKEQ janë plotësisht të pavarura nga β. Këtë e siguron vendosja e rezistencës RE që krijon një lidhje të kundërt. Pika e punës Q është treguar qartë në figurën 4.17. IK

pika Q

I KQ

KE

Figura 4.17. Përcaktimi i pikës Q në skemën me pjesëtues tensioni

Vlera e IBQ do të ndryshonte me ndryshimin e β, por pika e punës Q, me koordinata IKQ dhe VKEQ, do të mbetet fikse nëse parametrat e qarkut janë zgjedhur saktë. Analizën e skemave me pjesëtues tensioni mund ta bëjmë me dy metoda: 1. Metoda ekzakte mund të zbatohet në çdo skemë me pjesëtues tensioni. 2. Metoda e përafrimit zbatohet vetëm në qoftë se kënaqen disa kushte specifike.

141

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

Analiza ekzakte Skema nga ana e hyrjes për skemën me pjesëtues tensioni për analizën dc është si në figurën 4.18.

KK

Figura 4.18. Qarku i hyrjes për skemën me pjesëtues tensioni.

Bëjmë analizën e qarkut të hyrjes duke u bazuar në teoremën e Teveninit. Burimi i tensionit është zëvendësuar me një qark të shkurtër si në figurën 4.19. Figura 4.19

RTH = R1 // R2 =

.

(4.21)

Burimi i tensionit VKK kthehet përsëri në qark dhe tensioni i Teveninit, për qarkun e hapur (fig. 4.20 a), është: ETH = I R2 =

KK

.

(4.22)

Në figurën 4.20 b) është treguar skema ekuivalente e Teveninit.

KK

Figura 4.20 a) Përcaktimi i ETH; b) Skema ekuivalente e Teveninit

142

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 IBQ mund të llogaritet duke përdorur ligjin e Kirkofit: ETH - IBRTH - VBE - IERE = 0 IE = (β+1)IB dhe gjejmë IB: IB =

ETH - VBE

.

RTH+( β+1)RE

(4.23)

Duke ditur që IE ≈ IK, atëherë ekuacioni për VKE do të jetë i njëjtë me ekuacionin me skemë me emiter të stabilizuar: VKE = VKK-IK (RK+RE) (4.24)

SHEMBULLI 4.5 Gjeni VKE dhe IK për skemën 4.21 për β = 140. 22V

Zgjidhje

Figura 4.21

Nga barazimi 4.21 përcaktojmë: RTH=R1 // R2 Zëvendësojmë: RTH =

= 3.55 KΩ. 143

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Nga barazimi 4.22 përcaktojmë: ETH = VR2 =

KK

Zëvendësojmë

Nga barazimi 4.23 përcaktojmë rrymën e bazës: IB =

ETH-VBE

RTH+( β+1)RE

Si përfundim llogaritim IK dhe VKE: IK = β IB = (140)(6.05 µA) = 0.85 mA. Nga barazimi 4.24 përcaktojmë VKE : VKE = VKK-IK (RK+RE)



= 22V (0.85 mA)(10 KΩ +1.5 KΩ)= 12.22 V.

Analiza e përafërt Gjatë analizës së përafërt duhet të plotësohet kushti që: β RE

10 R2 (4.25)

Nëse mendojmë që rryma e bazës, IB, është afërsisht zero krahasuar me vlerën e I1 dhe I2, atëherë R1 dhe R2 mund të konsiderohen si elemente në seri. Tensioni në R2 është tensioni i bazës kundrejt tokës dhe përcaktohet: VB =

KK

Vlera e VE mund të llogaritet: VE = VB – V BE.

144

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Rryma e emiterit mund të përcaktohet: IE =

dhe IKQ është afërsisht sa IE .

Tensioni kolektor–emiter është përcaktuar: VKE = VKK – IK RK – IE RE ose VKEQ = VKK – IK(RK + RE). Pra, duket qartë që IKQ dhe VKEQ janë të pavarura nga vlera e β.



SHEMBULLI 4.6

Për shembullin e mëparshëm të përcaktohen IKQ dhe VKEQ me metodën e përafërt dhe të vihen re ndryshimet shumë të vogla të tyre në vlerë.

β RE

10 R2

(140)(1.5 KΩ) 210 KΩ

10(3.9 KΩ)

39 KΩ (Kushti u plotësua)

VB =

=

= 2 V.

Pra, VB = ETH. Përcaktojmë VE: VE = VB – VBE = 2 V - 0.7 V = 1.3 V IKQ ≈ IE =

=

= 0.867 mA

(në krahasim me 0.85 mA në analizën e saktë).

VKEQ = VKK - IK (RK + RE) = 22 V - (0.867 mA)(10 KΩ +1.5 KΩ) = 12.3 V (krahasuar me 12.22 V në analizën e saktë).

145

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

USHTRIME 1. Për skemën me pjesëtues tensioni në figurën e mëposhtme, gjeni: a) b) c) d) e) f)

IBQ IKQ VKEQ VK VE VB

KQ

VK VB VKEQ BQ

VE

2. Për informacionin e dhënë në figurën e mëposhtme, gjeni: a) IK b) VE c) VB d) R1

K

VK

VB

(Koeficienti i amplifikimit të rrymës është β = 120.) IBQ

VE

3. Për informacionin e dhënë në figurën e mëposhtme, gjeni: a) IK b) VE c) VK d) VB e) R1 f) VKE

146

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 4. Gjeni rrymën e ngopjes (IKsat) për qarkun e figurës së mëposhtme.

KQ

VK VB VKEQ BQ

VE

5. Për skemën e dhënë, përcaktoni: a) b) c) d) e)

IB IK VKE VE VB.

K

VKE VB VE

6. Për figurën e mëposhtme, përcaktoni vlerën e rezistencës R2 dhe IKsat .

K

B

VKE VB

VE

147

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 7. Projektoni një skemë me pjesëtues tensioni, duke përdorur një burim ushqimi prej 20 V, një transistor me β = 100 dhe një IKQ = 4 mA me VKEQ = 8V. Zgjidhni VE = 1/8 VKK.

4.6. SKEMA E POLARIZIMIT ME LIDHJE TË KUNDËRT NË KOLEKTOR Një skemë me cilësi të mira është edhe skema ku përfshihet një lidhje e kundërt nga kolektori në bazë, siç tregohet në figurën 4.22. Megjithatë pika e punës Q nuk është plotësisht e pavarur nga beta ose ndryshimi i temperaturës, por është me e pavarur se në skemën me polarizim fiks apo atë të polarizimit me rezistencë në emiter.

Qarku bazë - emiter Duke zbatuar ligjin e tensioneve të Kirkofit në drejtimin e rrotullimit të akrepave të orës, kemi:

VKK – I’KRK –I B RB –VBE – I E RE = 0

KK KK KK K

K

IK RKIK RK

K KK

K

K K

KK

K

K K K

K

K K

K KK

IB RBIB RB

K

K

K KK

K

KK

KE KE BE

KE

BE

IE REIE RE

Figura 4.22. a) Skema e polarizimit me lidhje të kundërt tensioni; b) Qarku bazë-emiter

Vini re që rryma në RK nuk është IK, por I’K (ku I’K = I K + I B ). Meqë I B ka vlera shumë të vogla, I’K është afërsisht sa IK. Duke zëvendësuar I’K = IK = βIB dhe IE afërsisht I C do kemi:

VKK – β I B R K – I B R B – VBE – β I B R E = 0 VKK – VBE – β I B ( RK + R E) – I B R B = 0 VKK – VBE = IB ( RB+ β(RK+RE) ).

Nga ku:

IB =

KK

. K

148

(4.26)

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Sa më i madh të jetë produkti β (R K + R E ) nga RB, aq më pak e ndjeshme është IKQ ndaj ndryshimeve të β. Qarku kolektor – emiter është treguar në figurën e mëposhtme (4.23): K

K

K

K

K KK KE

Figura 4.23. Qarku kolektor – emiter

Duke zbatuar ligjin e dytë të Kirkofit në drejtimin e rrotullimit të akrepave të orës, rezulton që: IE RE + VKE + I’K RK – VKK = 0. Meqë I’K ~ I K dhe I E ~ I K , kemi: IK (RK+RE) + VKE – VKK = 0 dhe VKE = VKK - IK (RK + RE). e cila është e njëjtë me përcaktimin e VKE në skemat e tjera.

Regjimi i ngopjes (saturation) dhe i shkyçjes (cutoff) Qarku i daljes kolektor–emiter në skemën me pjesëtues tensioni është i njëjtë në pamje me atë në skemën me polarizim në emiter. Rryma e ngopjes ose e saturimit (për VKE të barabartë me zero) është: IKng = Imax =

KK K

E

Meqë në pamje qarku i daljes është i njëjtë me atë të skemës me polarizim në emiter, edhe linja e ngarkesës do të ndërpritet në të njëjtën mënyrë me karakteristikat. Linja e ngarkesës do të ketë këto pika ekstreme: IKng = Imax =

KK K

E

VKE = VKK për IK = 0 mA.

149

për VKE = 0

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

USHTRIME 1. Për skemën e figurës 4.22 me RK = 3.6 KΩ, RB = 250 KΩ, RE = 500 Ω përcaktoni:

a) IB b) IK c) VK.

2. Për skemën e figurës 4.22 me RK = 4.7 KΩ, RB = 470 KΩ, RE = 1.2 KΩ, përcaktoni:

a) b) c) d)

IK VE VK VKE.

4.7. TRANSISTORI P-N-P Në të gjitha analizat e bëra deri tani për skema të ndryshme është përdorur transistori n-p-n, duke lënë të kuptohet që analiza është e njëjtë edhe për skemat me transistor p-n-p. Në skemat me transistor p-n-p (figura 4.24), drejtimet e rrymave janë të kundërta si dhe polariteti i tensioneve në pika të ndyshme të skemave është i kundërt, pra VBE dhe VKE janë madhësi negative. Skema e figurës 4.24 është skemë e polarizuar me rezistencë shtesë, pra tensioni VKE është: KE

KK

K

K

VKE pritet të ketë vlera negative. Lexuesi të përpiqet të bëjë analizën e kësaj skemë, pra, të përcaktojë vlerat e të gjitha rrymave e tensioneve në skemë.

Figura 4.24. Skema e polarizimit të transistorit p-n-p me rezistencë në emiter

150

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

USHTRIME 1. Përcaktoni VK, VKE, IK për skemën 4.24 me VKK = -15 V, RK = 3 KΩ, RE = 1.2 KΩ, RB = 470 KΩ, β = 100. 2. Përcaktoni VK, VKE, IB për skemën e figurës së mëposhtme: -18V 2.4kΩ 10μF

vo

47kΩ 10μF

vi β=120

10kΩ

1.1kΩ

4.8. TRANSISTORI NË ROLIN E ÇELËSIT Transistori përdoret jo vetëm për të amplifikuar sinjalet, por edhe në rolin e çelësit në skemat e kompjuterave apo të kontrollit; në qarqet logjike luan rolin e një invertuesi. Në figurën 4.25 është treguar transistori në rolin e V =V çelësit. Vini re! Tensioni KKnë dalje VK është i kundërt me tensionin e zbatuar në bazë apo në terminalet e hyrjes. VK RK 0.82kΩ V V VKK = V

V VK RB V

V

68kΩ

h FE V

RK 125

VK

0.82kΩ

V

V VK

RB h FE

V

125

V

68kΩ

a)

I K (mA)

I K (mA) I Ksat =6.1 mA

I Ksat =6.1 mA

VKE VKE sat ~ = 0V

I KEO ~ = 0mA

VKK = 5V

b)

Figura 4.25 a) Transistori si çelës b) Linja e ngarkesës VKE

151

VKE sat ~ = 0V

I KEO ~ = 0mA

VKK = 5V

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Për Vi = 5 V, transistori është në gjendjen e çelësit të kyçur dhe në të kalon rryma e ngopjes IKng:

Në regjimin e ngopjes duhet të sigurohet kushti që: K

Në rastin tonë, kur Vi = 5V,

dhe B

B

Duke arsyetuar si më lart, K ng .

Pra, ky kusht është kënaqur. Për Vi = 0 V, IB = 0 µA, Ik = 0 mA dhe rënia e tensionit në Rk është VRK = IkRk = 0 V. Si rrjedhim Vk = 5 V. Transistori është si një çelës i shkyçur. Pika e punës së transistorit si çelës ndodhet në pikat ekstreme të linjës së ngarkesës. Për Vi = 5 V, transistori luan rolin e çelësit të kyçur dhe rezistenca e brendshme e tij është shumë e vogël dhe konsiderohet afërsisht 0 Ω; pika e punës ndodhet në regjimin e ngopjes. Për Vi = 0 V, transistori luan rolin e çelësit të shkyçur dhe rezitenca e tij e brendshme është shumë e madhe dhe konsiderohet afërsisht ∞; pika e punës ndodhet në regjimin e shkyçjes.

152

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1



USHTRIME

1. Për një skemë invertuese me transistor (karakteristikat e të cilit ndodhen në figurën 4.26) ku RK = 1.2 KΩ, RB = 100 KΩ, β = 100, VKK = 10 V, Vi = 10 V, vizatoni formën e sinjalit në dalje . Ndërtoni linjën e ngarkesës dhe tregoni pikat e punës së transistorit si çelës. Përcaktoni IB, IBmax dhe IKng. K

KE

Figura 4.26

2. Projektoni një skemë invertuese me transistor me Vi = 10 V për të punuar me një rrymë IKng (saturimi) 5 mA me β = 110, VKK=10 V. Përdorni një IB sa 110% e IBmax.

153

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

KAPITULLI TRANSISTORËT ME EFEKT FUSHE 5.1. NJOHURI TË PËRGJITHSHME Transistori me efekt fushe (FET) është një element me tre terminale (dalje): burimin, portën, derdhjen. Disa nga veçoritë kryesore të FET dhe transistorëve dypolarë (BJT) të studiuar deri tani janë treguar më poshtë: ªª FET kanë rezistencë shumë më të madhe në hyrje (e rendit MΩ) se BJT. ªª Te BJT rryma në kolektor kontrollohet nga rryma në bazë, ndërsa te FET rryma në kalimin derdhje-burim (drain-source) kontrollohet nga VGS (portë-burim). Për këtë arsye BJT quhen elemente të kontrolluara nga rryma, ndërsa FET quhen elemente të kontrolluara nga tensioni. K

ID

IK

IB Figura 5.1 a) BJT i komanduar nga rryma, b) FET i komanduar nga tensioni

VGS

IE

a)

b)

ªª BJT janë transistorë dypolarë me 2 kalime p-n (transistori që studiuam në kapitujt e mëparshëm), ndërsa FET janë njëpolarë. Në parimin e punës së FET merr pjesë vetëm një tip ngarkese (ose vrimat, ose elektronet), ndërsa në parimin e punës së BJT marrin pjesë dhe bashkëveprojnë vrimat dhe elektronet. ªª Te FET fusha elektrike do të kontrollojë gjerësinë e kanalit ku do të kalojnë ngarkesat. ªª FET janë më pak të ndjeshëm ndaj ndryshimeve të temperaturës krahasuar me BJT. ªª FET janë më të vegjël, gjë që i bën të marrin pjesë më mirë në qarqet e integruara (IC).

154

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Ato kanë një disavantazh: koeficienti i amplifikimit të tensionit është shumë më i vogël në skemat amplifikuese me FET se me BJT. FET mund të ndërtohen me kanal “n” ose me kanal “p”. Në to kalon vetëm një rrymë, rryma derdhje-burim, ID. Në portë nuk kalon rrymë, pra IG = 0. Ata ndahen në dy tipa: JFET (junction field-effect transistor) dhe MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor). Fillimisht do të studiojmë JFET. Në figurën e mëposhtme janë treguar simbolet e JFET me kanal “n” dhe “p”. Daljet e JFET janë D-derdhje (drain), S-burim (source), G-porta (gate).

Figura 5.2. Simboli i JFET (a) me kanal n; (b) me kanal p

5.2. NDËRTIMI DHE KARAKTERISTIKAT E JFET Siç shihet në figurën 5.3, kanali ndodhet midis dy shtresave gjysmëpërcjellëse të tipit “p”. Në krye të kanalit tip “n” është lidhur një kontakt ohmik me terminalin derdhje (D), ndërsa në fundin e poshtëm të së njëjtës shtresë është lidhur një kontakt ohmik me terminalin burim (source), S. Të dyja shtresat tip “p” janë lidhur së bashku me terminalin e portës (gate), G. Nëse kalimi p-n është i papolarizuar, ai sillet si një diodë e papolarizuar.

Shtresa e kundërt

Figura 5.3. Ndërtimi i JFET

155

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Nëse VGS = 0 (d.m.th. porta dhe burimi kanë të njëjtin potencial) dhe VDS ka vlera pozitive, karakteristika do të ketë pamje si në figurën 5.4 dhe quhet karakteristika e daljes (derdhjes): ID = f(VDS) për VGS = 0.

2

1

Figura 5.4. Karakteristika e FET me VGS = 0 dhe VDS > 0

Elektronet e nisura nga S (burimi) kalojnë përgjatë kanalit dhe e mbyllin rrugën në konturin derdhje - burim, pra ID = IS. Shtresa e kundërt është më e gjerë nga kreu i shtresës tip “p”, sepse dhe tensioni i kundërt është më i madh nga kjo anë (te dioda është parë që sa më i madh është tensioni i kundërt i polarizimit, aq më e gjerë është shtresa e kundërt). Me rritjen e tensionit VDS nga 0 në disa volt do të rritet rryma ID (pjesa e parë e karakteristikës). Nëse VDS i afrohet vlerës VP aty ku mbaron zona 1 e karakteristikës, shtresa e kundërt do të zgjerohet deri në “mbylljen” e kanalit, si në figurën (5.5), por realisht ekziston një kanal mjaft i ngushtë e rryma ka dendësi shumë të lartë. Rryma në këtë rast ka vlerën e rrymës së ngopjes IDSS (fig. 5.5). Pra, për VDS = VP, kemi ID = IDSS. Zona e kundërt

ID

Kanali n

e

2

e

p

p e

n

1

e

IS

Figura 5.5. JFET dhe karakteristika ID = f (VDS) për VGS = 0 dhe VDS = Vp

Me rritjen e mëtejshme të VDS, vlera e rrymës nuk ndryshon (zona 2 e karakteristikës). IDSS është rryma maksimale e derdhjes për një JFET, kur VGS = 0 dhe VDS > | VP| .

156

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Nëse VGS < 0 për VDS > 0, porta (G) ka potencial më të vogël se burimi (S), pra kalimi G-S është polarizuar në të kundërt. Sa më negative bëhet VGS, aq më e vogël do të bëhet ID, sepse rritet gjerësia e shtresës së kundërt. Kur VGS = - Vp (kanali është ngushtuar aq shumë, saqë elektronet e nisura nga burimi nuk arrijnë në derdhje), rryma e ngopjes (saturimit) është pothuajse 0 dhe në çdo zbatim praktik JFET konsiderohet i shkyçur. Te JFET kalimi G-S polarizohet gjithnjë në të kundërt.

VDS >0

+ Figura 5.6. JFET me VGS = VP

Figura 5.7. Karakteristika e daljes (derdhjes) së JFET me kanal n me IDSS = 8 mA dhe Vp = - 4 V

Karakteristika në figurën 5.7 tregon që për zonën 1 në të majtë të Vp, JFET punon në regjim linear (regjimi ohmik). Vlera e VGS, që i korrespondon ID = 0, shënohet Vp dhe ka vlera negative për JFET me kanal n dhe vlera pozitive për JFET me kanal p. Vp dhe IDSS janë të specifikuara në katalog për çdo JFET.

157

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

5.3. KARAKTERISTIKA E TRANSFERIMIT Karakteristika e transferimit jep lidhjen që ekziston mes një madhësie në qarkun e hyrjes, tensionit në kalimin portë-burim (tensioni gate-source, VGS) dhe një madhësie në qarkun e daljes, rrymës së derdhjes (rrymës në drain, ID). Marrëdhënia midis tyre jepet nëpërmjet ekuacionit Shoklei (Shockley): (5.1) Vp dhe IDSS janë dy madhësi që jepen në katalog dhe për një JFET të caktuar janë konstante, ndërsa VGS është madhësia elektrike që kontrollon vlerën e rrymës ID në transistor. Karakteristika e transferimit ndërtohet duke u nisur nga ekuacioni Shoklei dhe nuk varet nga skema në të cilën është lidhur elementi. Për të ndërtuar karakteristikën e transferimit, gjejmë fillimisht dy pikat ekstreme. Kur VGS = 0 => ID = IDSS; Kur VGS = Vp => ID = 0. Për vlera të ndryshme të VGS zëvendësojmë në ekuacion dhe gjejmë vlerat korresponduese të ID e kështu ndërtojmë disa pika midis dy pikave ekstreme (Vp dhe IDSS). Duke i bashkuar ato, ne kemi ndërtuar karakteristikën e transferimit (fig. 5.8). Gjithashtu karakteristika e transferimit mund të ndërtohet edhe nga karakteristikat e daljes së transistorit. Duke përdorur karakteristikat e daljes së transistorit, ne mund të transferojmë vlerat e rrymës së saturimit për VGS korresponduese dhe të ndërtojmë karakteristikën e transferimit, siç tregohet në figurën 5.8 a) e b).

a)

b)

Figura 5.8. Ndërtimi i karakteristikës së transferimit nga karakteristikat e daljes

158

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

Mënyra praktike e ndërtimit të karakteristikës së transferimit Për të vizatuar karakteristikën e transferimit, duhen të paktën katër pika. Sipas ekuacionit Shoklei: Kur VGS = 0 => ID = IDSS; Kur VGS = VP => ID = 0; Kur VGS = VP/2 => ID = IDSS /4; Kur ID = IDSS /2 => VGS = 0.3VP. Sipas kësaj metode është ndërtuar karakteristika e transferimit e JFET me IDSS = 12 mA dhe VP = -6V (fig. 5.9).

Figura 5.9. Karakteristika e transferimit

e JFET me kanal n me IDSS = 12 mA dhe VP = - 6V

JFET me kanal p Karakteristika e transferimit për JFET me kanal p do të jetë e njëjtë me karakteristiken e JFET me kanal n. I vetmi ndryshim do të jetë që vlera e VP dhe VGS do të jenë pozitive, si në figurën 5.10 për një JFET me kanal p.

Figura 5.10. Karakteristika e transferimit e JFET me kanal p me IDSS = 12 mA dhe Vp = -6V

159

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

USHTRIME 1. a) Cili është ndryshimi midis karakteristikave të kolektorit të një BJT dhe karakteristikave të derdhjes të një JFET. b) Pse IG është realisht 0 mA? c) Pse rezistenca në hyrje e një JFET është shumë e madhe? 2. Vizatoni skemën strukturore të një JFET me kanal p. 3. Për karakteristikat e figurës 5.7: a) Vizatoni karakteristikën e transferimit nga karakteristikat e derdhjes. b) Duke parë karakteristikat e figurës 5.7, lexoni IDSS dhe VP , si dhe ndërtoni karakteristikën e transferimit në bazë të ekuacionit Shoklei. c) Krahasoni karakteristikat e ndërtuara në pikën a) e b). A ka ndonjë ndryshim të madh? 4. Është dhënë IDSS = 12 mA dhe Vp = -4V. a) Vizatoni karakteristikën e transferimit për transistorin JFET. b) Vizatoni karakteristikat e derdhjes për këtë element. 5. Një JFET me kanal - p ka IDSS = 8 mA dhe Vp = 4V. Vizatoni karakteristikën e transferimit për transistorin JFET. 6. Është dhënë pika Q me IDQ = 3 mA dhe VGSQ = - 3 V. Përcaktoni IDSS,, nëse VP = -6 V.

5.4. ÇFARË PËRMBAN NJË KATALOG? Në katalog shënohen të gjitha karakteristikat e një elementi (në rastin tonë një transistor) që ne dëshirojmë. Këto të dhëna jepen nga prodhues të ndryshëm. Në katalog mund të gjejmë:

• •

fushën e përdorimit të tyre, si: amplifikator, oshilator etj.;

• •

përbërjen e një transistori si, p.sh., silici ose germaniumi;

vlerat e madhësive elektrike, si: tensionin maksimal të drejtë, tensionin maksimal të kundërt, rrymën maksimale, fuqinë si edhe temperaturat minimale dhe maksimale të përdorimit të transistorëve (nëse këto vlera nuk kihen parasysh elementi del jashtë përdorimi) etj.; të dhënat mekanike që kanë të bëjnë me përmasat e një transistori.

Fuqia e një transistori në temperaturën 25°C (në temperaturën e dhomës) mund të llogaritet me formulën:

160

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 PD = VDS ID (5.2) Siç u tha më lart, VP = VGS(off), vlerat e së cilës luhaten nga -0.5 V në -6.0 V për një JFET me kanal n.

IDSS

0

Figura 5.11. Zona normale e punës në regjimin linear

Nga karakteristikat dhe të dhënat në katalog për një element përcaktohet regjimi i punës në karakteristikat e daljes për projektimin e amplifikatorëve linearë si në figurën 5.11. Regjimi ohmik përcakton vlerat minimale të VDS për vlera të ndryshme të VGS. VDSMAX tregon vlerat maksimale të tensionit derdhje-burim. Rryma e saturimit IDSS është rryma maksimale e derdhjes, ndërsa fuqia maksimale tregohet nëpërmjet një vije të lakuar si në figurë.

USHTRIME 1. Përcaktoni zonën e punës së një JFET, nëse VDS = 25 V dhe PDS = 120 mW me karakteristika të ngjashme me ato në figurën 5.7, por me IDSS = 10 mA dhe Vp = -6V. MAX

MAX

2. A mund të punojë JFET, zona normale e punë së të cilit jepet në figurën 5.11 në pikën me koordinata (IDSS,VDSmax) ? 3. Për karakteristikat në figurën 5.7, të përcaktohet zona e punës nëse PDS = 120 mW dhe VDS = 25 V. MAX

MAX

161

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

5.5. D-MOSFET Si u tha në fillim të kapitullit, FET janë transistorë të kontrolluar nga tensioni. FET-et i kemi 2 llojesh: JFET dhe MOSFET. MOSFET (metal-oxide-semiconductor-field-effect), sipas karakteristikave të tyre, ndahen në 2 lloje: MOSFET me pasurim (enhancement-me shtim) dhe MOSFET me varfërim (depletion-me pakësim). Të parët shënohen shpesh E-MOSFET, ndërsa të dytët D-MOSFET. Secilin nga këto 2 tranzistorë MOSFET i kemi me kanal p dhe n. MOSFET të tipit me varfërim kanë karakteristika të ngjashme me të JFET, por ato mund të punojnë edhe për VGS me polaritet të kundërt me të parët.

Ndërtimi Le të shohim ndërtimin e MOSFET me varfërim (me pakicë) me kanal n (D-MOSFET). Një shtresë materiali tip p me bazë silici është shtresa mbi të cilën do të vendoset konstrukti i transistorit dhe është bazamenti i tij (substrate). Transistori MOSFET me varfërim ka në përgjithësi tri elektroda (dalje): derdhja (drain, D), (source, S), portë (gate, G). Ka raste kur nga shtresa p del një këmbë e veçantë (e katërta) e MOSFET-it, e cila shënohet SS. Bazamenti (SS) lidhet me burimin (S) e MOSFET-it, në përgjithësi. Shohim që derdhja dhe burimi me anë të kontakteve metalike lidhen me shtresat e tipit n, midis të cilave ndodhet kanali tip n. Gate nuk lidhet me kontakt metalik me kanalin n, por me anë të një shtrese dioksidi-silici, SiO2, e cila luan rolin e një dielektriku. Kjo bën që midis këmbës G dhe kanalit tip n të mos ketë lidhje elektrike. Për këtë arsye transistorët MOSFET kanë rezistencë të madhe në hyrje. Rryma që kalon në portë është 0. Ndonjëherë ky element gjendet në literaturë me emrin FET me portë të izoluar ose IGFET.

e e

Figura 5.12. MOSFET me varfërim (D-MOSFET) me kanal n

162

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

Karakteristikat dhe parimi i punës Në këtë figurë kemi ushqyer transistorin me tension VDD. Në këtë rast VGS është 0 V, si në figurën 5.13. Për shkak të potencialit pozitiv në derdhje ndodh një tërheqje e elektroneve nëpërmjet kanalit n. Kjo bën që rryma të jetë IDSS në analogji me parimin e punës së JFET (kjo rrymë jepet në katalog). Rryma që kalon në këtë transistor kontrollohet nga potenciali në portë. Diferenca potenciale portë-burim kontrollon gjerësinë e kanalit.

+ VDD

-

Figura 5.13. MOSFET me varfërim (DMOSFET) me kanal n me VGS = 0

Kur VGS është më i vogël se 0 V, p.sh., -1 V, -2 V, -3 V etj., tensioni negativ në portë shtyn elektronet drejt shtresës p dhe ndodh rikombinimi mes elektroneve e vrimave, duke bërë të mundur zvogëlimin e elektroneve të lira në kanal (fig. 5.14).

-

e e e e e e e e

Figura 5.14. Zvogëlimi i elektroneve të lira në kanal kur VGS < 0

Sa më i madh të jetë tensioni i kundërt në portë, aq më i madh është niveli i rikombinimit dhe aq më i vogël do të jetë numri i elektroneve të lira në kanalin n. Kjo bën që rryma të zvogëlohet kur VGS = VP (ky tension jepet në katalog), ID = 0. VP është tensioni i kundërt më i madh.

163

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Kur VGS është më i madh se 0 V, pra tensioni portë-burim të polarizojë në të drejtë kalimin portë-burim, porta është ngarkuar pozitivisht dhe tërheq elektrone nga shtresa p duke u bashkuar me elektronet e lira të cilat së bashku bëjnë rritjen e rrymës në vlera më të mëdha se IDSS si në figurën 5.15. Për këtë arsye zona me VGS pozitive, në karakteristikën e transferimit, është quajtur zona me pasurim, ndërsa zona për VGS negative është quajtur zona me varfërim.

D

G

GS

S

Figura 5.15. VGS më i madh se 0 V Ekuacioni Shoklei shërben për të gjetur ID për vlera të ndryshme të VGS (pozitive, negative e zero). Në figurën e mëposhtme 5.16 jepet karakteristika e transferimit që tregon ID në funksion të VGS si dhe varësinë e ID në funksion të VDS (mA) 10.9

I DSS

8

= -1V I DSS 2 I DSS 4

4

2

V

= -2V -4V -5V

2 = -3V

0

= -6V Figura 5.16. Karakteristika e transferimit ID në funksion të VGS dhe grafiku ID në funksion të VDS

D-MOSFET me kanal p Ndërtimi i transistorit D-MOSFET me kanal p është i kundërt me pamjen e atij me kanal n. Emërtimet e këmbëve janë po njësoj, por ndryshojnë polaritetet dhe drejtimi i rrymës. VGS do të marrë vlera pozitive dhe negative, ndërsa VDS negative si në figurën e mëposhtme.

164

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

D

Figura 5.17. a) Ndërtimi i transistorit D-MOSFET me kanal-p b) Karakteristikat e D-MOSFET me kanal-p me IDSS = 6 mA dhe VP = +6V

Në figurat e mëposhtme janë paraqitur simbolet e D-MOSFET.

Figura 5.18. a) D-MOSFET me kanal – n, b) D-MOSFET me kanal – p

USHTRIME 1. Ku qëndron ndryshimi midis D-MOSFET e JFET? Po ngjashmëria midis tyre? 2. Jepet një D-MOSFET me IDSS = 6 mA dhe VP = -3 V. Përcaktoni ID në VGS = - 1, 0, 1, 2 V. Marrëdhënia midis ID dhe VGS është lineare apo jolineare? Pse? 3. Vizatoni karakteristikën e transferimit (kalimtare) dhe karakteristikën e derdhjes për D-MOSFET me kanal -n me IDSS = 12 mA dhe VP = -8 V, në kufijtë nga VGS = - VP deri në VGS = 1 V. 4. Jepet ID = 4 mA për VGS = -2 V. Përcaktoni IDSS nëse VP = -5 V.

165

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

5.6. MOSFET ME PASURIM (E-MOSFET) Megjithëse ka disa ngjashmëri në ndërtim dhe mënyrën e punës midis MOSFET me varfërim dhe atij me pasurim, karakteristika e MOSFET me pasurim është e ndryshme nga ato të para deri tani. Linja e transferimit nuk përcaktohet nga ekuacioni Shoklei dhe rryma në derdhje është zero derisa tensioni portë-burim të arrijë një vlerë të caktuar. Në veçanti, kontrolli i rrymës në një MOSFET me pasurim me kanal-n ndikohet nga tensioni pozitiv portë-burim, ndyshe nga MOSFET dhe JFET kanal-n që komandoheshin nga tensioni portë-burim negativ.

Ndërtimi bazë Ndërtimi i një MOSFET me pasurim kanal-n shihet në figurën 5.19. Një shtresë materiali gjysmëpërcjellës tip p me bazë silici, si te MOSFET me varfërim, shërben si bazament për transistorin. Derdhja (D) dhe burimi (S) me anë të kontakteve metalike lidhen me shtresat e tipit n, midis të cilave nuk ndodhet kanal. Ky është dallimi kryesor midis MOSFET me pasurim dhe atij me varfërim. Shtresa SiO2 është përsëri e pranishme, për të siguruar izolimin e kontaktit metalik të portës (G) me shtresën midis derdhjes (D) dhe burimit (S). Si përfundim, ndërtimi i një MOSFET me pasurim është i ngjashëm me atë me varfërim, përveç mungesës së një kanali midis derdhjes (D) dhe burimit (S) kur nuk ka tension nga jashtë.

do të krijohet

Figura 5.19. MOSFET me pasurim me kanal n

166

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

Karakteristikat dhe parimi i punës Kur VGS = 0, mungesa e kanalit n, në të cilin kalojnë elektronet, bën që të mos kalojë asnjë elektron nga S në D, pra rryma ID = 0, ndryshe nga JFET dhe D-MOSFET ku ID = IDSS. Në figurën 5.20 kemi marrë vlera të VGS > 0 dhe VDS > 0, pra derdhja dhe porta (G) kanë potencial pozitiv në lidhje me burimin (S). Ky potencial pozitiv në portën (G) do të shtyjë ngarkesat pozitive (vrimat) të shkojnë më në brendësi të bazamentit (substrate) tip p. Si rezultat krijohet një shtresë e kundërt pranë shtresës së SiO2, e cila pengon kalimin e elektroneve në daljen portë (G). Sa më shumë rritet VGS, aq më shumë rritet përqendrimi i elektroneve pranë shtresës SiO2. Kur vlera e VGS bëhet sa një tension “gjuri” (tensioni threshold, VGS(Th)), fillon rrjedhja e elektroneve nga (S) drejt (D), pra në transistor kalon rrymë. Vlera e VGS(Th) jepet në katalog. Në qoftë se rritim tensionin pozitiv në portën (G) përtej vlerave të VTH, do të rritet rryma që kalon nga derdhja në burim, pra vlera e rrymës në këtë transistor kontrollohet nga tensioni portë-burim. Ekziston një vlerë tensioni e zbatuar në portë që nuk duhet kaluar, siç mund të themi se ekziston një vlerë e rrymës së kalimit derdhje-burim që nuk mund të kapërcehet. Këto vlera jepen në katalog. Meqenëse kanali nuk ekziston për VGS = 0, por krijohet për VGS > 0, ky transistor merr emrin MOSFET me pasurim.

Figura 5.20. Krijimi i kanalit në MOSFET me pasurim

167

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Në karakteristikën e derdhjes (fig. 5.21) vëmë re që për VGS më të vogla se VGS(Th), rryma e derdhjes (daljes) është 0 mA. VGS(Th) mund ta shkruajmë thjesht VT.

V

DS

Figura 5.21. Karakteristika e derdhjes të MOSFET me pasurim me kanal tip n

Për VGS më të mëdha se VGS(Th), rryma e derdhjes rritet jolinearisht kundrejt tensionit portë-burim, nëpërmjet ekuacionit ID = k (VGS - V T)2, ku k është një konstante që është funksion i ndërtimit të elementit. Në katalog jepen vlerat e ID(on) dhe VGS(on) që tregojnë vlerat e rrymës dhe tensionit në një pikë të karakteristikës së elementit. Që këtu mund të përcaktojmë vlerën e k-së.

I D(on )

k = (5.3) ((V VGS −V ) 2 IGSD((on on)) - VTT) (VGS(on ) − VT ) Pasi gjejmë vlerën e k-së, për vlera të ndryshme të VGS, përcaktojmë vlerat e ID dhe këto pika i hedhim në grafikun e karakteristikës së transferimit, si në figurën 5.22 a). Në figurën 5.22 b) tregohet edhe mënyra e ndërtimit të karakteristikës së transferimit nëpërmjet karakteristikës së derdhjes. Vëmë re që për VDS më të vogla se vlera e VGS(Th), vlera e rrymës rritet pothuajse linearisht. Kur VDS > VGS(Th), rryma derdhjes arrin nivelin e saturimit (ngopjes) për vlera të ndryshme të VGS.

168

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

GS

V



a)

DS

b)

Figura 5.22 a) Karakteristika e transferimit b) Karakteristika e transferimit e ndërtuar nga karakteristika e derdhjes (daljes) së MOSFET me pasurim me kanal tip n

E-MOSFET me kanal p Ndërtimi i E-MOSFET me kanal p, siç shihet në figurën 5.23, është i kundërt me E-MOSFET me kanal n. Në këtë tip MOSFET, bazamenti është shtresë e tipit n, ndërsa shtresat që lidhen me derdhjen (drain, D) dhe burimin (source, S) janë të tipit p. Terminalet (këmbët) kanë të njëjtin emërtim, por polaritetet e tensionit dhe drejtimi i rrymës janë të kundërta. Karakteristika e transferimit do të jetë pasqyrimi rreth boshtit të ID të karakteristikës së transferimit për E-MOSFET me kanal n (fig. 5.24 a). Në figurën 5.24 b) janë treguar karakteristikat e derdhjes, nga ku shihet qartë që me rritjen e vlerave negative të VGS rritet vlera e ID.

Figura 5.23. Ndërtimi i E-MOSFET me kanal p

169

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

DS

a)

b)

Figura 5.24 a) Karakteristika e transferimit për E-MOSFET me kanal p b) Karakteristika e derdhjes (daljes)

Në figurën 5.25 janë treguar simbolet e E-MOSFET me kanal n dhe me kanal p



Figura 5.25 a) Simbolet e E-MOSFET me kanal n b) Simbolet e E-MOSFET me kanal p

a) b)

USHTRIME 1. Cili është ndryshimi midis një E-MOSFET e një D-MOSFET? 2. Vizatoni një E-MOSFET me kanal p si dhe tensionet e polarizimit të tij. Tregoni drejtimin e rrjedhjes së elektroneve. 3. Vizatoni karakteristikën e transferimit dhe karakteristikat e derdhjes së një E-MOSFET me VT = 3.5 V dhe k = 0.4 X 10 -3 A/V2. 4. Jepet VT = 4 V, ID(on) = 4 mA dhe VGS(On) = 6 V. a) Përcaktoni konstanten k. b) Vizatoni karakteristikën e transferimit. c) Përcaktoni ID, nëse VGS = 2.5 V. Po për VGS = 10 V, sa është ID? 5. Vizatoni karakteristikën e transferimit dhe karakteristikat e derdhjes së një E-MOSFET me kanal p me VT = -5 V dhe k = 0.45 X 10-3 A/V2.

170

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

5.7. QARQET CMOS Qarqet CMOS janë qarqe dixhitale logjike mjaft të përdorshme në praktikë. Ato janë të ndërtuara me transistorë MOSFET të të njëjtit lloj, por të tipave të kundërt (E-MOSFET me kanal n dhe E-MOSFET me kanal p të vendosura mbi të njëjtin bazament). Vi

VGS1

VGS2

VO

0

0

-5 V

5V

5V

5V

0

0

b)

a)

Figura 5.26 a) Invertuesi CMOS b) Tabela përmbledhëse e punës së CMOS

Ky qark me MOSFET quhet CMOS (Complementary MOSFET). Hyrja e qarkut ndodhet në portat e dy transistorëve të lidhura në një pikë, ndërsa dalja merret nga derdhjet e lidhura në një pikë. Përpara se të studiojmë efektin e qarkut CMOS, kujtoni edhe njëherë karakteristikat e transferimit të transistorëve MOSFET me pasurim me kanal p e n. Nëse në hyrje do të kemi një tension prej 0 V, atëherë VGS1 = 0 V dhe Q1 është në gjendjen “off”, pra rezistenca derdhje - burim është shumë e madhe. VGS2 = -5 V dhe transistori i Q2 është në gjendjen “on”. Midis derdhjes dhe burimit të Q2 rezistenca është shumë e vogël. Pra, po ta shihnim si pjesëtues tensioni, do të arrinim në përfundimin se VO është afërsisht 5 V. Dalja inverton gjendjen e hyrjes. Pra, për Vi = 0 V, Vo = 5 V. Nëse në hyrje do të kemi një tension prej 5 V, atëherë VGS1 = Vi = 5 V dhe Q1 është në gjendjen “on”. Rezistenca derdhje - burim është shumë e vogël. Pra, VGS2 = 0 dhe transistori i Q2 është në gjendjen “off”. VO është afërsisht 0 V. Dalja inverton gjendjen e hyrjes. Pra, për Vi = 5 V, Vo = 0 V. Tabela përmbledhëse e punës së CMOS tregohet në figurën 5.26. Si përfundim, CMOS është qark invertues. Fuqia që harxhon CMOS është shumë e vogël, sepse transistorët janë në rolin e çelësave. Ata kanë rezistencë të madhe në hyrje dhe shpejtësinë e komutimit (kyçje-shkyçje) shumë të lartë.

171

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

KAPITULLI MËNYRAT E POLARIZIMIT TË FET 6.1. HYRJE Për transistorët me efekt fushe, marrëdhëniet midis madhësive të hyrjes e të daljes janë jolineare dhe kjo vihet re edhe në karakteristikën e transferimit të një FET. Lidhja grafike që ekziston mes ID e VGS është më e përdorur dhe, në këtë kapitull, studimi bëhet mbi këtë lidhje e jo mbi atë matematikore. Si në skemat me BJT edhe në ato me FET madhësia e rrymës në dalje ndikon në madhësinë e tensionit në dalje. Gjatë analizës DC për të gjithë përforcuesit me FET duhet të kihen parasysh këto marrëdhënie: IG = 0 A (6.1) ID = IS. (6.2) Kujtojmë që për JFET dhe MOSFET me varfërim (D-MOSFET), marrëdhënia mes qarkut të hyrjes e të daljes jepet me ekuacionin Shoklei: ID = IDSS (1-

)2. (6.3)

Për MOSFET me pasurim (E-MOSFET), marrëdhënia mes qarkut të hyrjes e të daljes jepet me ekuacionin ID = k (VGS -VT )2.

(6.4)

Është e rëndësishme të theksohet që këto ekuacione shprehin lidhjen mes madhësive elektrike vetëm për elementin, pavarësisht se në cilën lloj skemë është lidhur ai. Nga skema ku lidhet elementi përcaktohet sa është konkretisht vlera e rrymës dhe e tensionit, duke u bazuar në gjetjen e pikës së punës.

172

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

6.2. SKEMA ME POLARIZIM FIKS Skema me polarizim fiks është skema më e thjeshtë e polarizimit të JFET me kanal n (fig. 6.1). Në këtë skemë tensioni i polarizimit të transistorit është fiks sa vlera e tensionit të burimit të vendosur në qarkun e hyrjes VGG. Ajo është një nga skemat e pakta me FET që mund të zgjidhet në mënyrë të drejtpërdrejtë duke përdorur mënyrën matematike ose grafike. Në këtë mësim përfshihen të dyja metodat, për të vërtetuar faktin se i njëjti përfundim mund të arrihet me të dyja mënyrat. Skema në figurën 6.1 përfshin vi dhe vo dhe kondesatorët lidhës C1 dhe C2. Mos harroni që kondesatorët sillen si qark i hapur gjatë analizës për rrymat e vazhduara dhe qark i shkurtër gjatë analizës për rrymat alternative. Rezistenca RG bën pjesë në skemë për të treguar se vi shfaqet në hyrjen e përforcuesit me FET gjatë analizës për rrymën alternative. Kujtojmë që rezistenca e hyrjes së FET është shumë e madhe. Le të bëjmë analizën e skemës për rrymën e vazhduar: IG = 0 A dhe VRG = IGRG = (0 A)RG = 0 V. Vlera e tensionit në RG lejon zëvendësimin e RG me një qark të shkurtër ekuivalent (fig. 6.2) i rivizatuar pikërisht për analizën DC.

Figura 6.1. Skema me polarizim fiks

Figura 6.2. Qarku për analizën DC

173

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Duke zbatuar ligjin e Kirkofit për tensionet në drejtimin e rrotullimit të akrepave të orës, në qarkun e dhënë në figurën 6.2 kemi: -VGG – VGS = 0 dhe VGS = -VGG. (6.5) Meqenëse VGG ka një vlerë të caktuar, mund të zëvendësohen në ekuacionin Shoklei për të gjetur matematikisht vlerën e ID. Analiza grafike kërkon ndërtimin e karakteristikës së transferimit nëpërmjet ekuacionit Shoklei si në figurën 6.3. Për të vizatuar karakteristikën e transferimit, duhen të paktën katër pika: - kur VGS = 0 => ID = IDSS; - kur VGS = VP => ID = 0; - kur VGS = VP/2 => ID = IDSS /4 ; - kur ID = IDSS /2 => VGS = 0.3VP.

IDSS 2 4 Figura 6.3. Ndërtimi grafik i karakteristikës së transferimit sipas ekuacionit Shoklei

0.5

0.3VP

Linja e ngarkesës do të jetë një vijë e drejtë vertikale në pikën VGS = -VGG. Nga pikëprerja e këtyre dy vijave, mund të përcaktojmë vendndodhjen e pikës së punës ose të qetësisë, pra, IDQ dhe VGSQ.

Karakteristika e transferimit e tranzistorit Karakteristika e skemës ku lidhet elementi

Pika Q

Figura 6.4. Përcaktimi i pikës së punës

174

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Këto vlera, IDQ dhe VGSQ, do jenë ato që matin aparatet matëse (fig. 6.5). Miliampermetër

Fisha e kuqe

Fisha e zezë

Figura 6.5. Matja me voltmetër dhe ampermetër e IDQ dhe VGSQ

Të dyja mënyrat e zgjidhjes (grafike e matematike) duhet të arrijnë në vlera pothuajse të njëjta të IDQ dhe VGSQ. Tensioni drain-source (dalje-burim) mund të përcaktohet duke zbatuar ligjin e dytë të Krikofit në qarkun e daljes së figurës 6.2 dhe del si më poshtë: +VDS + IDRD – VDD = 0 VDS = VDD – IDRD (6.6)

VS = 0 V VDS = VD – VS ose

VD = VDS + VS = VDS + 0 V nga ku, për skemën me polarizim fiks, VD = VDS. (6.7) Gjithashtu VGS = VG – VS ose VG = VGS + VS = VGS + 0 nga ku, për skemën me polarizim fiks, VG = VGS (6.8)

175

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1



SHEMBULL

Për skemën e mëposhtme me këto të dhëna: VDD = 16 V, VGG = 2V, RG = 1KΩ, RD = 2KΩ, IDSS = 10 mA, VP = -8V, përcaktoni:

a) VGSQ b) IDQ c) VDS d) VD e) VG f) VS

Zgjidhje (a) e (b) Grafikisht ushtrimi mund të zgjidhet duke ndërtuar karakteristikën e transferimit dhe linjën e ngarkesës me VGS = -2V, si në figurën e mëposhtme. Vihet re që VGSQ = -VGG = - 2 V, ndërsa IDQ = 5.6 mA.

10 mA

9 8 7 6 I DQ = 5.6mA 5

Pika Q

4 3 2

IDS = 2.5mA

4

1 -8

-7

VP = -8V

-6

-5

-4 VP = -4V 2

-3

-2

-1

IGS = -VGG = -2V Q

c) VDS = VDD – IDRD = 16V - (5.6 mA)(2 K Ω) = 4.8 V d) VD = VDS = 4.8 V e) VG = VGS = - 2 V f) VS = 0 V

176

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Matematikisht ushtrimi mund të zgjidhet: a) VGSQ = - VGG = - 2V b) ID = IDSS (1-

)2

= 10 mA (1 -

-8 V 2 ) = 5.625 mA -2 V

c) VDS = VDD – IDRD = 16V - (5.625 mA)(2 K Ω) = 4.75 V d) VD = VDS = 4.75V e) VG = VGS = - 2 V f) VS = 0 V

USHTRIME 1. Për skemën me polarizim fiks:

a) Vizatoni karakteristikën e transferimit të transistorit.



b) Vizatoni linjën e ngarkesës në të njëjtin sistem boshtesh.



c) Përcaktoni IDQ dhe VGSQ.



d) Duke përdorur ekuacionin Shoklei, përcaktoni IDQ e më pas gjeni VDSQ.



Krahasoni rezultatin me atë të pikës c).

IDSS = 10 mA VP = -4V

177

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 2. Me vlerën e VD së dhënë, përcaktoni madhësitë e mëposhtme:

a) ID b) VDS c) VGG

IDSS = 8 mA VP = -4V

6.3. SKEMA ME VETËPOLARIZIM Skema me vetëpolarizim nuk ka nevojë për dy burime ushqimi të vazhduar. Tensioni i kontrollit portë-burim tani përcaktohet nga tensioni në rezistencën Rs që lidhet me burimin (source) si në figurën 6.6.

Figura 6.6. Skema me vetëpolarizim

Për analizën dc të qarkut, kondensatorët mund të zëvendësohen me qark të hapur dhe rezistenca RG mund të zëvendësohet nga një qark i shkurtër, përderisa IG = 0A. Rezultati është qarku në figurën 6.7 në analizën e rrymave të vazhduara (dc). Rryma që kalon në rezistencën RS është rryma që kalon në burim, por IS = ID dhe VRS = ID RS (6.9)

178

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Për konturin e mbyllur në figurën 6.7, gjejmë që -VGS-VRS=0 ose VGS= -IDRS. (6.10) Nga ekuacioni (6.10) shohim që VGS është në funksion të rrymës së derdhjes ID dhe jo me vlerë fikse siç ndodhte në rastin e skemës me polarizim fiks.

Figura 6.7. Analiza dc e skemës me vetëpolarizim

Ekuacioni (6.10) është përcaktuar nga skema e mësipërme. Nga ana tjetër, ekuacioni Shoklei (6.3) lidh madhësitë e qarkut të hyrjes me ato të qarkut të daljes së skemës. Të dy ekuacionet lidhin të njëjtat madhësi, ID dhe VGS, duke na dhënë mundësinë për ta zgjidhur në mënyrë grafike ose matematikore problemin. Zgjidhja matematikore e duhur mund të përftohet thjesht duke zëvendësuar ekuacionin (6.10) në ekuacionin e Shokleit si më poshtë: ID = IDSS (1

)2

= IDSS (1-

)2

ose ID = IDSS (1+

)2.

Duke vazhduar me veprimin e ngritjes në katror, përftojmë ekuacionin si më poshtë: ID2 + K1ID + K2 = 0. Ekuacioni i gradës së dytë zgjidhet për vlerat e përshtatshme të ID. Kjo përcakton zgjidhjen matematikore.

179

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Zgjidhja grafike kërkon që, në fillim, të vizatojmë karakteristikën e transferimit për transistorin si në figurën 6.8. Me ekuacionin (6.10) mund të ndërtohet linja e ngarkesës (një vijë e drejtë) në të njëjtin grafik. Le të përcaktojmë koordinatat e dy pikave të linjës së ngarkesës nga ekuacioni (6.10) dhe t’i bashkojmë ato. Në fillim konsiderojmë ID = 0 dhe marrim që VGS = -IDRS = (0)RS = 0 V. Pika e dytë përcaktohet duke marrë një vlerë të caktuar të VGS ose ID dhe vlera korresponduese e madhësisë tjetër të zgjidhet duke përdorur ekuacionin (6.10) me një vlerë të dhënë të RS. Kështu, me anë të dy pikave, mund të ndërtojmë vijën e ngarkesës. P.sh., marrim ID=

,

atëherë VGS= - IDRS =

* RS.

Ndërtojmë linjën e ngarkesës. Pikëprerja e karakteristikës së transferimit me linjën e ngarkesës na përcakton pikën e punës Q si në figurën 6.8.

Figura 6.8. Vizatimi i linjës së ngarkesës

Pasi përcaktojmë IDQ dhe VGSQ, mund të gjejmë madhësitë e tjera. Për gjetjen e VDS mund të zbatojmë ligjin e Kirkofit në qarkun e daljes:

VRs+ VDS + VRD – VDD = 0 nga ku

VDS = VDD – VRS – VRD = VDD – ISRS– IDRD.

Por ID = IS dhe

VDS = VDD – ID(RS + RD). (6.11) 180

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Në vazhdim:

VS = IDRS (6.12) VG = 0 V

(6.13)

dhe VD = VDS + VS = VDD -VRD.



(6.14)

SHEMBULL

Gjeni pikën e qetësisë për skemën e figurës (6.6) me këto të dhëna: VDD = 20 V, RD = 3.3 KΩ, RG= 1 MΩ, IDSS = 8mA, VP = -6V a) RS = 100 Ω b) RS =10 KΩ. RS=100 Ω IDQ=6.4mA, VGSQ=-0.5V

Zgjidhje Ndërtojmë linjën e ngarkesës për secilën nga vlerat e rezistencës sipas mënyrës së përshkruar më sipër. Siç vihet re, sa më e vogël të jetë RS, aq më pranë boshtit të ID ndodhet linja e ngarkesës, ndërsa sa më tepër të rritet RS, aq më afër boshtit të VGS ndodhet linja e ngarkesës.

RS=10KΩ IDQ=0.4mA,VGSQ=-4.6V

Figura 6.9



USHTRIME

1. Për skemën me vetëpolarizim të figurës së mëposhtme (fig. e ushtrimit 1) duhet të: a) Vizatoni karakteristikën e transferimit të transistorit nëse IDSS = 10 mA dhe VP = - 4 V. b) Vizatoni linjën e ngarkesës në të njëjtin sistem boshtesh. c) Përcaktoni IDQ, VGSQ d) Llogaritni VDS, VD, VG, VS. 2. Për skemën me vetëpolarizim të figurës së mëposhtme (fig. e ushtrimit 2), nëse IDSS = 6 mA dhe VP = - 4 V, të përcaktohen: a) IDQ , VGSQ b) VDS, VD, VG, VS.

181

Skema e ushtrimit 1

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 3. Përcaktoni:

a) IDQ, VGSQ.



b) VDS, VD, IDSS nëse VP = - 4 V. 18 V

12 V

Skema e ushtrimit 2

Skema e ushtrimit 3

6.4. SKEMA ME PJESËTUES TENSIONI Skema e polarizimit me pjesëtues tensioni, e studiuar në amplifikatorët me transistorë dypolarë, përdoret edhe në amplifikatorët me transistorë njëpolarë siç është treguar në figurën 6.10.

Figura 6.10. Skema me pjesëtues tensioni

Më poshtë po tregojmë skemën ekuivalente për rrymat e vazhduara.

182

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

Figura 6.11. Skema ekuivalente për rrymat e vazhduara

Vini re që të gjithë kondensatorët janë zëvendësuar në skemë me qark të hapur. Në vazhdim, burimi VDD është ndarë në dy burime ekuivalente: një në qarkun e hyrjes dhe një në qarkun e daljes. Përderisa IG = 0, nga ligji i Kirkofit për rrymat kemi që IR1 = IR2, dhe mund të përdorim qarkun ekuivalent seri në të majtë të figurës 6.11 për të gjetur vlerën e VG. Tensioni VG, i barabartë me tensionin në rezistencën R2, mund të gjendet duke përdorur barazimin e mëposhtëm:

VG =

.

(6.15)

Duke zbatuar ligjin e Kirkofit për tensionet në drejtimin e rrotullimit të akrepave të orës për qarkun e hyrjes: VG – VGS – VRS = 0 dhe VGS = VG – VRS. Duke zëvendësuar VRS = ISRS = IDRS, kemi: VGS = VG - IDRS. (6.16) Rezultati është një ekuacion që lidh dy madhësi të njëjta me atë të ekuacionit Shoklei: VGS dhe ID. Vlerat e VG dhe RS janë fikse. Ekuacioni (6.16) është ekuacion i një vije që nuk kalon nga origjina. Zgjedhim ID = 0 mA dhe përcaktojmë VGS nga ekuacioni (6.16) si më poshtë: VGS = VG – (0 mA) RS.

183

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Pra:

VGS = VG, për ID = 0 mA.

(6.17)

Për të përcaktuar pikën tjetër, konsiderojmë VGS = 0V dhe nga ekuacioni (6.16) gjejmë ID: VGS = VG – IDRS 0V = VG – IDRS dhe

ID =

VG RS

, për VGS = 0 V.

(6.18)

Dy pikat e përcaktuara më sipër bëjnë të mundur ndërtimin e linjës së ngarkesës. Pikëprerja e linjës së ngarkesës me karakteristikën e transferimit përcakton pikën e punës dhe vlerat e IDQ dhe VGSQ përkatëse (fig. 6.12).

VG RS Q

Figura 6.12. Karakteristika e transferimit dhe pika e punës

Pikëprerja e boshtit vertikal me linjën e ngarkesës ndodh për ID = VG/RS . VG është fikse në qarkun e hyrjes, prandaj, nëse rritet vlera e RS, do të zvogëlohet vlera e ID (fig. 6.13).

Q

Q

Rritja e vlerës së RS

Figura 6.13. Efekti i RS në përcaktimin e pikës së punës.

184

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Duke rritur vlerat e RS, dalin vlera më të vogla të ID dhe vlera më negative të VGS. Për qarkun e daljes: VS = IDRS (6.19) VD = VDD – IDRD (6.20) VDS = VDD – ID (RD + RS). (6.21) Për qarkun e hyrjes: IR1 = IR2 dhe VG =

.

20V

USHTRIME 1. Për skemën e ushtrimit 1, të përcaktohen:

a) b) c) d)

VG IDQ dhe VGSQ VD dhe VS VDSQ,

nëse IDSS = 10 mA dhe VP = -3.5 V. 2. Të përsëritet ushtrimi i mësipërm nëse RS = 0.51 kΩ. Cili është efekti i vlerës më të vogël të RS në IDQ dhe VGSQ? 18V Skema e ushtrimit 1 dhe 2

750

2 kΩ

VD = 9 V

91

0.68

3. Në skemën e ushtrimit 3, nëse IDSS = 8 mA, të përcaktohet :

a) b) c) d)

ID VS dhe VDS VG dhe VGS VP

Skema e ushtrimit 3

185

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

6.5. MOSFET I TIPIT ME VARFËRIM (D-MOSFET) Siç e kemi parë në kapitullin e shkuar, karakteristika e transferimit e JFET dhe e D-MOSFET është e ngjashme. Ndryshimi kryesor midis skemave me JFET dhe atyre me MOSFET të tipit me varfërim (depletion type) qëndron në faktin që në karakteristikën e transferimit të D-MOSFET, pika e punës mund të gjendet edhe për vlera pozitive të VGS. Në këtë rast vlera e ID kuptohet që do të jetë më e madhe se vlera e IDSS.

SHEMBULL



Për MOSFET me varfërim kanal-n, të lidhur si në figurën e mëposhtme (fig. 6.14), përcaktoni: a) IDQ dhe VGSQ. b) VDS.



a) b)



Figura 6.14 a) Skema e D-MOSFET me kanal-n me pjesëtues tensioni b) Përcaktimi i pikës së punës

Zgjidhje a) Për karakteristikën e transferimit, një pikë e grafikut përcaktohet nga ID = IDSS/4 = 6mA/4 = 1.5 mA dhe VGS = VP / 2 = -3/2 = -1.5 V. Ekuacioni Shoklei përcakton një vijë të lakuar që ngrihet më shpejt kur VGS bëhet pozitive. Kështu, një pikë tjetër mund të ndërtohet në VGS = +1V. Duke zëvendësuar në ekuacionin Shoklei: 2



ID = IDSS (1-

)

= 6 mA (1-

)

2

= 6 mA (1+1/3)2 = 6 mA (1.778) = 10.67 mA.

186

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Për të ndërtuar karakteristikën e transferimit, duhen të paktën edhe dy pika të tjera. Njëra është pika ku VGS = 0 dhe ID = IDSS, ndërsa tjetra mund të jetë pika ID = 0 mA dhe VGS = VP. I bashkojmë këto pika dhe kjo është karakteristika e transferimit e figurës 6.14 (b). Duke ndjekur të njëjtën rrugë si në skemat me JFET, kemi:

ndërsa VGS e gjejmë: VGS = VG – IDRS = 1.5 V - ID (750 Ω). Ky është ekuacioni i linjës së ngarkesës. Duke zgjedhur ID = 0 mA, rezulton që: VGS = VG = 1.5V; Duke zgjedhur VGS = 0 V, gjejmë: ID = VG/RS = 1.5 v/750 Ω = 2 mA. Vendosim madhësitë e përcaktuara më lart në boshte dhe i bashkojmë me një vijë të drejtë. Pikëprerja e karakteristikës së transferimit me linjën e ngarkesës përcakton pikën e punës Q, si në figurën 6.14 (b). Pika e punës ka këto koordinata:

IDQ = 3.1 mA;

VGSQ = -0.8V.

b) VDS = VDD - ID (RD+RS) VDS = 18V - 3.1mA (1.8 kΩ + 750 Ω) = 10.1 V

USHTRIME 1. Për skemën e ushtrimit 1 të përcaktohen:

a) b) c) d)

VG IDQ dhe VGSQ VD dhe VS VDSQ

nëse IDSS = 6 mA dhe VP = -4 V. 2. Për skemën e ushtrimit 1 të përcaktohen IDQ dhe VGSQ, nëse RS = 1.1 K Ω.

187

Skema e ushtrimit 1 dhe 2

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

6.6. MOSFET I TIPIT ME PASURIM (E-MOSFET) Karakteristika e transferimit e MOSFET me pasurim është shumë e ndryshme nga ajo e JFET e D-MOSFET dhe kjo çon në një zgjidhje grafike shumë të ndryshme nga ajo e parë deri tani.

(on)

ID = 0 mA

(on)

Figura 6.15. Karakteristika e transferimit e MOSFET me pasurim me kanal n

Kujtojmë që karakteristika e transferimit e MOSFET me pasurim ndërtohet duke u bazuar në ekuacionin ID = k (VGS - VGS(TH) )2. Nëse nuk dimë vlerën e k-së, duhet t’u referohemi të dhënave të treguara në katalog, si: VGS(TH), ID(on) dhe VGS(on). Duke zëvendësuar në ekuacionin e mësipërm madhësitë e gjetura në katalog, gjejmë k-në siç tregohet më poshtë:

ID(on) = k (VGS(on) - VGS(TH))2 nga ku k =

.

(6.22)

2

Pasi gjendet vlera e k-së, duke i dhënë vlera VGS, gjenden vlerat e ID. Kuptohet që vlerat e VGS do jenë më të mëdha se vlera e VGS(TH).

Mënyra e polarizimit me lidhje të kundërt Një nga mënyrat më të përdorshme për polarizimin e këtyre transistorëve është ajo me lidhje të kundërt. Skema e polarizimit me lidhje të kundërt dhe skema ekuivalente DC e saj tregohen në figurën 6.16.

188

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Transistori polarizohet (ushqehet) me tension në vlerë të konsiderueshme që vjen nga derdhja (drain, dalja) e transistorit. Meqë I(G) = 0 dhe VRG = 0, atëherë: VD = VG dhe VDS = VGS. (6.23) Por VDS = VDD – ID RD nga ku VGS = VDD – ID RD. (6.24) Ky është njëkohësisht edhe ekuacioni i një vije të drejtë ose i linjës së ngarkesës.



a)

b)

Figura 6.16 a) Skema e polarizimit me lidhje të kundërt, b) Skema ekuivalente për rrymat e vazhduara

Duke marrë ID = 0 mA, kemi: VGS = VDD. (6.25) Duke zëvendësuar VGS = 0 V, kemi:

. (6.26)

-Vendosim madhësitë e përcaktuara më lart në boshte dhe i bashkojmë me një vijë të drejtë, që është linja e ngarkesës. Pikëprerja e karakteristikës së transferimit me linjën e ngarkesës përcakton pikën e punës Q (fig. 6.17 më poshtë).

189

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

Figura 6.17. Përcaktimi i pikës së punës për skemën me lidhje të kundërt

Mënyra e polarizimit me pjesëtues tensioni Një mënyrë tjetër e polarizimit të E-MOSFET është ajo e polarizimit me pjesëtues tensioni. Duke kujtuar që IG = 0 mA, mund të arsyetohet si në rastet e tjera me këtë mënyrë polarizimi.

Figura 6.18. Skema me pjesëtues tensioni

Siç e kemi parë më sipër, VG =

= VR2. (6.27)

Duke zbatuar ligjin e Kirkofit për tensionet në drejtim të rrotullimit të akrepave të orës për qarkun e hyrjes në figurën 6.18, do të dalë që: VG – VGS – VRS = 0 dhe VGS = VG – VRS.

190

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1 Duke zëvendësuar VRS = ISRS = IDRS, kemi VGS = VG - IDRS (6.28) Për qarkun e daljes: VS = IDRS VD = VDD – IDRD

VDS = VDD – ID (RD + RS) (6.29)

USHTRIME 1. Për skemën e ushtrimit 1 të përcaktohen:

a) b) c) d)

VG IDQ dhe VGSQ VD dhe VS VDSQ

VGS(Th) = 4V VGS (on) = 7V ID (on) = 5 mA

2. Për skemën e ushtrimit 2 të përcaktohen:

a) VG b) IDQ dhe VGSQ c) VD dhe VS

VGS(Th) = 3V VGS (on) = 6V ID (on) = 5 mA

191

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

6.7. LIDHJA E KOMBINUAR MIDIS TRANSISTORËVE BJT E FET Të gjitha ekuacionet dhe marrëdhëniet midis madhësive elektrike të përcaktuara deri tani janë të njëjta dhe për të bërë analizën e punës së skemave të kombinuara me BJT e FET.



SHEMBULL

Të përcaktohet VD e VK për skemën e mëposhtme:

Zgjidhje Nëse në skemën me pjesëtues tensioni plotësohet kushti βRE > 10R2, përcaktimi i VB mund të bëhet me metodën e përafërt (duke përdorur rregullën e pjesëtuesit të tensionit në qarkun e hyrjes). Vëmë re që: βRE = (180 x 1.6 kΩ) = 288 kΩ > 10R2 = 240 kΩ. Meqë kushti plotësohet, llogaritim VB:

VB Duke ditur që IG = 0 dhe IGRG= 0, kemi:

192

.

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

VB = VG Duke përdorur faktin që VBE = 0.7 V, gjejmë:

VE = VB - VBE = 3.62 V - 0.7 V = 2.92 V dhe

Në këtë skemë

IDQ = IE = IK VD = 16 V - ID (2.7 KΩ)

= 16 V – (1.825 mA) (2.7 KΩ)



= 11.07 V

Po të shohim skemën me vëmendje, VK është e njëjtë me vlerën e VS:

.



Më lart gjetëm IDQ dhe matematikisht ose grafikisht mund të përcaktojmë VGSQ. Për këtë, ndërtojmë karakteristikën e transferimit dhe për vlerën e njohur të IDQ përcaktojmë vlerën e VGSQ. Grafikisht, nga figura 6.19, shihet që

VGSQ = -3.7 V. Vlera e VK:

VK = VB – VGSQ = 3.62 V – (-3.7 V)

= 7.32 V.

193

 Luçiana TOTI – ELEKTRONIKA 1

Figura 6.19. Përcaktimi i pikës së punës

USHTRIM 1. Për qarkun në figurën e mëposhtme përcaktoni: a) VG b) VGSQ dhe IDQ c) IE d) IB e) VD f) VK β=160

IDSS= 6 mA VP=-6V

194